品味磁场“六大件”

陶汉斌

(浙江省金华市第一中学　321015)

磁场的应用很广，让生活走近物理，让物理走进生活.比如质谱仪和回旋加速度器，还有磁流体发电机、速度选择器、电磁流量计、霍耳效应，我们称之的磁场六大件.那么同学们应该如何利用物理原理分析这些器件呢？这些器件有什么共同的物理特征呢？细细品味磁场“六大件”，我们会发现其物理原理是非常简洁的.它们的物理原理就是“电场加速、磁场偏转”，还有最简洁的二力平衡的原理.

一、电场加速　磁场偏转——带电粒子依次进入不同的场区　体验不同的风情

电场加速与磁场偏转是质谱仪和回旋加速度器的工作原理.带电粒子先在电场做加速度直线运动，然后进入磁场玩转匀速圆周运动.

1.质谱仪

质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具.它的构造原理如图1所示，离子源产生的各种不同正离子束(速度可看作为零)，从容器下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片D上，设离子的质量为m、电荷量为q，离子打在D上的位置到入口处S3的距离为x，下面我们就来推导距离x与粒子质量m的关系.

离子在电场中加速运动，由动能定理

离子在磁场中做匀速圆周运动，由牛顿第二定律

离子打在D上的位置到入口处S3的距离为x

2．回旋加速器

回旋加速器是加速带电粒子的装置，其主体部分是两个D形金属盒．两金属盒处在垂直于盒底的匀强磁场中，并分别与高频交流电源两极相连接，从而使粒子每次经过两盒间的狭缝时都得到加速，如图2所示，离子的质量为m、电荷量为q.每次在电场中加速粒子增加的动能均为qU，经过n次加速度后的速度为vn，由动能定理可知

如果粒子盒的最大半径为R，则在磁场中运动的最大半径就是R

通过此回旋加速器粒子获得的最大动能为

二、二力平衡的原理——带电粒子进入电磁场并存的某一公共的区域

二力平衡的原理，带电粒子所受的电场力与洛伦兹力平衡，最终带电粒子做匀速直线运动，这个原理就是磁流体发电机、速度选择器、电磁流量计和霍耳效应的工作原理.

1．磁流体发电机

2．速度选择器

在如图4所示的平行板器件中,电场E和磁场B相互垂直.如果电荷具有适当的速度,它将沿着图中所示的虚线穿过两板的空间而不发生偏转.这种器件能把具有上述唯一速度的粒子选择出来,所以叫做速度选择器. 被选择的粒子必须满足Eq=Bqv,两极板的电压U=Bdv.

3．电磁流量计

4．霍耳效应

品味磁场“六大件”，回归物理本原，其实上面的所列的物理六大器件，其中“四大件”的工作原理就是带电微粒所受的洛仑兹力与电场力达到动态的平衡，即Eq=Bqv，这就是它们所遵循的共同的规律；而另外“两大件”的工作原理是电场加速磁场偏转，先进入电场做匀加速直线运动，然后在磁场中玩转匀速圆周运动.同学们通过磁场“六大件”，欣赏了物理原理的简洁之美.