带电粒子在磁场中运动之实际应用课件(PPT 30页).pptx
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1、6.带电粒子在匀强磁场中的运动带电粒子在匀强磁场中的运动之实际应用之实际应用第1页,共30页。实际应用实际应用1.质谱仪质谱仪6.回旋加速器回旋加速器3.速度选择器速度选择器2.磁流体发电机磁流体发电机4.电磁流量计电磁流量计5.霍尔效应霍尔效应第2页,共30页。一一.质谱仪质谱仪最初由汤姆生的学生最初由汤姆生的学生阿斯顿设计,他用质谱仪发阿斯顿设计,他用质谱仪发现了氖现了氖20和氖和氖22,证实了同,证实了同位素的存在。位素的存在。第3页,共30页。第4页,共30页。二二.磁流体发电模型磁流体发电模型:RABNS原理:原理:将一束等离子体(高温高压下电离的气体,含大量将一束等离子体(高温高压
2、下电离的气体,含大量正负离子,整体看呈中性)喷射入磁场,磁场中正负离子,整体看呈中性)喷射入磁场,磁场中AB金属板聚集电荷,产生电压。设金属板聚集电荷,产生电压。设AB板面积均为板面积均为S,S,相距相距L L,等离子体的导电率为,等离子体的导电率为0 0(电阻率的倒(电阻率的倒数),喷入速度为数),喷入速度为v v,磁感应强度为,磁感应强度为B B,与板相连电,与板相连电阻为阻为R R。第5页,共30页。RABNS求流过求流过R的电流?的电流?电源电动势为外电路断开电源电动势为外电路断开时电源两极间的电势差,时电源两极间的电势差,当等离子体匀速通过当等离子体匀速通过AB两两极板时,两板电势差
3、达到极板时,两板电势差达到最大。最大。设等离子体电荷量为设等离子体电荷量为q,匀速通过两板时,有,匀速通过两板时,有qvB=qE.电源电动势电源电动势E E0 0=EL=vBL.=EL=vBL.电源内阻为电源内阻为0LLrSSEIRr00vBLSILRS所以所以第6页,共30页。例:如图所示,磁流体发电机的通道是一长为例:如图所示,磁流体发电机的通道是一长为L的的矩形管道,其中通过电阻率为矩形管道,其中通过电阻率为的等离子体,通道中左、的等离子体,通道中左、右一对侧壁是导电的,其高为右一对侧壁是导电的,其高为h,相距为,相距为a,而通道,而通道的上下壁是绝缘的,所加匀强磁场的大小为的上下壁是绝
4、缘的,所加匀强磁场的大小为B,与,与通道的上下壁垂直通道的上下壁垂直.左、右一对导电壁左、右一对导电壁用电阻值为用电阻值为r的电阻的电阻经导线相接,通道经导线相接,通道两端气流的压强差为两端气流的压强差为p,不计摩擦及粒,不计摩擦及粒子间的碰撞,求等离子间的碰撞,求等离子体的速率是多少子体的速率是多少.磁流体发电机:磁流体发电机:第7页,共30页。解:等离子体通过管道时,在洛伦兹力作用下,正解:等离子体通过管道时,在洛伦兹力作用下,正负离子分别偏向右、左两壁,由此产生的电压负离子分别偏向右、左两壁,由此产生的电压U:其值为其值为U=E=Bav,且与导线构成回路,令气流进出管且与导线构成回路,令
5、气流进出管时的压强分别为时的压强分别为p1、p2,则气流进出管时压力做,则气流进出管时压力做功的功率分别为功的功率分别为p1Sv和和p2Sv,其功率损失为,其功率损失为:p1Sv-p2Sv=pSv由能量守恒,此损失的功率等于回路的电功率,即由能量守恒,此损失的功率等于回路的电功率,即pSv=将将S=ha,R=+r代入上式中代入上式中得得 v=aUqqvB RE2RBav2)(LhaaLBLhrap2)(第8页,共30页。例例6.如图所示为北半球一条自西向东如图所示为北半球一条自西向东的河流,河两岸沿南北方向的的河流,河两岸沿南北方向的A、B两两点相距为点相距为d.若测出河水流速为若测出河水流速
6、为v,A、B两点的电势差为两点的电势差为U,即能测出此地的,即能测出此地的磁感应强度的垂直分量磁感应强度的垂直分量B.磁流体发电应用磁流体发电应用:第9页,共30页。因为河水中总有一定量的正、负离因为河水中总有一定量的正、负离子,在地磁场洛仑兹力的作用下,子,在地磁场洛仑兹力的作用下,正离子向正离子向A点偏转,负离子向点偏转,负离子向B点偏点偏转,当转,当A、B间电势差达到一定值时,间电势差达到一定值时,正、负离子所受电场力与洛仑兹力正、负离子所受电场力与洛仑兹力平衡,离子不同偏转,即平衡,离子不同偏转,即 Bqv,故故B .qdUdvU第10页,共30页。三三.速度选择器速度选择器原理:原理
7、:v重力忽略不计,运动方向相同的速度不同的正重力忽略不计,运动方向相同的速度不同的正离子组成的离子束,射入相互正交的匀强电场离子组成的离子束,射入相互正交的匀强电场和匀强磁场所组成的场区中,已知电场强度和匀强磁场所组成的场区中,已知电场强度E,方向向下;磁感应强度方向向下;磁感应强度B,方向垂直向里。离,方向垂直向里。离子的运动轨迹不发生偏转。子的运动轨迹不发生偏转。必须满足平衡方程必须满足平衡方程qvB=qEV=E/B第11页,共30页。v特点特点1.带电粒子不发生偏转的条件跟粒子的带电粒子不发生偏转的条件跟粒子的和和电荷量电荷量无关,跟粒子的无关,跟粒子的电性电性无无关,只和粒子的关,只和
8、粒子的速度速度有关。有关。2.速度选择器只选择速度(大小,方速度选择器只选择速度(大小,方向)而不选择粒子的质量和电荷量。向)而不选择粒子的质量和电荷量。3.B E V3.B E V三个物理量大小三个物理量大小 方向互相约束,以保证粒子方向互相约束,以保证粒子的电场力和洛伦兹力等大反向。的电场力和洛伦兹力等大反向。4.4.若若v vE/BE/B,正粒子向上偏转;若,正粒子向上偏转;若v vE/B,E/B,正粒子向下正粒子向下偏转。负粒子的偏转方向与正粒子相反。偏转。负粒子的偏转方向与正粒子相反。第12页,共30页。例例7.某带电粒子从图中某带电粒子从图中速度选择器速度选择器左端由中点左端由中点
9、O以速度以速度v0向右射去,从右端中心向右射去,从右端中心a下方的下方的b点点以速度以速度v1射出;若增大磁感应强度射出;若增大磁感应强度B,该粒子,该粒子将打到将打到a点上方的点上方的c点,且有点,且有ac=ab,则该粒子,则该粒子带带_电;第二次射出时的速度为电;第二次射出时的速度为_。a b c ov0 21202vvv正正第13页,共30页。解:解:B增大后向上偏,说明洛伦兹力向上,增大后向上偏,说明洛伦兹力向上,所以粒子带正电。由于洛伦兹力始终不做功,所以粒子带正电。由于洛伦兹力始终不做功,所以两次都是只有电场力做功,第一次为正所以两次都是只有电场力做功,第一次为正功,第二次为负功,
10、但功的绝对值相同。功,第二次为负功,但功的绝对值相同。21202222020212,21212121vvvmvmvmvmv第14页,共30页。四四.电磁流量计电磁流量计广泛应用于测量导电液体广泛应用于测量导电液体(污水)在管中的流量(污水)在管中的流量(单位时间内通过管内横(单位时间内通过管内横截面的流体体积)截面的流体体积)如图,横截面为长方形的管道,长宽高分别为如图,横截面为长方形的管道,长宽高分别为abc,在流量,在流量计两端与输送液体的管道相连。流量计上下两面为金属材料。计两端与输送液体的管道相连。流量计上下两面为金属材料。加上垂直前后两面的匀强磁场加上垂直前后两面的匀强磁场B,当导电
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