磁场对电流有力的作用，而电流是由电荷的定向移动形成的。由此自然会想到：这个力可能是作用在运动电荷上的，而作用在通电导线上的安培力是作用在各个运动电荷上的力的宏观表现。事实是否是这样的呢？

一、洛伦兹力

如图3-13（a）所示的电子射线管中，从阴极发射出来的电子，在阴阳两极间的高压作用下，使其加速，形成电子束，轰击到长条形的荧光屏上激发出荧光，可以显示电子的运动轨迹。

图3-13 电子束在磁场中的偏转

在没有加外磁场时，电子束沿直线运动[图3-13（a）]；如果把射线管放在蹄形磁铁的两极间，荧光屏上显示的电子束运动的径迹发生了弯曲[图3-13（b）]。这说明电子在磁场中受到了力的作用。

物理上把磁场对运动电荷的作用力叫做洛伦兹力。与安培力一样，洛伦兹力的方向也可以用左手定则来判断，但要注意，四指指向正电荷运动的方向，拇指的指向是正电荷所受洛伦兹力的方向；当运动的电荷为负电荷（电子）时，四指应指向负电荷运动的反方向。

理论上可以证明磁场对运动电荷的洛伦兹力FL与磁感应强度B、电荷的电荷量q、运动的速度v及运动方向与磁场方向的夹角θ有关，当电荷运动方向与磁场方向垂直时，洛伦兹力的大小为

当电荷运动方向与磁场方向在一条直线上时，即θ=0°或θ=180°时，洛伦兹力为零，即电荷不受磁场的作用力。

二、带电粒子垂直进入匀强磁场中时的运动

图3-14 带电粒子在匀强磁场中的运动

如图3-14所示，设有一质量为m、电荷量为q的带电粒子以初速度v垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场中，带电粒子受到的洛伦兹力为F L=qvB，根据左手定则，无论粒子运动到什么位置，洛伦兹力F L的方向总是跟粒子运动方向垂直，因此，F L只改变粒子的运动方向，不改变粒子速度的大小。由于带电粒子所受洛伦兹力大小不变，方向始终与运动方向相垂直，所以由理论分析可以得到：带电粒子在磁场中做匀速圆周运动。其轨道半径为

（3-7）式表明，对给定的带电粒子和磁场，m、q、B为恒量，所以，带电粒子运动的圆周半径与粒子的速度大小成正比。

将R=代入周期公式

得带电粒子轨道运动的周期为

（3-8）式表明，带电粒子在匀强磁场中做圆周运动时，运动的周期T与粒子的速度v及轨道半径R无关。

当带电粒子的运动方向与磁场方向平行时，带电粒子不受洛伦兹力，故带电粒子在磁场中做匀速直线运动。请同学们想一想，如果带电粒子的运动方向与磁场方向不平行也不垂直时，带电粒子将做什么运动呢？

三、回旋加速器

研究物质的微观结构时常用高能粒子去轰击各种原子核，观察其变化情况。回旋加速器就是用来获得高能带电粒子的一种装置。(www.daowen.com)

1.回旋加速器的构造 如图2-15所示，匀强磁场方向和两磁极间的半圆盒电极平面垂直，这两个半圆盒电极形象地叫做D形盒电极。当两极间加上高频交变电压时，则两极间产生高频交变电场。两D形盒电极间的缝隙中心的粒子源发出的粒子受到电场力的作用而做加速运动。

图3-15 回旋加速器的简单结构

图3-16 回旋加速器的简单原理

2.回旋加速器原理简介 如图3-16所示，由粒子源发射出的质量为m、电荷量为q的粒子进入D形盒电极空腔后，在洛伦兹力的作用下沿圆弧运动，当绕过半个圆周后，又重新进入两D形电极间的缝隙。调节高频电源的周期，使粒子进入缝隙时，受到和运动方向相同的电场力而加速，随着粒子运动速率的增大，轨道半径在增大。但是，由周期公式T=2pm/qB可知，周期与粒子的速率和轨道半径是无关的。当磁场、电荷一定时，粒子运动的周期是恒定不变的。所以只要调节高频电源的周期，使加在D形电极缝隙处的交变电场的周期与粒子做圆周运动的周期相等，那么粒子每经过两D形电极间的缝隙一次就被加速一次，这样，随着粒子做回旋运动，其速度越来越大，能量也越来越高，最后获得高能粒子。

四、磁偏转

利用带电粒子在磁场中运动时受到洛伦滋力的作用而发生偏转的原理，我们可以制造电磁式显象管，如图3-17是电磁式显象管的原理图。

电磁式显象管用在示波器上就叫示波管，用在电视机上就叫显像管，它是示波器和电视机的主要部件。在显像管的管颈上套着两个偏转线圈，给它们通以适当的电流则可以分别产生垂直和水平方向的变化磁场，随着磁场的变化，可以控制电子枪（由阴极和加速极组成）发射的电子束向左右和上下偏转，这种利用磁场力使电子束偏转的现象，称为磁偏转。

图3-17 电磁式显象管

习题3-3

1.如题图3-1所示，带电粒子以速度v垂直射入匀强磁场中，试分别标出带电粒子所受洛伦兹力的方向。

题图3-1 判断各图洛伦兹力的方向

2.请在图3-2中画出电荷q在匀强磁场中所受的洛伦兹力的方向，并写出其大小表达式。

题图3-2 判断各图洛伦兹力的大小和方向

3.α粒子（带两个单位的正元电荷）以3×107m/s的速率垂直进入磁感应强度为2T的匀强磁场中，求α粒子所受的洛伦兹力的大小是多少？

4.粒子选择器如题图3-3所示，它是用来选择特定速度的带电粒子的，它里面有匀强电场E（方向向左）和匀强磁场B（方向垂直纸面向里）。从狭缝S1进入的带正电的粒子具有各种不同的速度，问：

（1）具有多大速度的粒子才能沿直线前进从S2飞出？

（2）若需要另一种速度的粒子，应该怎么办？