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湖北省大悟县楚才高级中学高中物理 3.4磁场对运动电荷的作用竞赛试题


湖北省大悟县楚才高级中学高中物理 3.4 磁场对运动电荷的作 用竞赛试题

根据安培定律 F ? IB ?L sin ? ,而电流强度与运动电荷 有关系 I ? qnvs ,? 角既是电流元 I?L 与 B 的夹角,也 可视为带电粒子的速度 v 与 B 之间的夹角, ? L 长导线 中有粒子数 N ? n?LS ,则每个电子受到的力即洛伦兹 力为
<

br />z
f
O q

?

?

x

v?

? B

v

y

F qnvSB ?L sin ? f ? ? ? qvB sin ? N n?LS

图 3-4-1

洛伦兹力总是与粒子速度垂直,因此洛伦兹力不作功,不能改变运动电荷速度的大小, 只能改变速度的方向,使路径发生弯曲。 洛伦兹 力的方向从图 3-4-1 可以看出, 它一定与磁场(B)的方向垂直, 也与粒子运动( v ) 方向垂直,即与 v 、B 所在的平面垂直,具体方向可用左手定则判定。但应注意,这里所说 的粒子运动方向是指正电荷运动的方向,它恰与负电荷沿相反方向运动等效。 3.4.2、带电粒子在匀强磁场中的运动规律 带电粒子在匀强磁场中的运动规律与粒子的初始状态有关具体如下: 如果带电粒子原来静止,它即使在磁场中也不会受洛伦磁力的作用,因而保持静止。 如果带电粒子运动的方向恰与磁场方向在一条直线上,该粒子仍不受洛伦磁力的作用, 粒子就以这个速度在磁场中做匀速直线运动。

1

带电粒子速度方向与磁场方向垂直,带电粒子在垂直于磁场方向 的平面内以入射速度 v 作匀速圆周运动。带电粒子在匀强磁场中作匀 速圆周运动的四个基本公式。
A

?

?
A

(1)向心力公式:

qvB ? m

v R

2

f

O

?A

? f

B

R?
(2)轨道半径公式:

mv Bq

图 3-4-2

(3)周期、频率和角频率公式,即:

T?

2?R 2?m 1 Bq 2? Bq ? f ? ? ?? ? 2?f ? v Bq , T 2?m , T m Ek ? 1 2 p 2 ( BqR) 2 mv ? ? 2 2m 2m

(4)

动能公式:

如图 3-4-2 所示,在洛伦兹力作用下,一个作匀速圆周运动的粒子,不论沿顺时针方向 运动还是沿逆时针方向运动,从 A 点到 B 点,均具有下述特点: (1)轨道圆心(O)总是位于 A、 B 两点洛伦兹力(f)的交点上或 AB 弦的中垂线 OO ? 与任一 个 f 的交点上。 (2)粒子的速度偏向角 ? 等于回旋角 a ,并等于 AB 弦与切线的夹角(弦切角? )的两倍, 即 ? ? a ? 2? ? ?t 。 磁场中带电粒子运动的方向一般是任意的, 但任何一个带电粒子运动的速度( v )都可以 在垂直于磁场方向和平行于磁场方向进行分解,得到 v? 和

v// 两个分速度。根据运动的独立性可知,这样的带电粒子一 v 方面以 // 在磁场方向上作匀速运动, 一方面又在垂直于磁场
的方向上作速率为 v? 的匀速圆周运动。 实际上粒子作螺旋线 运动(如图 3-4-3),这种螺旋线运动的周期和螺距大小读者 自己分析并不难解决。其螺旋运动的周期 T ? 2?m / qB ,其运动规律:
2

v v⊥

v∥ f B
r

图 3-4-3

r?
螺旋运动回旋半径: 螺旋运动螺距:

m vsin ? qB

h ? v// ? T ? 2?mvcos? / qB

3.4.3、霍尔效应 将一载流导体放在磁场中,由于洛伦兹力的作 用,会使带电粒子(或别的载流子)发生横向偏转,在 磁场和电流二者垂直的方向上出现横向电势差,这一 现象称为霍尔效应。
E
h
d
I

如图 3-4-4 所示,电流 I 在导体中流动,设导体 横截面高 h、宽为 d 匀强磁场方向垂直与导线前、后

图 3-4-4

两表面向外,磁感强度为 B,导体内自由电子密度为 n,定向移动速度 v

I ? nevh ? d
由于洛伦兹力作用,自由电子向上表面聚集,下表面留下正离子,结果上下表面间形成 电场,存在电势差 U,这个电场对电子的作用力方向向下,大小为

F ? eE ? e ?

U h

当 F 与洛伦磁力 f 相平衡时,上、下表面电荷达到稳定,则有

e

U ? evB h IB ned
B
d

U ?

如果导电的载流子是正电荷,则上表面聚集正电荷,下 表面为负电势,电势差正、负也正好相反。 下面来分析霍尔电势差,求出霍尔系数。 在图 3-4-5 中, 设大块导体的长和宽分别为 L 和 d, 单位 体积自由电荷密度为 n,电荷定向移动速率为 v ,则电流
L
? ?

?

?
I

?
?

a

a?

图 3-4-5

3

I ? nqLdv。
假定形成电流的电荷是正电荷,其定向移动方向就是电流方向。根据左手定则,正电荷 向上积聚,下表面附近缺少正电荷则呈现负电荷积聚,上正下负电压为 Ua a ? ,正电荷受到

跟磁场力反向的电场力

F ? qE ? q

Ua a ? L 的作用。 q

Ua a ? ? qBv L 电场对正电荷向上的偏移积聚起阻碍作用,当最后达到平衡时 ,可得

Uaa ? ? BLv ? BL
1 nq 。

I BI 1 ? ? nqLd d nq 。可见,理论推导的结果跟实验结果完全一致,系数

k?

既然 k 跟 n 有关,n 表征电荷浓度,那么通过实验测定 k 值可以确定导体或半导体的电 荷浓度 n, 半导体的 n 值比金属导体小得多, 所以 k 值也大得多。 此外根据左手定则还可知, 即使电流 I 就是图 3-4-6 中的流向,如果参与流动的是正电荷,那么电压就是上正下负;如 果参与定向移动的是自由电子,那么电压就是上负下正了。霍尔电势的高低跟半导体是 p 型的还是 n 型的有如此的关系:上正下负的是 p 型半导体,定向载流子是带正电的空穴:上 负下正的是 n 型半导体,如果 k 值小得多就是金属导体,定向载流子是自由电子。 3.4.4、磁聚焦 运动电荷在磁场中的螺旋运动被应用于“磁聚焦技术” 。 如图 3-4-7,电子束经过 a、b 板上恒定电场加速后,进入 c、d 极板之间电场,c、d 板上加交变电压,所以飞出 c、d 板后粒子速度 v 方向不同,从 A 孔穿入螺线管磁场中,由 于 v 大小差不多,且 v 与 B 夹角 ? 很小,则

v// ? v cos? ? v

I

a b

v? ? v sin ? ? v?
由于速度分量 v? 不同, 在磁场中它 们将沿不同半径
d

A

A?

I

图 3-4-7
4

的螺旋线运动。 但由于它们速度

v// 分量近似相等, 经过

h?

2?m v// 2?m v ? qB qB 后又相聚于 A?

点,这与光束经透镜后聚焦的现象有些类似,所以叫做磁聚焦现象。磁聚焦原理被广泛地应 用于电真空器件如电子显微镜。 3.4.5、复合场中离子的运动 1.电场和磁场区域独立 磁场与电场不同,磁场中,洛伦磁力对运 动电荷不做功,只改变带电粒子 速度方向,所 以在匀强磁场中带电粒子的运动主要表现为: 匀速圆周运动、螺旋运动、匀速直线运动。而 电场中,电荷受到电场力作用,电场力可能对 电荷做功,因而改变速度大小和方向,但电场 是保守场,电场力做 功与运动路径无关。处理 独立的电场和磁场中运动电荷问题,是分开独立处理。 例:如图 3-3-8 所示,在 xoy 平面内,y>O 区域有匀强电场,方向沿-y 方向,大小为 E,y<O 区域有匀强磁场,方向垂直纸面向里,大小为 B,一带电+q、质量为 m 的粒子从 y 轴上一点 P 由静止释放,要求粒子能经过 x 轴上 Q 点,Q 坐标为(L,O),试求粒子最初释放 点 P 的坐标。 分析:解决上述问题关键是明确带电粒子的受力和运动特点。从 y 轴上释放后,只受电 场力加速做直线运动,从 O 点射入磁场,然后做匀速圆周运动,半圈后可能恰好击中 Q 点, 也可能返回电场中,再减速、加速做直线运动,然后又返回磁场中,再经半圆有可能击中 Q 点,??。那么击中 Q 点应满足 n ? 2 R ? L 的条件。 2.空间区域同时存在电场和磁场 (1) 电场和磁场正交 如图 3-4-9 所示,空间存在着正交的电场和磁场区域,电场平行于纸面平面向下,大小 图 3-4-8 Q x P y

5

为 E, 磁场垂直于纸面向内, 磁感强度为 B, 一带电粒子以初速 进入磁场,

v0

?0

B

v0 ? E ,v0 ? B , qv B 设粒子电量+q, 则受力: f 洛= 0
E

方向向上,F 电=qE 方向向下。若满足:

图 3-4-9

qv0 B =qE v0 =E/B
则带电粒子将受平衡力作用做匀速直线运动,这是一个速度选择器模型。 若粒子进入正交电磁场速度

v ? v0 ,则可将 v 分解为 v ? v0 ? v1 ,粒子的运动可看成是

v0 与 v1 两个运动的合运动,因而粒子受到的洛伦兹力可看成是 qv0 B 与 qv1 B 的合力,而 qv0 B 与电场力 qE 平衡,粒子在电场中所受合力为 qv1 B ,结果粒子的运动是以 v0 的匀速直
线运动和以速度 v1 所做匀速圆周运动的合运动。 例:如图 3-4-10 正交电磁场中,质量 m、带电量+q 粒子由一点 P 静止释放,分析它的 运动。 分析:粒子初速为零释放,它的运动轨迹是如图 3-4-10 所示的周期性的曲线。初速为 零,亦可看成是向右的

v0 与向左- v0 两个运动的合运动,其中 v0 大小为: v0 =E/B v0 匀速直线运动和逆时针
m?
P2

所以+q 粒子可看成是向右

P

P1
Q

P 3

的匀速圆周运动的合运动。电场方向上向下最大位移

d m ? 2R

mv mE R? 0 ? qB qB2
dm ? 2m E qB 2

图 3-4-10

一个周期向右移动距离 L 即 PP 1 之距为

L ? v0 ? T
6

T?

2?m qB

E

B

代入,得: 最低点 Q 点速度

2?m E L? qB 2

?0

图 3-4-11

vQ ? 2v0

(2) 电场和磁场平行 如图 3-4-11 所示的空间区域有相互平行的电场和磁场 E、B 一带电+q 粒子以初速 入场区

v0 射

v0 ? E (或 B)。则带电粒子在磁场力作用下将做圆周运动,电场力作用下向上做加 qv0 B ,结果

速运动,由于向上运动速度分量 v1 始终与 B 平行,故粒子受洛伦磁力大小恒为 粒子运动是垂直于 E(或 B)平面的半径 R=m

v0 /qB 的匀速圆周运动和沿 E 方向匀加速直线运

动的合运动,即一个螺距逐渐增大的螺旋运动。 (3) 电场力、洛伦磁力都与

v0 方向垂直,粒子做匀速圆周运动。

例如电子绕原子核做匀速圆周运动,电子质量 m,电量为 e,现在垂直轨道平面方向加 一匀强磁场,磁感强度大小为 B,而电子轨道半径不变,已知电场力 3 倍与洛伦磁力,试确 定电子的角速度。 在这里电子绕核旋转,电场力、洛伦磁力提供运动所需向心力,即

f 电+ f 洛= m v2 / r
而 f 洛可能指向圆心,也可能沿半径向外的,因而可能是

3evB ? evB ? mv2 / r 3evB ? evB ? mv2 / r

?1 ?
典型例题

2eB 4eB ?2 ? m 或 m

例 1.在如图 3-4-12 所示的直角坐标系中,坐标原点 O 固定电量为 Q 的正点电荷,另

7

有指向 y 轴正方向(竖直向上方向),磁感应强度大小为 B 的匀强 磁场,因而另一个质量为 m、电量力为 q 的正点电荷微粒恰好能以 y 轴上的 O ? 点为圆心作匀速圆周运动,其轨道平面(水平面)与
Q

yB
O?

x
O

xoz 平面平行,角速度为 ? ,试求圆心 O ? 的坐标值。
分析:带电微粒作匀速圆周运动,可以确定在只有洛伦磁力 和库仑力的情况下除非 O ? 与 O 不重合,必须要考虑第三个力即
z

图 3-4-12

重力。只有这样,才能使三者的合力保证它绕 O ? 在水平面内作匀速圆周运动。 解:设带电微粒作匀速圆周运动半径为 R,圆心的 O ? 纵坐标为 y,圆周上一点与坐标原

点的连线和 y 轴夹角为 ? ,那么有

tg? ?

R y

带电粒子受力如图 3-4-13 所示,列出动力学方程为 mg=F 电 cosθ
2 f 洛-F 电 ? sin ? ? m? R

(1) (2) (3)
yB
O?
f洛

F电

f 洛= q?RB 将(2)式变换得

?
Q
2 f 洛- m? R ? F 电 sin ?

mg

x
O

(4)
z

将(3)代入(4),且(1)÷(4)得

mg y ? 2 q?RB ? m? R R
y?
消去 R 得

图 3-4-13

mg q?B ? m? 2
T
a

例 2.如图 3-4-14 所示,被 1000V 的电势差加速的电子从 电子枪发射出来, 沿直线 a 方向运动, 要求电子击中在 a 方向、 距离枪口 5cm 的靶 M,对以下两种情形求出所用的均匀磁场的

?
d
M

图 3-4-14
8

磁感应强度 B. (1)磁场垂直于由直线 a 与点 M 所确定的平面。 (2)磁场平行于 TM。 解: (1)从几何考虑得出电子的圆轨道的半径为(如图 3-4-15)

r?

d 2 sin a
T
a

按能量守恒定律,电荷 Q 通过电势差 U 后的速度 v 为

1 mv 2 ? UQ 2

?
B

?



2UQ v? m
F ? QBv

d 2
M

图 3-4-15
作用在电荷 Q 上的洛伦磁力为

这个力等于向心力

m v2 ? QBv r B? mv rQ

故所需的磁感应强度为 用上面的半径和速度值,得到

B?
由于 m ? 9.11?10
?31

2 sin a 2U m d Q

kg , Q ? 1.6 ?10?19 C ,所以 B=0.0037T

(2)在磁场施加的力与速度垂直,所以均匀恒定磁场只改变电子速度的方向,不改变 速度的大小。 我们把电子枪发射的电子速度分解成两个直线分量:沿磁场 B 方向的 v cosa 和垂直磁 场的 v sin a ,因为 v cosa 在磁场的方向上,磁场对它没有作用 力(图 3-4-16)。 电子经过 d/ v cosa 时间后到达目标 M。由于磁场 B 和垂直
? ? cos?
d

? cos?
T

?

B
M

9

图 3-4-16

的速度分量 v sin a ,电子在圆轨道上运动,由

m v2 sin 2 a ? BQv sin a r
得到圆半径为

r?

m vsin a QB

电子在目标 M 的方向上也具有速度 v cosa ,结果是电子绕 B 方向作螺旋线运动。电在 在 d/ v cosa 时间内,在绕了 k 圈后击中目标。K 是一个整数。圆的周长为

2?r ? 2?m vsin a / QB

由于绕圆周运动的速度是 v sin a ,故绕一周的时间是

2?m vsin a 2?m ? QBvsin a QB

这个值乘上整数 k,应等于

d 2?m ? ?k QB d/ v cosa v cos a

B?k?
因此,所需的磁感应强度为

2m cosa 2? cosa 2U m ?v ? k Qd d Q

k=1 时,电子转一圈后击中目标:k=2 时,电子转两圈后击中目标,等等。只要角度 a 相 同,磁场方向相反与否,无关紧要。 用给出的数据代入,得 B=k×0.0067T

例 3.一根边长为 a、b 、c(a>>b>>c)的矩形截面长棒,如 图 3-4-17 所示,由半导体锑化铟制成,棒中有平行于 a 边的电流 I 通过,该棒放在垂直于 c 边向外的磁场 B 中,电流 I 所产生的磁场 忽略不计。该电流的载流子为电子,在只有电场存在时,电子在半 导体中的平均速度 v ? ?E ,其中 ? 为迁移率。 (1) 确定棒中所产生上述电流的总电场的大小和方向。 (2) 计算夹 c 边的两表面上相对两点之间的电势差。 (3) 如果电流和磁场都是交变的,且分别为
B
b

a c

图 3-4-17

I ? I 0 sin ?t , B ? B0 sin(?t ? ? ),
10

求(2)中电势差的直流分量的表达式。
22 3 已知数据:电子迁移率 ? ? 7.8m / V ? s ,电子密度 n ? 2.5 ? 10 / m ,I=1. 0A,

2

B=0.1T,b=1.0cm,c=1.0mm,e=1.6×10 C 分析: 这是一个有关霍尔效应的问题,沿电流方向,导体内存在电场,又因为霍尔效 应,使得电子偏转,在垂直电流方向产生电场,两侧面间有电势差的存在 解: (1)因为

-19

I ? nevb ? c
v? 1 ? 25 m / s nebc

所以电场沿 a 方向分量

E// ? v / ? ? 3.2V / m
沿 c 方向的分量 总电场大小:
2 2 E ? E // ? E? ? 4.06V / m

qvB ? qE?

E? ? vB ? 2.5V / m

电场方向与 a 边夹角 a , a = (2) 上、下两表面电势差

tg ?1 (

E? 2.5 ) ? tg ?1 ( ) ? 38? E // 3.2

U ? ? E? ? c ? 2.5 ?10?3V
U ?
( 3)加上交变电流和交变磁场后,有前面讨论的上、下表面电势差表达式 得:

IB nec ,可

U? ?

IB I 0 B0 ? sin ?t ? sin(?t ? ?) nec nec

I 0 B0 ? 1 1 ? cos(2?t ? ?) ? cos?? ? 2 ? = nec ? 2

11

因此 U ? 的直流分量为

I 0 B0 cos ? U ? 直= 2nec
z

y
E
O

例 4.如图 3-4-18 所示,空间有互相正交的匀强电场 E 和匀强 磁场 B,E 沿+y 方向,B 沿+z 方向,一个带正电+q、质量为 m 的粒子 (设重力可以忽略),从坐标圆点 O 开始无 初速出发,求粒子坐标和 时间的函数关系,以及粒子的运动轨迹。 分析:正离子以 O 点起无初速出发,受恒定电场力作用沿 +y 方向运动,因为速度 v 的大小、方向都改变,洛伦兹力仅在 xOy 平面上起作用,粒子轨迹一定不会离开 xOy 平面且一定以 O 为起点。既然粒子仅受的两个力中一个是恒力一个是变力,作
O

B

x

图 3-4-18

y
B
x

( x, y)

?Ct

图 3-4-19

为解题思路,利用独立性与叠加原理,我们设想把洛伦兹力分解为两个分力,使一个分力跟 恒电场力抵消, 就把这个实际受力简化为只受一个洛伦兹力分力的问题。 注意此处不是场的 分解和抵消,而是通过先分解速度达到对力进行分解和叠加。 我们都知道, 符合一定大小要求的彼此正交的匀强复合电磁场能起速度选择器作用。 受

其原理启发,设想正离子从 O 点起(此处

v0 ? 0 )就有一个沿 x 轴正方向、大小为

v0 ?

E B的

E 始终不变的速度,当然在 O 点同时应有一个沿-x 方向的大 小也是 B 的速度,保证在 O 点

v0 ? 0 , qBvc ? qE , qBvc 沿-y 方向, f (v ) ? ?F ( E) 。 则 qE 沿+y 方向, 彼此抵消, 可写成 B c
因任一时刻

vt ? vc ? v? ,所以 f B (vt ) ? f B (vc ) ? f B (v?) ,或改写成:

f B (vt ) ? F ( E) ? f B (v?) 。始终的三个速度和 f B 都在 xOy 平面上,其物理意义是:正离子 v ? 在复合场中受的两个真实的力 f B ( t )和 F(E)的矢量和, 可以用一个洛伦磁力分力 f B (v ) 来
代替,这样做的一个先决条件是把正离子运动看成以下两个 分运动的合成:①沿+x 方向的

vc =E/B 的匀速直线运动;②在 xO y 平面上的一个匀速圆周运动,其理由是: f B (v?) 是平面 v ? 力,轨迹又是平面的不是三维空间的,所以 f B (v ) 必与 v ? 垂直,在 O 点 v ? 就是- c ,之后
12

f B (v?) 不对离子作功, v ? 大小不变,f B (v?) 充当向心力。 这个圆周运动特征量是:
?? 2? qB r ? mv ? ? m E ? qB qB2 。 T m ,

T?

2?m qB ,

解:t=0 时刻,正离子位于 O 点,此时起离子具有两个速度:一是速度方向始终不变、 大小为

vc =E/B 的速度。由这个速度引起的洛伦磁力跟电场力抵消。另一个速度是在 O 点时

mE 2 沿-x 方向的大小为 E/B 的速度,该速度引起的洛伦磁力指向(0,+ qB )点,这点就是 t=0
时的圆心。之后该圆心以速率

vc 沿平行于 x 轴正向的方向无滑动开始平动,正离子是该圆

周上的一个点,且 t=0 是恰好就是该圆与 x 轴的切 点即坐标原点,此后,正离子相对圆心 以角速度 ? 顺时针绕行。在 xOy 平面上,粒子的轨迹被称为旋轮线,其坐标值随时间的变 化为参数方程: z=0 (1)

x ? vc t ? r sin ?t ?

E mE qB t ? 2 sin t B m qB

(2)

y ? r ? r cos?t ?

mE qB (1 ? cos t ) 2 m qB

(3)

有一定数学能力的人不妨尝试把参数 t 消去得出 y 与 x 的关系式, 用来表示其轨迹的方 法。 点评:设想一个轮子沿地面做无滑动的滚动,轮子边缘用红颜料涂上色,观察这个边缘所得 的运动轨迹就是旋轮线。

13


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