引入

为什么带电粒子在磁场中做圆周运动,而不是直线运动?

为什么磁场力不做功,却能让粒子加速?

极光为什么出现在两极附近?

静止电荷只受电场力,但运动电荷在磁场中还会受到一种特殊的力——洛伦兹力。它始终垂直于运动方向,所以不做功,却能改变粒子的运动轨迹。

正文

定义

洛伦兹力是运动电荷在电磁场中受到的力:

其中 是电场力, 是磁场力。

纯磁场中的运动

只有磁场时,洛伦兹力始终垂直于速度方向:

  • 力不做功(),动能不变。
  • 只改变速度方向,不改变速度大小。

垂直入射():粒子做匀速圆周运动。

回旋周期 与速度无关,这是回旋加速器的原理基础。

平行入射():不受磁力,做匀速直线运动。

斜入射:分解为垂直分量(圆周运动)和平行分量(匀速直线),合成为螺旋线运动。

半径与周期的含义

量表达式与什么有关
半径速度越大半径越大,磁场越强半径越小
周期与速度无关,只与荷质比和磁场有关
频率回旋频率

周期与速度无关这一点很反直觉,但正是它使回旋加速器能够用固定频率的电场持续加速粒子。

电磁场同时存在

速度选择器:让 和 互相垂直,只有满足

的粒子才能直线通过(电场力与磁力抵消)。

这个装置不区分粒子的质量或电荷,只看速度,所以叫“速度选择器”。

霍尔效应

导体中通电流,外加垂直磁场,载流子受洛伦兹力偏转,在导体两侧积累电荷,产生横向电场(霍尔电压):

量含义
电流
磁感应强度
载流子数密度
载流子电荷量
导体厚度

霍尔电压的正负可以判断载流子的正负,是半导体表征的重要方法。

与安培力的关系

宏观上,载流导线在磁场中受力:

这是洛伦兹力的宏观表现。导线中大量定向移动的电荷各自受洛伦兹力,合起来就是安培力。

化学相关

  • 质谱仪:离子在磁场中偏转,半径与质荷比 相关,用于有机物研究方法中的质谱分析。
  • 磁控溅射:利用洛伦兹力约束等离子体,用于薄膜沉积。

引出

洛伦兹力的宏观形式就是安培力(载流导线在磁场中受力)。

磁场的环路规律见安培环路定理。

为什么极光出现在高纬度地区?