大學(xué)物理經(jīng)典系列之電磁相互作用課件

1、第十章電磁相互作用1第十章電磁相互作用1小硬盤大智慧The Nobel Prize in Physics 2007巨磁阻效應(yīng) GMR 小硬盤大智慧The Nobel Prize in Phys3一 帶電粒子在電場和磁場中所受的力電場力磁場力（洛倫茲力）運動電荷在電場和磁場中受的力+3一 帶電粒子在電場和磁場中所受的力電場力磁場力（洛倫茲4二 帶電粒子在磁場中運動舉例1 回旋半徑和回旋頻率4二 帶電粒子在磁場中運動舉例1 回旋半徑和回旋52 磁聚焦（洛倫茲力不做功）洛倫茲力 與 不垂直螺距52 磁聚焦（洛倫茲力不做功）洛倫茲力 6 磁聚焦 在均勻磁場中點 A 發(fā)射一束初速度相差不大的帶電粒子，它

2、們的 與 之間的夾角 不同，但都較小，這些粒子沿半徑不同的螺旋線運動，因螺距近似相等，相交于屏上同一點，此現(xiàn)象稱為磁聚焦 . 應(yīng)用 電子光學(xué)，電子顯微鏡等 .6 磁聚焦 在均勻磁場中點 A 發(fā)射一束初速度73 電子的反粒子 電子偶顯示正電子存在的云室照片及其摹描圖鋁板正電子電子1930年狄拉克預(yù)言自然界存在正電子73 電子的反粒子 電子偶顯示正電子存在的云室照81 質(zhì)譜儀7072737476鍺的質(zhì)譜.+-速度選擇器照相底片質(zhì)譜儀的示意圖三 帶電粒子在電場和磁場中運動舉例81 質(zhì)譜儀7072737476鍺的質(zhì)譜.92 回旋加速器 1932年勞倫斯研制第一臺回旋加速器的D型室. 此加速器可將質(zhì)子和

3、氘核加速到1 MeV的能量，為此1939年勞倫斯獲諾貝爾物理學(xué)獎.92 回旋加速器 1932年勞倫斯研制第10頻率與半徑無關(guān)到半圓盒邊緣時回旋加速器原理圖NSBON10頻率與半徑無關(guān)到半圓盒邊緣時回旋加速器原理圖NSBON帶電粒子束N線圈S鐵芯交變電壓環(huán)形真空室回旋加速器帶電粒子束N線圈S鐵芯交變電壓環(huán)形回旋加速器+Fv1v1+Fv1v1+v1Ev21+v1Ev21+Fv2v2EB=qRmv+Fv2v2EB=qRmv+v2E2pB=qm周期TB=qRmv+v2E2pB=qm周期TB=qRmv+E2+E2+Fv3E2+Fv3E2+E+EEEEEEEEEEVEV美國斯坦福直線粒子加速器美國斯坦福直

4、線粒子加速器歐洲同步輻射加速器歐洲同步輻射加速器蘭州重離子加速器北京正負電子對撞機合肥同步輻射加速器我國最大的三個加速器蘭州重離子加速器北京正負電子對撞機合肥同步輻射加速器我國最大北京正負電子對撞機北京正負電子對撞機北京正負電子對撞機北京正負電子對撞機北京正負電子對撞機北京正負電子對撞機歐洲大型強子對撞機 LHC歐洲大型強子對撞機 LHC大學(xué)物理經(jīng)典系列之電磁相互作用課件霍爾效應(yīng)Hall Effect霍爾效應(yīng)Hall Effect霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn) 1879年，美國約翰霍普金斯大學(xué)二年級研究生霍爾發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)Edwin Hall（18551938）霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn) 1879年，美國Edwin Ha+

5、-II當電流流經(jīng)金屬窄條導(dǎo)體時會發(fā)生什么現(xiàn)象？ vvvvvvvvvvvvvvvv 電子會定向移動，形成電流v+-II當電流流經(jīng)金屬窄條導(dǎo)體時會發(fā)生什么現(xiàn)象？ vvvvv+-IIvF洛侖茲力BF=qv方向大小B橫向磁場+-IIvF洛侖茲力BF=qv方向大小B橫向磁場+-IIv電子受磁場力，運動方向產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)B橫向磁場+-IIv電子受磁場力，運動方向產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)B橫向磁場+-IIBv電荷將受到橫向電場力Eq，方向+-IIBv電荷將受到橫向電場力Eq，方向+-IIBvv 隨著時間流逝+-IIBvv 隨著時間流逝+-IIBvvq Eq v B最終：電荷不再偏轉(zhuǎn)+-0+霍爾電壓橫向+-IIBvvq Eq v

6、B最終：電荷不再偏轉(zhuǎn)+-IIB0+霍耳電壓+-dq12v霍爾電壓U大小實驗發(fā)現(xiàn)：霍爾系數(shù)+-IIB0+霍耳電壓+-dq12v霍爾+-IIB0+霍耳電壓+-dq12v理論分析：b力平衡霍爾電壓+-IIB0+霍耳電壓+-dq12v理論霍爾電壓 v 與 I 的關(guān)系?dbv導(dǎo)體內(nèi)單位體積內(nèi)電子數(shù)n導(dǎo)體中的電流密度電流強度霍爾電壓 v 與 I 的關(guān)系?dbv導(dǎo)體內(nèi)單位體積內(nèi)電子數(shù)n 霍爾系數(shù)分析霍耳爾數(shù)+-IIB0+霍耳電壓+-dq12vn：粒子數(shù)密度q：粒子電量 霍爾系數(shù)分析霍耳爾數(shù)+-IIB0+霍耳電壓+改成薄金箔代替，成功！未觀察到任何現(xiàn)象1. 為什么一般導(dǎo)體厚度d都做的很??？霍耳電壓答：討論：電

7、池金屬圓盤電池薄金箔改成薄金箔代替，成功！未觀察到任何現(xiàn)象1. 為什么一般導(dǎo)體厚 討論：2. 為什么一般都用半導(dǎo)體來測霍爾電壓？霍耳電壓答：半導(dǎo)體金屬 討論：2. 為什么一般都用半導(dǎo)體來測霍爾電壓？霍霍爾效應(yīng)的意義霍爾效應(yīng)的論文 “論磁鐵對電流的新作用”開爾文： “霍耳的發(fā)現(xiàn)可和法拉第相比擬”霍爾效應(yīng)的意義霍爾效應(yīng)的論文 “論磁鐵對電流的新作用”開霍爾效應(yīng)的啟示英國物理學(xué)家洛奇礙于權(quán)威，放棄實驗。尊重科學(xué)，實事求是，堅韌不拔的精神！霍爾效應(yīng)的啟示英國物理學(xué)家洛奇礙于權(quán)威，尊重科學(xué)，霍耳效應(yīng)的應(yīng)用一：判斷半導(dǎo)體的類型上方電壓高，載流子帶負電荷，是N 型半導(dǎo)體+0霍耳電壓12+-IBdIqv-+0

8、霍耳電壓12+-IBdIqv-+下方電壓高，載流子帶正電荷， 是P 型半導(dǎo)體霍耳效應(yīng)的應(yīng)用一：判斷半導(dǎo)體的類型上方電壓高，+0霍耳電壓1霍爾效應(yīng)應(yīng)用二：磁流體發(fā)電負載優(yōu)點：發(fā)電高效，節(jié)能環(huán)保B+霍爾效應(yīng)應(yīng)用二：磁流體發(fā)電負載優(yōu)點：發(fā)電高效，節(jié)能環(huán)保B+霍爾效應(yīng)應(yīng)用三：高斯計 精確測量磁感應(yīng)強度的儀器原理：測出霍爾電壓U可知磁感應(yīng)強度B霍爾效應(yīng)應(yīng)用三：高斯計原理：測出霍爾電壓U可知霍爾效應(yīng)應(yīng)用四：形形色色的霍爾傳感器原理：霍爾效應(yīng)應(yīng)用四：形形色色的霍爾傳感器原理：量子霍爾效應(yīng)簡介金屬 氧化物 半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管中霍爾電阻不隨 穩(wěn)定增大，而是出現(xiàn)一系列平臺 . 1980年 霍爾電阻：霍爾電阻率：1

9、985年，德國的 馮.克里芩（1943 ）因此獲諾貝爾物理獎量子霍爾效應(yīng)簡介金屬 氧化物 半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管中霍1987年 分母為偶數(shù) 的量子霍爾效應(yīng)用量子理論才能加以解釋.1982年 美國貝爾實驗室發(fā)現(xiàn)分數(shù)量子霍爾效應(yīng).1998年 勞克林、施特默、崔琦因發(fā)現(xiàn)分數(shù)量子霍爾效應(yīng)和一種具有分數(shù)電荷激發(fā)狀態(tài)的新型量子流體獲諾貝爾物理獎勞克林（美.1950）施特默（德.1949）崔琦（華裔美國人1939）1987年 分母為偶數(shù) 的量子霍爾效應(yīng)用量子54一 安培力S洛倫茲力 安培力 10-2 磁場對電流的作用54一 安培力S洛倫茲力 安培力 10-2 磁55 有限長載流導(dǎo)線所受的安培力55 有限長載流導(dǎo)

10、線所受的安培力56 例 1 如圖一通有電流 的閉合回路放在磁感應(yīng)強度為 的均勻磁場中，回路平面與磁感強度 垂直 . 回路由直導(dǎo)線 AB 和半徑為 的圓弧導(dǎo)線 BCA 組成 ，電流為順時針方向，求磁場作用于閉合導(dǎo)線的力.ABCor56 例 1 如圖一通有電流 的閉57根據(jù)對稱性分析解ABCor57根據(jù)對稱性分析解ABCor58由于因故ABCor58由于因故ABCor59解 取一段電流元 例 2 求如圖不規(guī)則的平面載流導(dǎo)線在均勻磁場中所受的力，已知 和 .PL59解 取一段電流元 例 2 求如圖60 結(jié)論 任意平面載流導(dǎo)線在均勻磁場中所受的力，與其始點和終點相同的載流直導(dǎo)線所受的磁場力相同.PL6

11、0 結(jié)論 任意平面載流導(dǎo)線在均勻磁場中61 例 3 半徑為 載有電流 的導(dǎo)體圓環(huán)與電流為 的長直導(dǎo)線 放在同一平面內(nèi)（如圖），直導(dǎo)線與圓心相距為 d ，且 R d 兩者間絕緣 ， 求 作用在圓電流上的磁場力.OdR61 例 3 半徑為 載有電流 62解OdR.62解OdR.63OdR.63OdR.64OdR.64OdR.65二 磁場作用于載流線圈的磁力矩如圖 均勻磁場中有一矩形載流線圈MNOPMNOPI65二 磁場作用于載流線圈的磁力矩如圖 均勻磁場中有M66線圈有N匝時 M,N O,PMNOPI66線圈有N匝時 M,N O,PMNOPI67IB. . . . . . . . . . . .

12、. . . . .IB BI穩(wěn)定平衡不穩(wěn)定平衡討 論（1） 與 同向（2）方向相反（3）方向垂直力矩最大67IB.IB BI68 結(jié)論: 均勻磁場中，任意形狀剛性閉合平面通電線圈所受的力和力矩為0pqq=穩(wěn)定平衡非穩(wěn)定平衡與 成右螺旋 磁矩68 結(jié)論: 均勻磁場中，任意形狀剛性閉合平面通69 例4 如圖半徑為0.20 m，電流為20 A，可繞軸旋轉(zhuǎn)的圓形載流線圈放在均勻磁場中 ，磁感應(yīng)強度的大小為0.08 T，方向沿 x 軸正向.問線圈受力情況怎樣？線圈所受的磁力矩又為多少？IRQJKPo69 例4 如圖半徑為0.20 m，電流為270解 （方法一）把線圈分為JQP和PKJ兩部分 IRQJKP

13、O以 為軸， 所受磁力矩大小70解 （方法一）把線圈分為JQP和PKJ兩部分IRQJK71IRQJKPO71IRQJKPO72IRQJKPO（方法二）72IRQJKPO（方法二）三 磁力矩的功1. 載流導(dǎo)線 在磁場中運動時，磁力所做的功 當載流導(dǎo)線在磁場中運動時，若電流保持不變，磁力所做的功等于電流強度與通過回路環(huán)繞面積內(nèi)磁通量增量的乘積。若電流 I 保持不變.三 磁力矩的功1. 載流導(dǎo)線 在磁場中運動時，磁力所做2. 載流線圈 在磁場中轉(zhuǎn)動時，磁力矩所做的功若線圈中電流 I 不變一般情況下，電流I 為變量，磁力的功：此時要注意統(tǒng)一變量后積分。2. 載流線圈 在磁場中轉(zhuǎn)動時，磁力矩所做的功若線圈中電解：例題9 一半徑為R 的半圓形閉