电流与磁场的相互作用

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1、带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动一、带电粒子在电场和磁场中所受的力一、带电粒子在电场和磁场中所受的力电场力电场力EqFe 磁场力磁场力BvqFm 洛仑兹力的方向垂直洛仑兹力的方向垂直于运动电荷的速度和于运动电荷的速度和磁感应强度所组成的磁感应强度所组成的平面，且符合右手螺平面，且符合右手螺旋定则。旋定则。带电粒子在电场和磁带电粒子在电场和磁场中所受的力场中所受的力BvqEqF q BvFm洛仑兹洛仑兹(Hendrik Antoon Lorentz, 1853-1928) 1895年，洛仑兹根据物质电结构的假年，洛仑兹根据物质电结构的假说，创立了说，创立了经典电子论经典电

2、子论。洛仑兹的电磁。洛仑兹的电磁场理论研究成果，在现代物理中占有重场理论研究成果，在现代物理中占有重要地位。洛仑兹力是洛仑兹在研究电子要地位。洛仑兹力是洛仑兹在研究电子在磁场中所受的力的实验中确立起来的。在磁场中所受的力的实验中确立起来的。 洛仑兹还预言了洛仑兹还预言了正常的塞曼效益正常的塞曼效益，即，即磁场中的光源所发出的各谱线，受磁场磁场中的光源所发出的各谱线，受磁场的影响而分裂成多条的现象中的某种特的影响而分裂成多条的现象中的某种特殊现象。殊现象。 洛仑兹的理论是从经典物理到相对论洛仑兹的理论是从经典物理到相对论物理的重要桥梁，他的理论构成了相对物理的重要桥梁，他的理论构成了相对论的重要

3、基础。洛仑兹对论的重要基础。洛仑兹对统计物理学统计物理学也也有贡献。有贡献。荷兰物理学家、数荷兰物理学家、数学家，因研究磁场学家，因研究磁场对辐射现象的影响对辐射现象的影响取得重要成果，与取得重要成果，与塞曼共获塞曼共获1902年诺年诺贝尔物理学奖金。贝尔物理学奖金。带电粒子在磁场中受力带电粒子在磁场中受力2、速度方向与磁场方向垂直、速度方向与磁场方向垂直洛仑兹力的大小洛仑兹力的大小二、带电粒子在磁场中的运动二、带电粒子在磁场中的运动1、速度方向与磁场方向平行、速度方向与磁场方向平行带电粒子受到的洛仑兹力为零，带电粒子受到的洛仑兹力为零，粒子作直线运动。粒子作直线运动。BvqqvBFmRvm2

4、 qBmvR qBmT 22 mF磁力提供向心力磁力提供向心力。周期与速度无关周期与速度无关R R 匀速率匀速率圆周运动圆周运动3、速度方向与磁场方向有夹角、速度方向与磁场方向有夹角把速度分解成平行于磁场的把速度分解成平行于磁场的分量与垂直于磁场的分量分量与垂直于磁场的分量 sincos/vvvv平行于磁场的方向：平行于磁场的方向： F/=0 ， 匀速直线运动匀速直线运动垂直于磁场的方向：垂直于磁场的方向： F=qvBsin，匀速圆周运动，匀速圆周运动 粒子作螺旋线向前运动，轨迹是螺旋线。粒子作螺旋线向前运动，轨迹是螺旋线。回旋半径回旋半径 sinqBmvqBmvR 回旋周期回旋周期qBmvR

5、T 22 螺距螺距粒子回转一周所粒子回转一周所前进的距离前进的距离cos 2/vqBmTvhhB B螺距螺距d与与v无关，只与无关，只与v/成正比，若各成正比，若各粒子的粒子的v/相同，则其螺距是相同的，每相同，则其螺距是相同的，每转转 一周粒子都相交于一点，利用这个一周粒子都相交于一点，利用这个原理，可实现原理，可实现磁聚焦磁聚焦。 *电子的反粒子电子的反粒子 电子偶电子偶正电子：正电子：1930年英国物理学家狄拉年英国物理学家狄拉克从理论上预言了正电子的存在，克从理论上预言了正电子的存在，1932年，美国物理学家安德森在分析年，美国物理学家安德森在分析宇宙射线穿过位于云雾室的铅块后的宇宙射

6、线穿过位于云雾室的铅块后的带电粒子的照片时，发现了正电子。带电粒子的照片时，发现了正电子。 B原理：原理：在高能粒子物理中，常用在高能粒子物理中，常用带电粒子在云雾室中的轨迹来观带电粒子在云雾室中的轨迹来观察和区分粒子的性质。察和区分粒子的性质。电子偶：电子偶：理论和实验都表明，正电子总是伴随着理论和实验都表明，正电子总是伴随着电子一起出现的，犹如成对成双的配偶，故称之为电子一起出现的，犹如成对成双的配偶，故称之为电子电子正电子偶，简称电子偶或电子对。正电子偶，简称电子偶或电子对。*带电粒子在非均匀磁场中的运动带电粒子在非均匀磁场中的运动带电粒子进入轴对称会聚磁场，由带电粒子进入轴对称会聚磁场

7、，由于磁场的不均匀，洛仑兹力的大小于磁场的不均匀，洛仑兹力的大小要变化，所以不是匀速圆周运动。要变化，所以不是匀速圆周运动。且且半径逐渐变小半径逐渐变小。xBy使沿磁场的运动被抑，而被迫使沿磁场的运动被抑，而被迫反转。象被反转。象被“反射反射”回来一回来一样样磁镜磁镜。* 应用：应用：磁约束磁约束用于受控用于受控热核反应中热核反应中地磁场，两极强，中间弱，能地磁场，两极强，中间弱，能够捕获来自宇宙射线的的带电够捕获来自宇宙射线的的带电粒子，在两极之间来回振荡。粒子，在两极之间来回振荡。1958年，探索者一号卫星在外年，探索者一号卫星在外层空间发现被磁场俘获的来自层空间发现被磁场俘获的来自宇宙射

8、线和太阳风的质子层和宇宙射线和太阳风的质子层和电子层电子层Van Allen辐射带辐射带三、带电粒子在电场和磁场中的运动举例三、带电粒子在电场和磁场中的运动举例1、电子比荷（、电子比荷（e /m）的测定）的测定引言：引言：电子的电量和质量是电子的电量和质量是电子基本属性，对电子的电电子基本属性，对电子的电量、质量和两者的比值量、质量和两者的比值(即比即比荷荷)的测定有重要的意义。的测定有重要的意义。1897年年J.J. Thomson在卡文在卡文迪许实验室测量电子比荷，迪许实验室测量电子比荷，为此为此1906年获年获Nobel物理奖。物理奖。实验装置实验装置原理原理加速电子经过电场与磁场区域加

9、速电子经过电场与磁场区域发生偏转发生偏转12202 LLDyBEmey结论结论对于速度不太大的电子对于速度不太大的电子1110kgC10759. 1 me带电粒子在磁场中的运动带电粒子在磁场中的运动2、质谱仪质谱仪引言：引言：是用物理方法分析同位素的仪器，由英国物理学家与是用物理方法分析同位素的仪器，由英国物理学家与化学家阿斯顿于化学家阿斯顿于1919年创造，当年发现了氯与汞的同位素，年创造，当年发现了氯与汞的同位素，以后几年又发现了许多同位素，特别是一些非放射性的同位以后几年又发现了许多同位素，特别是一些非放射性的同位素，为此，阿斯顿于素，为此，阿斯顿于1922年获诺贝尔化学奖。年获诺贝尔化

10、学奖。原理图原理图速度选择器速度选择器AB 3SqvBE+ 1S2S从离子源出来的离子经过从离子源出来的离子经过S1、S2加速进入电场和磁场空间，加速进入电场和磁场空间，若粒子带正电荷若粒子带正电荷+q，则电荷所，则电荷所受的力有：受的力有：洛仑兹力：洛仑兹力：qvB电场力电场力 ： qE若粒子能进入下面的磁场若粒子能进入下面的磁场qvB=qEBEv 速度选择器速度选择器若每个离子所带电量相等，由若每个离子所带电量相等，由谱线的位置可以确定同位素的谱线的位置可以确定同位素的质量。质量。由感光片上谱线的黑度，可以由感光片上谱线的黑度，可以确定同位素的相对含量。确定同位素的相对含量。质谱分析：质谱

11、分析：带电粒子带电粒子 经过速度选择器后，进经过速度选择器后，进入磁场入磁场B中做圆周运动，半径中做圆周运动，半径R为为AB 3SqvBE+ 1S2SRvmBqv2 vRBqm 锗的质谱锗的质谱3、 回旋加速器回旋加速器美国物理学家劳伦美国物理学家劳伦斯于斯于1934年研制成年研制成功第一台加速器功第一台加速器劳伦斯于劳伦斯于1939年获年获诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学奖。结构：结构：密封在真空中的两个金属盒（密封在真空中的两个金属盒（D1和和D2）放在电磁铁两）放在电磁铁两极间的强大磁场中，两盒间接有交流电源，它在缝隙极间的强大磁场中，两盒间接有交流电源，它在缝隙里的交变电场用以加速带电粒子