回旋加速器、磁流体发电机、霍尔效应、电磁流量计

磁流体发电机霍尔效应电磁流量计一、速度选择器装置：平行板器件中，有正交的匀强电场和匀强磁场原理：带电粒子垂直进入正交场时，只有某一速度的粒子能沿直线运动，并从小孔中出来其它速度的粒子将发生偏转，不能从小孔中出来功能：只选择速度，与粒子的电性、电量、质量无关v=E/BEq=Bvq二、质谱仪1、构造：粒子源加速电场偏转磁场照相底片U2、用途：把不同比荷的粒子分开，测量带电粒子的荷质比和分析同位素。粒子源加速电场偏转磁场照相底片Uv22mvqUrmvqvB222qBmUr分析：q/m不同→r不同→打在相片的不同位置→在照片上会形成若干条谱线状的细条→每一条普线对应于一定的荷质比三、回旋加速器（1）构造：两个半圆形的金属盒，盒间有一窄缝，窄缝中有一粒子源。盒子处在匀强磁场中，窄缝区域无磁场，但有交变电场。2．工作原理：粒子源发出带电粒子，在窄缝中被电场加速，然后进入磁场做圆周运动，到达窄缝后又被加速，进入磁场又做圆周运动，如此这样一直运动下去，最后会从盒子的外边缘飞出。A’A’AAv0v1v2v3v4A’A’AAv0v1v2v3v4（1）粒子每次进入狭缝都被电场加速：交变电场的变化周期（2）粒子的最大速度和最大动能：mRBqE2222最大mqBRvm=粒子做圆周运动的周期。粒子的最大半径rm=D形盒的半径：RBqmT2电场BqmvRmA’A’AAv0v1v2v3v4（3）粒子在金属盒中运动的总时间旋转圈数qUEnKm2nTtmRBqE2222最大问题：加速电压使粒子不断加速，洛伦兹力并不对粒子做功但影响最大动能的是B，而不是U，怎么解释？分析：（1）加速电压高，粒子每次加速后的动能增量大，回旋半径增加多，回旋次数少，被加速的次数少。（2）B越大，r增加得越少，粒子回旋次数增多，被加速次数也越多，粒子的最大动能也越大。四、磁流体发电机1、等离子体：气体通常呈中性，但在高温下，气体会被电离成正负离子，这种状态下的气体称为等离子体。2、磁流体发电机的原理：（1）装置：M、N为平行金属，板间有匀强磁场，让等离子体从两板之间垂直进入匀强磁场。MNv（2）磁流体发电机的原理：正负离子→受到f洛→偏转→打到两金属板上→两板间产生电场、电压。MNv当金属板与用电器组成闭合回路，金属板相当于电源。电荷量积累到一定程度：f洛=F电→粒子不再偏转→两板间电压达到最大。此后的粒子均做匀速直线运动。此时两板间电压即为电源的电动势开始阶段：电压较小→f洛F电→两板上电荷增多→场强、电压增大。设：平行金属板面积----S间距---L等离子体电阻率---ρ喷入气体的速度----v磁场的磁感强度---B板外电阻----------R求：R中的电流1、定义：当通有电流的导体处在垂直于电流方向的磁场中时，会在导体的上、下表面产生电压，这一现象称为~金属导体IvfEqEfd2、霍尔电压：导体的上、下表面所达到的稳定的电压。五、霍尔效应3、霍尔电压的计算式：当磁场不太强时，电势差U、电流I和B的关系为：bIBkUHk---霍尔系数：−−−−−−++++++dbUHIB霍尔电压：UH=Bvd.bIBnqSIBdnqUH11霍尔电压：由I=nqSv，v可表示为：I/nqSbIBkUHnqk1霍尔系数：例：如图所示，长方形玻璃水槽中盛有NaCl水溶液，在水槽的左右侧c、d的内侧各装一导体片，使溶液中通入沿x轴正方向的电流I，沿y轴正方向加恒定的匀强磁场B，图中a、b是垂直于z轴方向的前后两侧面，则：A.a处电势等于b处电势B.a处离子浓度大于b处离子浓度C.溶液的上表面电势等于下表面电势D.溶液的上表面处离子浓度大于下表面处的离子浓度bcNaIdZxyB分析：（1）电解质中运动的钠离子沿电流方向运动（图中为右）而氯离子沿电流的反方向运动（图中为左）。（2）由左手定则，它们所受的洛仑兹力都使它们偏向a侧面,故：a侧面离子浓度大于b侧面的离子浓度但由于到达a侧面的电荷量相互抵消，故a侧面不带电，b侧面也不带电，导体中无电场存在。因此：导体内各点电势均相等。故a、b侧面电势相等；上、下面也等（3）上、下表面离子浓度均相等。bcNaIdZxyB例：如图所示,一块通电的铜板放在磁场中,铜板的板面与磁场垂直,板内通有图示方向的电流a、b分别是铜板的左右边缘的两点，则A.电势φaφbB.电势φaφbC.电流增大,φa-φb增大D.其它条件不变,将铜板改为NaCl水溶液时,空间各点的电势大小与铜板导电时的情况一样abI分析：铜板中导电的电荷是电子，定向移动的速度方向与电流的方向相反，由左手定则可判断电子在磁场中偏转的方向偏向a侧，a板带负电，b板带正电，发生霍尔效应，电势φaφb。稳定时，电子受力平衡neSIBdBdvUdeUevBHh则,IUBAH电解质中运动的Na离子和Cl离子受磁场力作用均偏向b侧,使b侧离子浓度大于a侧的离子浓度,则NaCl水溶液中各处电势都相等.三、电磁流量计1、用途：测量可导电流体（如污水）在管中的流量（单位时间内通过管内横截面的流体的体积）。bac2、模型：横截面为长方形的一段管道，中空部分的长、宽、高分别为图中的a、b、c，两端与输送液体的管道相连（图中虚线），上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料。3、工作原理：将流量计放在匀强磁场B中,磁场方向垂直于前后两面。当导电液体（正、负离子）流经该管道时，导体上下表面带电，最终会达到稳定状态（此时上、下表面间的电压即为电源的电动势）。此后的导体流体将在管中做匀速运动，流过管内横截面的流体的体积保持稳定。这时，就可测出：导电液体的流量Q（单位时间内通过管内横截面的流体的体积）。bacBQ=vS=vbcQ的计算公式：例：将流量计放在匀强磁场B中,磁场方向垂直前后两面。当导电液体流经流量计的流量稳定时，在管外将流量计上、下两表面间接入电阻R和电流表。若用I表示测得的电流值。已知流体的电阻率为ρ，不计电流表的内阻，则可求得流量为A．I(bR+ρc/a)/BB．I(aR+ρb/c)/BC．I(cR+ρa/b)/BD．I(R+ρbc/a)/BbacBAR（1）流量计上、下两面间稳定的电势差为：由qU/c=qvB得：U=Bcv（2）电源内阻：r=ρl/S=ρc/ab（3）由I=E/(R+ρc/ab)Bcv=I(R+ρc/ab)得：v=I(R+ρc/ab)/BcQ=vS=vbc=I(bR+ρc/a)/BbacBAR+-例：一块金属立方体三边长度分别为a、b、c，将它连在直流电路中，电流表A的示数为I，如图所示．现于空间加上方向竖直向下、磁感应强度为B的匀强磁场，并于金属块前后两表面之间连接一个直流电压表V，其示数为U．试求：（1）电压表接线柱m、n中哪一个是正接线柱？哪一个是负接线柱？（2）金属中的载流子（自由电子）的定向运动的速率v多大？（3）金属中的载流子密度n多大？n：单位体积内由电荷数1）n、m谁是正接线柱？2）电子的速度v：霍尔电势差为UBaUvqvBaUq3）载流子的密度n：n为正、m为负eSvIn由：I=nesv，得：ecUIBBaUaceI在原子反应堆中抽动金属或在医疗器件中抽动血液等导电液时,由于不允许传动的机械部分与这些液体相接触,常使用一种电磁泵,图中表示这种电磁泵的结构,将导管放在磁场中,当电流穿过导电液体时,这种液体即被驱动.问:(1)这种电磁泵的原理是什么?(2)导电管的截面积为a×b,磁场的宽度为L,磁感应强度为B,液体穿过磁场区域的电流强度为I,求驱动力造成的压强差为多少?LabSNvIB例：如图所示,矩形管长为l，宽为d，高为h，上下两表面是绝缘体，相距为d的两侧面是导体,并用粗导线M、N相连接。令电阻率为ρ的水银充满矩形管，并且源源不断地流过该矩形管，已知水银匀速通过管子的速度与管子两端的压强差成正比,且当管两端压强差为p时，水银流速为v0.今在矩形管所在的区域，加一个与管子的上下平面垂直的匀强磁场，磁感应强度为B。稳定后，求：水银在管子的流速。hdlMNB当不加磁场时由题意知p=kv0，当加上磁场时，水银中的正离子和自由电子运动方向相同（但它们两者的电流方向相反），则它们在磁场洛仑兹力的作用下分别向前后两个侧面运动，即分别在矩形管前后两个侧面相聚，于是在导线MN及水银中产生横向回路电流，该回路电流在磁场中运动时受安培力作用，安培力F的方向与水银流动方向相反，从而在水银管两端产生附加压强△p，则hBIhdBIdSFpBhlvvBssdBdvRUIH00BdvUqBvdUqqBvqEHHlvBhBIp2kvpppvvpkvlvBp02plvBvpv020又如图为家用微波炉磁控管的示意图，一群电子在垂直与管的某截面内做匀速圆周运动（图中虚线所示），管内有平行管轴线方向的磁场，磁感应强度为B，在运动中这群电子时而接近电极1，时而接近电极2，从而使电极附近的电场强度发生周期性变化，由于这一群电子散布的范围很小，可以看作集中与一点，共有N个电子，每个电子的电量为e，质量为m，设这群电子圆形轨道的直径为D，电子群离电极1端点P的最短距离为r（1）这群电子做圆周运动的速率、频率各是多少？（2）在电极1的端点P处，电场强度变化的频率是多少？（3）在电极1的端点P处，运动的电子群产生的电场强度最大值、最小值各是多少？QPr电极2电极1D