基本粒子4|阴极射线的磁偏转,以及汤姆逊的测量结果( 二 )


随后安培也给出了两根通电导线之间力的公式 , 导线1对导线2的作用力=2Km×导线1中的电流×导线2中的电流×导线的长度/(两根导线之间的距离) 。
其中Km是一个常数 , 当力的单位采用牛顿 , 电流单位采用安培时 , km的测量值为10^-7 。 我们在看一下这个公式 , 我们会发现 , 导线2在导线1中受的力 , 永远正比以自己的电流和自己的导线长度 。
所以我们可以效仿规定电场的方法 , 在这里引入磁场的概念 , 我们可以把公式中的2Km×导线1中的电流/(两根导线之间的距离) , 看作一个整体 , 这就是导线1中的电流所产生的磁场强度 。
所以这个公式就可以写成这样:导线上受的力=导线中的电流×导线的长度×磁场强度 。 从这个公式中也可以看出 , 磁场的单位是力除以电流在除以长度 , 所以是牛/(安·米) , 其实还有一个更为常用的磁场单位叫高斯 , 定义为1高斯等于10^-4牛/(安·米) 。
其实导线在磁场中受的力还和自身与磁场的夹角有关 , 角度为90度的时候受力最大 , 和磁场平行的时候不受力 。 这里我们只考虑夹角为90度的情况 。
跟电场一样 , 磁场也是一个矢量 , 也就是有方向 , 所以我们人为规定 , 在磁场中的一点 , 罗盘指针的指北端指向的方向就是磁场的方向 。 所以我们看到的磁铁周围的磁场线是这样画的 , 从北极出来 , 指向南极 , 而通电导线产生的磁场方向可以根据右手螺旋定则判断出来 。 带电粒子在磁场中运动的时候 , 所受力的方向 , 可以根据左手定则判断出来 。
这里的磁场强度也比较好计算 , 假如一个通电导线的电流是10安培 , 那么距离导线0.01米处的磁场强度就是2×10^-7×10/0.01=2×10^-4牛/安·米 , 而地磁场的强度大约为5×10^-5牛/安·米 , 所以通电导线可以让罗盘指针偏转 。
对这个现象最大的应用就是电报 , 我们可以利用罗盘指针来判断整个电路的断开和闭合 , 这就是传递信号的一种方式 , 所以我们在电视上看到的发电报就是不停的在按开关 。 只不过开关的长短、间隔 , 都编译成了电文 。
掌握了以上的知识 , 我们现在就说阴极射线在磁场下的偏转 , 在汤姆逊的实验中 , 他给阴极射线施加了一个均匀的磁场 , 不过刚才我们说的是 , 通电导线中的电流在磁场中的受力情况 , 现在我们要知道的是阴极射线的单个粒子在磁场中的受力情况 , 所以公式还得在变一下 。
现在我们想象一根导线 , 其中有一个粒子在其中运动 , 那么这段导线的长度就应该等于粒子的速度乘以它在导线中运动的时间 。
所以在磁场力公式中 , 导线的长度×电流=带电粒子的速度×带电粒子穿过这段导线所用的时间×电流 , 由于电流的定义是单位时间内经过的电荷量 , 所以带电粒子穿过这段导线所用的时间×电流=导线中的电荷总量 。
因此导线的长度×电流=带电粒子的速度×导线中的总电荷 , 所以最初的那个磁场力公式就变成了通电导线所受的力=带电粒子的速度×导线中的总电荷×磁场强度 。
由于导线中每个带电粒子的电荷和速度都是一样的 , 它们平分了导线中的电流在磁场中受到的力 , 所以单个带电粒子垂直于磁场运动所受的力=带电粒子的速度×带电粒子的电荷×磁场强度 。
比如说在太阳风的粒子中 , 粒子所携带电荷平均为2×10^-19库仑 , 速度大约为5×10^5米/秒 , 刚才说过地球的磁场强度大约为5×10^-5牛/(安·米) , 那么根据上面的公式 , 我们就能算出来 , 只要这些粒子垂直于地球的磁场运动 , 那么它就会受到一个5×10^-18牛的力 , 这个力超级小 , 但是粒子的质量更小大约为5×10^-26千克 , 所以地球的磁场会给粒子提供一个非常大的加速度 , 大约为10^8米/秒 。 这个加速度非常可观 , 所以地球的磁场可以有效地为我们阻挡这些带电粒子的侵扰 。
有一点特别有趣 , 带电粒子垂直于磁场运动就会受到最大的力 , 但是平行于磁场运动就不受力 , 所以最后太阳风粒子都沿着地球的磁场线从地球的两极进入了地球 , 所以只有在两极才能看到极光 。
现在我们把带电粒子在磁场中受力的公式代入到 , 阴极射线在力的作用下的位移公式中 , 我们就能知道:磁场引起的偏转=射线粒子的电荷×磁场强度×偏转区距离×漂移区距离/(射线粒子的质量×射线粒子的速度)
在这个公式中磁场强度、偏转区距离、漂移区距离都是已知 , 所以我们就能算出:射线粒子的电荷/(射线粒子的质量×射线粒子的速度)=磁场引起的偏转位移 。

推荐阅读