大学物理经典系列之电磁相互作用课件

1、第十章电磁相互作用1第十章电磁相互作用1小硬盘大智慧The Nobel Prize in Physics 2007巨磁阻效应 GMR 小硬盘大智慧The Nobel Prize in Phys3一 带电粒子在电场和磁场中所受的力电场力磁场力（洛伦兹力）运动电荷在电场和磁场中受的力+3一 带电粒子在电场和磁场中所受的力电场力磁场力（洛伦兹4二 带电粒子在磁场中运动举例1 回旋半径和回旋频率4二 带电粒子在磁场中运动举例1 回旋半径和回旋52 磁聚焦（洛伦兹力不做功）洛伦兹力 与 不垂直螺距52 磁聚焦（洛伦兹力不做功）洛伦兹力 6 磁聚焦 在均匀磁场中点 A 发射一束初速度相差不大的带电粒子，它

2、们的 与 之间的夹角 不同，但都较小，这些粒子沿半径不同的螺旋线运动，因螺距近似相等，相交于屏上同一点，此现象称为磁聚焦 . 应用 电子光学，电子显微镜等 .6 磁聚焦 在均匀磁场中点 A 发射一束初速度73 电子的反粒子 电子偶显示正电子存在的云室照片及其摹描图铝板正电子电子1930年狄拉克预言自然界存在正电子73 电子的反粒子 电子偶显示正电子存在的云室照81 质谱仪7072737476锗的质谱.+-速度选择器照相底片质谱仪的示意图三 带电粒子在电场和磁场中运动举例81 质谱仪7072737476锗的质谱.92 回旋加速器 1932年劳伦斯研制第一台回旋加速器的D型室. 此加速器可将质子和

3、氘核加速到1 MeV的能量，为此1939年劳伦斯获诺贝尔物理学奖.92 回旋加速器 1932年劳伦斯研制第10频率与半径无关到半圆盒边缘时回旋加速器原理图NSBON10频率与半径无关到半圆盒边缘时回旋加速器原理图NSBON带电粒子束N线圈S铁芯交变电压环形真空室回旋加速器带电粒子束N线圈S铁芯交变电压环形回旋加速器+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美国斯坦福直线粒子加速器美国斯坦福直

4、线粒子加速器欧洲同步辐射加速器欧洲同步辐射加速器兰州重离子加速器北京正负电子对撞机合肥同步辐射加速器我国最大的三个加速器兰州重离子加速器北京正负电子对撞机合肥同步辐射加速器我国最大北京正负电子对撞机北京正负电子对撞机北京正负电子对撞机北京正负电子对撞机北京正负电子对撞机北京正负电子对撞机欧洲大型强子对撞机 LHC欧洲大型强子对撞机 LHC大学物理经典系列之电磁相互作用课件霍尔效应Hall Effect霍尔效应Hall Effect霍尔效应的发现 1879年，美国约翰霍普金斯大学二年级研究生霍尔发现霍尔效应Edwin Hall（18551938）霍尔效应的发现 1879年，美国Edwin Ha+

5、-II当电流流经金属窄条导体时会发生什么现象？ vvvvvvvvvvvvvvvv 电子会定向移动，形成电流v+-II当电流流经金属窄条导体时会发生什么现象？ vvvvv+-IIvF洛仑兹力BF=qv方向大小B横向磁场+-IIvF洛仑兹力BF=qv方向大小B横向磁场+-IIv电子受磁场力，运动方向产生偏转B横向磁场+-IIv电子受磁场力，运动方向产生偏转B横向磁场+-IIBv电荷将受到横向电场力Eq，方向+-IIBv电荷将受到横向电场力Eq，方向+-IIBvv 随着时间流逝+-IIBvv 随着时间流逝+-IIBvvq Eq v B最终：电荷不再偏转+-0+霍尔电压横向+-IIBvvq Eq v

6、B最终：电荷不再偏转+-IIB0+霍耳电压+-dq12v霍尔电压U大小实验发现：霍尔系数+-IIB0+霍耳电压+-dq12v霍尔+-IIB0+霍耳电压+-dq12v理论分析：b力平衡霍尔电压+-IIB0+霍耳电压+-dq12v理论霍尔电压 v 与 I 的关系?dbv导体内单位体积内电子数n导体中的电流密度电流强度霍尔电压 v 与 I 的关系?dbv导体内单位体积内电子数n 霍尔系数分析霍耳尔数+-IIB0+霍耳电压+-dq12vn：粒子数密度q：粒子电量 霍尔系数分析霍耳尔数+-IIB0+霍耳电压+改成薄金箔代替，成功！未观察到任何现象1. 为什么一般导体厚度d都做的很薄？霍耳电压答：讨论：电

7、池金属圆盘电池薄金箔改成薄金箔代替，成功！未观察到任何现象1. 为什么一般导体厚 讨论：2. 为什么一般都用半导体来测霍尔电压？霍耳电压答：半导体金属 讨论：2. 为什么一般都用半导体来测霍尔电压？霍霍尔效应的意义霍尔效应的论文 “论磁铁对电流的新作用”开尔文： “霍耳的发现可和法拉第相比拟”霍尔效应的意义霍尔效应的论文 “论磁铁对电流的新作用”开霍尔效应的启示英国物理学家洛奇碍于权威，放弃实验。尊重科学，实事求是，坚韧不拔的精神！霍尔效应的启示英国物理学家洛奇碍于权威，尊重科学，霍耳效应的应用一：判断半导体的类型上方电压高，载流子带负电荷，是N 型半导体+0霍耳电压12+-IBdIqv-+0

8、霍耳电压12+-IBdIqv-+下方电压高，载流子带正电荷， 是P 型半导体霍耳效应的应用一：判断半导体的类型上方电压高，+0霍耳电压1霍尔效应应用二：磁流体发电负载优点：发电高效，节能环保B+霍尔效应应用二：磁流体发电负载优点：发电高效，节能环保B+霍尔效应应用三：高斯计 精确测量磁感应强度的仪器原理：测出霍尔电压U可知磁感应强度B霍尔效应应用三：高斯计原理：测出霍尔电压U可知霍尔效应应用四：形形色色的霍尔传感器原理：霍尔效应应用四：形形色色的霍尔传感器原理：量子霍尔效应简介金属 氧化物 半导体场效应晶体管中霍尔电阻不随 稳定增大，而是出现一系列平台 . 1980年 霍尔电阻：霍尔电阻率：1

9、985年，德国的 冯.克里芩（1943 ）因此获诺贝尔物理奖量子霍尔效应简介金属 氧化物 半导体场效应晶体管中霍1987年 分母为偶数 的量子霍尔效应用量子理论才能加以解释.1982年 美国贝尔实验室发现分数量子霍尔效应.1998年 劳克林、施特默、崔琦因发现分数量子霍尔效应和一种具有分数电荷激发状态的新型量子流体获诺贝尔物理奖劳克林（美.1950）施特默（德.1949）崔琦（华裔美国人1939）1987年 分母为偶数 的量子霍尔效应用量子54一 安培力S洛伦兹力 安培力 10-2 磁场对电流的作用54一 安培力S洛伦兹力 安培力 10-2 磁55 有限长载流导线所受的安培力55 有限长载流导

10、线所受的安培力56 例 1 如图一通有电流 的闭合回路放在磁感应强度为 的均匀磁场中，回路平面与磁感强度 垂直 . 回路由直导线 AB 和半径为 的圆弧导线 BCA 组成 ，电流为顺时针方向，求磁场作用于闭合导线的力.ABCor56 例 1 如图一通有电流 的闭57根据对称性分析解ABCor57根据对称性分析解ABCor58由于因故ABCor58由于因故ABCor59解 取一段电流元 例 2 求如图不规则的平面载流导线在均匀磁场中所受的力，已知 和 .PL59解 取一段电流元 例 2 求如图60 结论 任意平面载流导线在均匀磁场中所受的力，与其始点和终点相同的载流直导线所受的磁场力相同.PL6

11、0 结论 任意平面载流导线在均匀磁场中61 例 3 半径为 载有电流 的导体圆环与电流为 的长直导线 放在同一平面内（如图），直导线与圆心相距为 d ，且 R d 两者间绝缘 ， 求 作用在圆电流上的磁场力.OdR61 例 3 半径为 载有电流 62解OdR.62解OdR.63OdR.63OdR.64OdR.64OdR.65二 磁场作用于载流线圈的磁力矩如图 均匀磁场中有一矩形载流线圈MNOPMNOPI65二 磁场作用于载流线圈的磁力矩如图 均匀磁场中有M66线圈有N匝时 M,N O,PMNOPI66线圈有N匝时 M,N O,PMNOPI67IB. . . . . . . . . . . .

12、. . . . .IB BI稳定平衡不稳定平衡讨 论（1） 与 同向（2）方向相反（3）方向垂直力矩最大67IB.IB BI68 结论: 均匀磁场中，任意形状刚性闭合平面通电线圈所受的力和力矩为0pqq=稳定平衡非稳定平衡与 成右螺旋 磁矩68 结论: 均匀磁场中，任意形状刚性闭合平面通69 例4 如图半径为0.20 m，电流为20 A，可绕轴旋转的圆形载流线圈放在均匀磁场中 ，磁感应强度的大小为0.08 T，方向沿 x 轴正向.问线圈受力情况怎样？线圈所受的磁力矩又为多少？IRQJKPo69 例4 如图半径为0.20 m，电流为270解 （方法一）把线圈分为JQP和PKJ两部分 IRQJKP

13、O以 为轴， 所受磁力矩大小70解 （方法一）把线圈分为JQP和PKJ两部分IRQJK71IRQJKPO71IRQJKPO72IRQJKPO（方法二）72IRQJKPO（方法二）三 磁力矩的功1. 载流导线 在磁场中运动时，磁力所做的功 当载流导线在磁场中运动时，若电流保持不变，磁力所做的功等于电流强度与通过回路环绕面积内磁通量增量的乘积。若电流 I 保持不变.三 磁力矩的功1. 载流导线 在磁场中运动时，磁力所做2. 载流线圈 在磁场中转动时，磁力矩所做的功若线圈中电流 I 不变一般情况下，电流I 为变量，磁力的功：此时要注意统一变量后积分。2. 载流线圈 在磁场中转动时，磁力矩所做的功若线圈中电解：例题9 一半径为R 的半圆形闭