带电粒子在电磁场中运动.ppt

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1、关于带电粒子在电磁场中的运动第一张，PPT共二十八页，创作于2022年6月一、带电粒子在电磁场中的运动v一、带电粒子在电场和磁场中所受的力v二、磁聚焦v三、回旋加速器v四、霍尔效应第二张，PPT共二十八页，创作于2022年6月（1）磁场对运动电荷的作用磁场对运动电荷的作用大小：大小：方向：垂直于（方向：垂直于（）平面）平面特点：不改变特点：不改变 大小，只改变大小，只改变 方向。方向。不对不对 做功。做功。第三张，PPT共二十八页，创作于2022年6月（2）带电粒子在均匀磁场中的运动）带电粒子在均匀磁场中的运动 可分以下三种情况v1）运动方向与磁场方向）运动方向与磁场方向平行平行 v =0vF

2、=0第四张，PPT共二十八页，创作于2022年6月2）运动方向与磁场方向垂直）运动方向与磁场方向垂直F F BR R +v匀速圆周运动匀速圆周运动周期周期第五张，PPT共二十八页，创作于2022年6月3）运动方向沿任意方向）运动方向沿任意方向B匀速圆周运动与匀匀速圆周运动与匀速直线运动的合成速直线运动的合成螺距螺距h +v轨迹为螺旋线轨迹为螺旋线第六张，PPT共二十八页，创作于2022年6月 载流导体放在磁场中，若磁场与载流导体放在磁场中，若磁场与电流方向垂直，则在与磁场和电流电流方向垂直，则在与磁场和电流方向垂直方向上会出现电势差。如方向垂直方向上会出现电势差。如图图霍耳效应霍耳效应v可以用

3、可以用洛仑兹力洛仑兹力解释，精确的解释只能用电子的量子理解释，精确的解释只能用电子的量子理论论.IIn型半导体型半导体,载流载流子为子为电子电子p型半导体型半导体,载流子为载流子为空穴空穴(带正电带正电)UI.4.第七张，PPT共二十八页，创作于2022年6月霍 耳 效 应霍耳效应霍耳效应第八张，PPT共二十八页，创作于2022年6月I霍耳电压霍耳电压霍耳霍耳系数系数+-第九张，PPT共二十八页，创作于2022年6月3.磁聚焦磁聚焦（洛仑兹力不做功洛仑兹力不做功）洛仑兹力洛仑兹力 与与 不垂直不垂直螺距螺距第十张，PPT共二十八页，创作于2022年6月 应用应用 电子光学电子光学,电子显微镜等

4、电子显微镜等.磁聚焦磁聚焦 在均匀磁场中某点在均匀磁场中某点 A 发射一束初速相发射一束初速相差不大的带电粒子差不大的带电粒子,它们的它们的 与与 之间的夹角之间的夹角 不尽相同不尽相同,但都较小但都较小,这些粒子沿半径不同的螺旋这些粒子沿半径不同的螺旋线运动线运动,因螺距近似相等因螺距近似相等,都相交于屏上同一点都相交于屏上同一点,此此现象称之为磁聚焦现象称之为磁聚焦.第十一张，PPT共二十八页，创作于2022年6月.+-A AK+dL.三三 带电粒子在电场和磁场中运动举例带电粒子在电场和磁场中运动举例1.电子比荷的测定电子比荷的测定速度选择器速度选择器第十二张，PPT共二十八页，创作于20

5、22年6月dL+-o第十三张，PPT共二十八页，创作于2022年6月回旋加速器v回旋加速器是一种能产生高能量带电粒子的机器v回旋加速器原理图，它的主要部分作为电极的两个金属半圆形真空和 放在高真空的容器中，然后将它们放在电磁铁所产生的强大均匀磁场 中，磁场方与 和 的平面垂直。当两电极间加有高频交变电压时，两电极缝隙之间就存在高频交变电场，致使极缝间电场的方向在相等的时间间隔 内迅速地交替改变。如果有一带正电荷 的粒子，从极缝间的粒子源O中释放出来，那么，这个粒子在电场力的作用下，被加速而进入半盒。设这时粒子的速率已达，由于盒内无电场，且磁场的方向垂直于粒子的运动方向，所以粒子在 内作匀速圆周

6、运动。经时间 后，粒子恰好到达缝，这时交变电压也将改变符号，即极缝间的电场正好也改变了方向，所以粒子又会在电场力的作用下加速进入盒，使粒子的速率由 增加至，在 内的轨道半径也相应地增大。第十四张，PPT共二十八页，创作于2022年6月 回旋加速器回旋加速器 1932年劳伦斯研制第一台回旋加速器的年劳伦斯研制第一台回旋加速器的D型室型室.此加速器可将质子和氘核加速到此加速器可将质子和氘核加速到1MeV的能量，的能量，为此为此1939年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖.第十五张，PPT共二十八页，创作于2022年6月二、磁场对载流导体的作用v认识安培力v 磁场作用于载流线圈的磁力

7、矩磁场作用于载流线圈的磁力矩v磁式电流计v电磁炮第十六张，PPT共二十八页，创作于2022年6月安培力安培力一、安培定律一、安培定律:任意电流元任意电流元 受磁力为受磁力为v有限长度电流所受安培力有限长度电流所受安培力2.)安培力的实质是安培力的实质是洛仑兹力洛仑兹力;注注:1.)称为称为安培力安培力;3.)不包括不包括 产生的磁场产生的磁场.5.二、安培定律的应用二、安培定律的应用1.直线电流所受安培力直线电流所受安培力lI第十七张，PPT共二十八页，创作于2022年6月2.平行无限长载流直线平行无限长载流直线 电流间的相互作用力电流间的相互作用力dl2dl1I2I1av可见可见,单位长度载

8、流直线单位长度载流直线 所受安培力相等所受安培力相等.6.三、磁矩和三、磁矩和磁力矩磁力矩 1、载流线圈的载流线圈的磁矩磁矩:定义定义(重要重要)I 通过线圈的电流通过线圈的电流S 平面线圈的面积平面线圈的面积 线圈平面法线方向单位矢量，与电流线圈平面法线方向单位矢量，与电流 流向满足右手螺旋规则流向满足右手螺旋规则IS第十八张，PPT共二十八页，创作于2022年6月带电粒子作圆或椭圆轨道运动及自旋运动时，也具有磁带电粒子作圆或椭圆轨道运动及自旋运动时，也具有磁矩，上述矩，上述磁矩的定义仍适用磁矩的定义仍适用;OO,引入引入磁矩概念的意义磁矩概念的意义:描述描述载流线圈载流线圈或或环形环形运动

9、电荷运动电荷在磁场中的状态较为方便在磁场中的状态较为方便.7.l1l22、平面载流线圈在均匀磁场中所平面载流线圈在均匀磁场中所受的受的磁力矩磁力矩 M如图所示如图所示,矩形线框可绕矩形线框可绕OO，轴转动轴转动由安培定律可知由安培定律可知合力合力dcbaI.a(c)b(d)II磁力磁力Fac 和和Fbd产生的力矩分别为产生的力矩分别为(俯视图俯视图)第十九张，PPT共二十八页，创作于2022年6月磁力矩磁力矩定义：定义：线圈所受合力矩大小为线圈所受合力矩大小为注意注意:1.上式对于在均匀磁场中任意形状的平面线圈均成立上式对于在均匀磁场中任意形状的平面线圈均成立;2.带电粒子作圆或椭圆轨道运动及

10、自旋运动时带电粒子作圆或椭圆轨道运动及自旋运动时,其磁其磁力矩也可由上式计算力矩也可由上式计算.v如果场点与平面线圈的距离远远大于平面线圈的平均线如果场点与平面线圈的距离远远大于平面线圈的平均线度，则该线圈称为度，则该线圈称为磁偶极子磁偶极子.8.磁偶极矩磁偶极矩第二十张，PPT共二十八页，创作于2022年6月 M,N O,PMNOPI一一 磁场作用于载流线圈的磁力矩磁场作用于载流线圈的磁力矩如图如图 均匀均匀磁场中有一矩形载流线圈磁场中有一矩形载流线圈MNOP第二十一张，PPT共二十八页，创作于2022年6月线圈有线圈有N匝时匝时MNOPI M,N O,P第二十二张，PPT共二十八页，创作于

11、2022年6月IB.IBB+I稳定平衡稳定平衡不不稳定平衡稳定平衡讨讨 论论1）方向与方向与 相同相同2）方向相反）方向相反3）方向垂直）方向垂直力矩最大力矩最大第二十三张，PPT共二十八页，创作于2022年6月 结论结论:均匀均匀磁场中，任意形状磁场中，任意形状刚刚性闭合性闭合平面平面通电线通电线圈所受的力和力矩为圈所受的力和力矩为与与 成成右右螺旋螺旋0pqq=稳定稳定平衡平衡非稳定非稳定平衡平衡 磁矩磁矩第二十四张，PPT共二十八页，创作于2022年6月o解解:设环上所带电荷量为设环上所带电荷量为Q.9.则圆环旋转时，其上所有电荷元都在则圆环旋转时，其上所有电荷元都在旋转，形成环形电流为

12、旋转，形成环形电流为的方向如图所示的方向如图所示例题例题1：磁感应强度为磁感应强度为B 的均匀磁场中放一均匀带正的均匀磁场中放一均匀带正电荷的细圆环，其半径为电荷的细圆环，其半径为R，电荷线密度为电荷线密度为 ，当圆，当圆环绕与环面垂直的转轴以角速度环绕与环面垂直的转轴以角速度 旋转时，求圆环旋转时，求圆环的磁矩的磁矩 和受到的磁力矩和受到的磁力矩 .第二十五张，PPT共二十八页，创作于2022年6月安培力的运用v轨道炮是一种利用电流间相互作用的安培力将弹头发射出去的武器。v两个扁平的互相平行的长直导轨，导轨间由一滑块状的弹头连接，强大的电流从一直导轨流经弹头后，再从另一直导轨流回。电流在两导

13、轨之间产生一近似均匀的垂直于弹头的强磁场。通电的弹头在磁场的安培力作用下被加速。第二十六张，PPT共二十八页，创作于2022年6月电磁炮v设弹头的初速为零，则安培力将弹头推出导轨所做的功等于弹头的动能。由于超导材料研究上的突破，可望输送106A的电流，在5m米长的导轨上，可使弹头加速到6km/s的速度。而常规火炮受结构和材料强度的限制，发射弹头的速度一般不超过2km/s。动画演示v阅读材料：阅读材料：http:/202.192.173.71/ncourse/dxwl/cai_sdjg/Army/dc.htm第二十七张，PPT共二十八页，创作于2022年6月感感谢谢大大家家观观看看第二十八张，PPT共二十八页，创作于2022年6月