品味磁場“六大件”

陶漢斌

(浙江省金華市第一中學(xué)　321015)

磁場的應(yīng)用很廣，讓生活走近物理，讓物理走進(jìn)生活.比如質(zhì)譜儀和回旋加速度器，還有磁流體發(fā)電機(jī)、速度選擇器、電磁流量計(jì)、霍耳效應(yīng)，我們稱之的磁場六大件.那么同學(xué)們應(yīng)該如何利用物理原理分析這些器件呢？這些器件有什么共同的物理特征呢？細(xì)細(xì)品味磁場“六大件”，我們會發(fā)現(xiàn)其物理原理是非常簡潔的.它們的物理原理就是“電場加速、磁場偏轉(zhuǎn)”，還有最簡潔的二力平衡的原理.

一、電場加速　磁場偏轉(zhuǎn)——帶電粒子依次進(jìn)入不同的場區(qū)　體驗(yàn)不同的風(fēng)情

電場加速與磁場偏轉(zhuǎn)是質(zhì)譜儀和回旋加速度器的工作原理.帶電粒子先在電場做加速度直線運(yùn)動(dòng)，然后進(jìn)入磁場玩轉(zhuǎn)勻速圓周運(yùn)動(dòng).

1.質(zhì)譜儀

質(zhì)譜儀是一種測定帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具.它的構(gòu)造原理如圖1所示，離子源產(chǎn)生的各種不同正離子束(速度可看作為零)，從容器下方的小孔S1飄入電勢差為U的加速電場，經(jīng)加速電場加速后垂直進(jìn)入有界勻強(qiáng)磁場，到達(dá)記錄它的照相底片D上，設(shè)離子的質(zhì)量為m、電荷量為q，離子打在D上的位置到入口處S3的距離為x，下面我們就來推導(dǎo)距離x與粒子質(zhì)量m的關(guān)系.

離子在電場中加速運(yùn)動(dòng)，由動(dòng)能定理

離子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，由牛頓第二定律

離子打在D上的位置到入口處S3的距離為x

2．回旋加速器

回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，其主體部分是兩個(gè)D形金屬盒．兩金屬盒處在垂直于盒底的勻強(qiáng)磁場中，并分別與高頻交流電源兩極相連接，從而使粒子每次經(jīng)過兩盒間的狹縫時(shí)都得到加速，如圖2所示，離子的質(zhì)量為m、電荷量為q.每次在電場中加速粒子增加的動(dòng)能均為qU，經(jīng)過n次加速度后的速度為vn，由動(dòng)能定理可知

如果粒子盒的最大半徑為R，則在磁場中運(yùn)動(dòng)的最大半徑就是R

通過此回旋加速器粒子獲得的最大動(dòng)能為

二、二力平衡的原理——帶電粒子進(jìn)入電磁場并存的某一公共的區(qū)域

二力平衡的原理，帶電粒子所受的電場力與洛倫茲力平衡，最終帶電粒子做勻速直線運(yùn)動(dòng)，這個(gè)原理就是磁流體發(fā)電機(jī)、速度選擇器、電磁流量計(jì)和霍耳效應(yīng)的工作原理.

1．磁流體發(fā)電機(jī)

2．速度選擇器

在如圖4所示的平行板器件中,電場E和磁場B相互垂直.如果電荷具有適當(dāng)?shù)乃俣?它將沿著圖中所示的虛線穿過兩板的空間而不發(fā)生偏轉(zhuǎn).這種器件能把具有上述唯一速度的粒子選擇出來,所以叫做速度選擇器. 被選擇的粒子必須滿足Eq=Bqv,兩極板的電壓U=Bdv.

3．電磁流量計(jì)

4．霍耳效應(yīng)

品味磁場“六大件”，回歸物理本原，其實(shí)上面的所列的物理六大器件，其中“四大件”的工作原理就是帶電微粒所受的洛侖茲力與電場力達(dá)到動(dòng)態(tài)的平衡，即Eq=Bqv，這就是它們所遵循的共同的規(guī)律；而另外“兩大件”的工作原理是電場加速磁場偏轉(zhuǎn)，先進(jìn)入電場做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，然后在磁場中玩轉(zhuǎn)勻速圓周運(yùn)動(dòng).同學(xué)們通過磁場“六大件”，欣賞了物理原理的簡潔之美.