第2章第3節(jié)洛倫茲力和顯像管

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1、本文格式為Word版，下載可任意編輯 第2章第3節(jié)洛倫茲力和顯像管 　第 2 章 第 3 節(jié) 洛倫茲力和顯像管 洛倫茲力 磁場對通電導線有安培力的作用，而電流是由電荷的定向移動形成的，所以安培力應當是作用在運動電荷上的力的宏觀表現(xiàn)。 　演示 圖 2.3-1 是一個抽成真空的電子射線管，從陰極放射出來的電子束，在陰極和陽極間的高電壓作用下，掠射到長條形的熒光屏上激發(fā)出熒光，顯示出電子束的徑跡。在沒有磁場時，電子束是沿直線前進的（圖 2.3-1 甲）；把射線管放在蹄形磁鐵的兩極間，從熒光屏上可以看到電子束運動的徑跡發(fā)生了彎曲（圖 2.3-1 乙、丙）。 　思索與爭論 在上面

2、的演示試驗中，請你嘗試用通電導線在磁場中受力的方法，推斷電子束的偏轉(zhuǎn)方向。爭論洛倫茲力與安培力的區(qū)分和聯(lián)系。 　提示：電子帶負電，電子射線等效于相反方向的電流。 　這一現(xiàn)象表明運動電荷受到了磁場的作用力，這種力稱為 洛倫茲力（ （Lorentz force） ?。４艌鲋型妼Ь€所受的安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)。 　洛倫茲力的方向可以用左手定則來判定： 　伸開左手，使拇指與其余四指垂直并且在同一平面內(nèi)，讓磁感線垂直進入掌心，并使四指指向正電荷運動的方向，則拇指所指的方向就是正電荷所受的洛倫茲力的方向。 　理論和試驗都表明，一個電荷量為q的粒子，假

3、如它的運動速度v與磁場B的方向垂直，它所受的洛倫茲力的大小為 F=qvB 即電荷沿垂直于磁場的方向運動時，磁場對運動電荷的作用力的大小等于電荷的電荷量、速率、磁感應強度三者之積。在國際單位制中，上式的各個物理量的單位分別為 N、C、m/s、T。 　顯像管 運動電荷在磁場中受到洛倫茲力的作用，運動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱為 磁偏轉(zhuǎn)（ （magnetic deflection） ?。４牌D(zhuǎn)在現(xiàn)代技術(shù)中有廣泛的應用，電視機顯像管是利用磁偏轉(zhuǎn)工作的最典型的器件之一。 　是電視機中重現(xiàn)圖像的電真空器件，其構(gòu)造如圖 2.3-2 所示，電子槍發(fā)出的高速電子流撞在熒光屏上，激發(fā)出熒光。用

4、放大鏡觀看，會發(fā)覺熒光屏實際上是由大量細小發(fā)光點組成的。每個發(fā)光點為一個像素。電視機顯像管是怎樣把圖像顯現(xiàn)出來的？ 　我們看書時，視線是從每行字的左邊移到右邊，再從第一行依次下移到最終一行。假如把電子束想象成看書的視線，電子束對熒光屏自左向右、自上而下的運動稱為電子束 掃描（ （sweep ，scan） ?。Ｋ椒较虻膾呙璺Q為行掃描，豎直方向的掃描稱為幀掃描。若把書上的每個字想象成熒光屏上的每個發(fā)光點，電子束完成一幀完整畫面要掃 625 行，每秒要掃 25 幀畫面。畫面的快速變換和視覺暫留效應使我們看到了活動的圖像。 　顯像管是利用裝在顯像管頸部的 偏轉(zhuǎn)線圈（ （de

5、flection coil） 　）產(chǎn)生的磁場來使電子束偏轉(zhuǎn)的。 　按圖 2.3-4 配置的線圈可以使電子束沿水平方向掃描。電流通過偏轉(zhuǎn)線圈時，它就產(chǎn)生了豎直方向的磁場。電子槍放射的電子束射向熒光屏時，其運動方向與磁場方向垂直。電子束受到的洛倫茲力方向向右，因此向右偏轉(zhuǎn)。假如線圈中電流方向與圖示方向相反，則電子束就向左偏轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)線圈中通過的電流越大，產(chǎn)生的磁場越強，電子束偏轉(zhuǎn)的角度也就越大。因此，只要在線圈中通以如圖 2.3-5 所示的鋸齒狀電流，電子束便會自左向右勻速掃描，掃完一行后又很快回掃至左端。 　實際的行偏轉(zhuǎn)線圈都做成馬鞍形，在顯像管頸部上下各放一個，如圖 2.

6、3-6。 　在顯像管頸部還裝有另一組偏轉(zhuǎn)線圈，它產(chǎn)生沿水平方向的磁場，使電子束上下偏轉(zhuǎn)。當線圈中也流過鋸齒波電流時，電子束將完成幀掃描過程。這組線圈稱為幀偏轉(zhuǎn)線圈。實際的幀偏轉(zhuǎn)線圈是繞在磁環(huán)上的（圖 2.3-6）。 　與顯像管類似，電視攝像管（圖 2.3-7）也是利用磁偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)電子束掃描的。攝像管的核心是一塊光電靶，靶上有許多用光敏半導體材料（具有受光作用之后電阻變小的性能）制成的小單元。鏡頭把景物的像映在靶上，靶上各單元所受光照的強度不同，因而電阻也就不同。當電子束掃過光電靶時，在負載中就會有電流流過。由于靶面各單元的電阻不同，流過負載的電流也不同。這樣由于電子束的掃描，一幅

7、幅圖像就轉(zhuǎn)換成了強弱變化的電流，這個信號電流可以通過磁帶保存下來，也可以經(jīng)過處理后通過天線放射出去。 　霍爾效應和霍爾元件 如圖 2.3-8，在豎直向上的勻強磁場中，電流 I 自右向左流過長方形的半導體薄片，定向移動的電荷受到方向平行于側(cè)面對里的洛倫茲力 F 洛 的作用。在這個力的作用下，薄片兩個側(cè)面上會積累起正負電荷。隨著電荷積累，在內(nèi)外側(cè)面間會形成一個漸漸增加的電場。定向移動的電荷同時受到洛倫茲力 F 洛 和電場力 F 電 的作用，當電場力增大到與洛倫茲力相等時，內(nèi)外側(cè)端面間就形成一個穩(wěn)定的電場，此時兩端面間形成一個穩(wěn)定的電壓 U H 。這種現(xiàn)象稱為 霍爾效應（ （Hall eff

8、ect） ?。?，這個電壓叫霍爾電壓。霍爾電壓的大小與通過薄片的電流 I和磁感應強度 B 成正比。 　假如保持通過薄片的電流，不變，將薄片置于磁場中不同位置，只要測出霍爾電壓 U H的大小，便可測出該磁場不同位置的磁感應強度。 　試驗 用霍爾元件測量磁感應強度 圖 2.3-9 所示是一個霍爾元件，其大小僅為一般發(fā)光二極管的五分之一左右。霍爾元件是一個四端元件，其中 AC 端輸入掌握電流，BD 端輸出霍爾電壓，可用多用電表的電壓擋來檢測。 　1．如圖 2.3-10，將霍爾元件的 BD 端與多用電表的最靈敏的 50A 電流擋相連（由于霍爾電壓很小，把它直接加在電流表兩

9、端，通過測量電流的變化，就可以知道電壓的變化。也可用數(shù)字多用電表直接測量霍爾電壓），電源 E（6～12 V）與可變電阻 R（470 ）串聯(lián)后連到霍爾元件的 AC 端，用以輸入掌握電流，R 的滑動端置于中間位置。將條形磁鐵的磁極靠近霍爾元件 H，觀看多用電表指針讀數(shù)的變化。 　 保持霍爾元件 H 與條形磁鐵磁極的相對位置不變，轉(zhuǎn)變 R 的大小，再觀看多用電表指針讀數(shù)的變化。 　由此得出，霍爾電壓與________________________________有關(guān)。 　2．使用這個簡易檢測裝置，按圖 2.3-11 檢測收音機揚聲器四周的磁場分布狀況。 　檢測的結(jié)果

10、是___________________________________________。 　3．若用上述裝置檢測一個通電變壓器四周的磁場，多用電表指針的讀數(shù)有何變化？為什么？ 4．怎樣用霍爾元件制成的磁場檢測器來粗略檢測磁場中某處磁感線的方向？說出你的推斷依據(jù)。 　廣角鏡 折疊手機中的干簧管和霍爾元件 使用折疊手機的人，往往對開蓋接聽、合蓋掛機都特別奇怪???。 　手機中用來掌握線路通斷的器件有三種類型：開關(guān)、干簧管和霍爾元件。所不同的是開關(guān)由人工手動掌握，而干簧管和霍爾元件則通過磁信號來掌握線路的通與斷。 　干簧管在手機中經(jīng)常用于手機翻蓋電路中。通過翻蓋的動

11、作，使蓋上的磁鐵掌握干簧管閉合或者斷開，從而接聽或者掛斷電話。例如，一些手機在合蓋后會有指示燈閃亮，這是由于蓋上裝有磁鐵，當話機的蓋合上后，磁鐵片將鍵盤/顯示板上的干簧管吸合，使話機識別到翻蓋已合上，狀態(tài)指示燈開頭閃亮。假如這個指示燈不亮，多半是這個干簧管消失了問題。 　相對于干簧管來說，霍爾傳感器更高級一些。但其在手機中的作用和干簧管一樣，工作原理也特別相像，都是在磁場作用下產(chǎn)生通與斷的作用。 　與干簧管相比，霍爾傳感器壽命更長，不簡單損壞，而且對振動、加速度不敏感，開關(guān)響應的速度也比較快。 　問題與練習 1．有一個放在勻強磁場中的放射源，可放射出 射線（氦原子核）

12、、 射線（電子流）和 y 射線（不帶電）。這些射線在外加磁場作用下發(fā)生如圖 2.3-12 的偏轉(zhuǎn)。試指出這三束各是哪種射線。 　2．如圖 2.3-13 所示，上板帶正電，下板帶負電，電場強度 E 為 310 4 　N/C，板間存在方向垂直紙面、指向紙內(nèi)的勻強磁場，磁感應強度 B 為 0.02 T。當一個帶電粒子（不計重力），以某一速度水平射入時，恰能方向不變地經(jīng)過這一區(qū)域。此帶電粒子帶何種電荷？其速度為多少？ 　3．關(guān)于磁偏轉(zhuǎn)的應用，從課本所給的技術(shù)實例中任選一例，從網(wǎng)上查找更詳盡的資料和圖片，整理成一篇墻報資料。 　4．在老師指導下，斷開電源后，打開電視機后蓋（或參觀電器修理站），觀看顯像管頸部的行偏轉(zhuǎn)線圈和幀偏轉(zhuǎn)線圈。查找有關(guān)顯像管的更多、更具體的圖片、賢料，整理成一篇科技報告。 第 5 頁 共 5 頁