电磁相互作用课件

基础物理学教程电磁学

ch8电相互作用（真空中的静电场）ch9

静电场中的导体和电介质

ch10

磁相互作用ch11

恒定磁场和磁介质ch12

电磁感应ch14

电磁场和电磁波

电荷静电场电荷

电荷磁场电荷基础物理学教程电磁学ch8电相互作用ch91ch10第十章电磁相互作用电荷

电

电荷物质场物质运动电荷

磁

运动电荷物质场物质内容：描述磁场的基本物理量——磁感应强度电流磁场的基本方程——Biot-savart定律磁场对电流与运动电荷的作用——Lorentz力、Ampere力ch10第十章电磁相互作用电荷2ch10§10-1磁相互作用一、磁学的早期发展1.古代中国的磁学慈石公元前300-400年，《管子》书中已有磁石和磁石引铁的记载；公元前179～前122年，汉初刘安的《淮南子·览冥篇》中有“若以慈石之能连铁也，而取其引瓦，则难矣……”的记载；公元27～约97，东汉王充的《论衡·乱龙篇》中有“顿牟摄芥，慈石引针……”的记载；公元1044年，北宋曾公亮、丁度等修撰的《武经总要》、沈括的《梦溪笔谈》都有指南针的描述，并发现地磁偏角；约于公元1119年，在广州已有海船利用指南针航海。

ch10§10-1磁相互作用一、磁学的早期发展1.古代中国3ch102.古代欧洲的磁学公元前500年，古希腊的泰勒斯时期（亚里士多德转述）；16世纪英国科学家吉尔伯特开始对磁学进行系统研究，其著作为《论磁体》；1785年法国物理学家库仑于确立了静电荷间相互作用力的规律──库仑定律之后，又对磁极进行了类似的实验而证明：同样的定律也适用于磁极之间的相互作用。1820年丹麦物理学家奥斯特发现一条通过电流的导线会使其近处静悬着的磁针偏转，显示出电流在其周围的空间产生了磁场，这是证明电和磁现象密切结合的第一个实验结果ch102.古代欧洲的磁学公元前500年，古希腊的泰勒斯时期4二、描述磁场的量HendrikAntoonLorentz(1853-1928)洛仑兹从电子论推导出运动电荷在磁场中要受到力的作用洛伦兹力qBvF洛仑兹力不作功三、磁场的性质-洛伦兹力单位：Tch10磁感应强度磁场强度二、描述磁场的量HendrikAntoonLorentz5ch10四、霍尔效应1.霍尔效应及其解释将一导电板放在垂直于板面的磁场中，当有电流通过时，在导电板的A和A'两侧会产生一个电势差UAA',这种现象是霍耳在1879年发现的，称为霍耳效应。

设载流子是电子uFEqE

设载流子是空穴uFEqEch10四、霍尔效应1.霍尔效应及其解释将一导电板放在垂直6ch102.关于霍尔系数的两个结论霍耳系数K与载流子浓度n成反比

霍耳系数K的正负取决于载流子电荷q的正负3.霍尔效应的应用测材料参数测磁场ch102.关于霍尔系数的两个结论霍耳系数K与载流子浓度n7量子霍尔效应长时期以来，霍尔效应是在室温和中等强度磁场条件下进行实验的。1980年，德国物理学家克利青(KlausvonKlitzing)发现在低温条件下半导体硅的霍尔效应不是常规的那种直线，而是随着磁场强度呈跳跃性的变化，这种跳跃的阶梯大小由被整数除的基本物理常数所决定。这在后来被称为整数量子霍尔效应。由于这个发现，克利青在1985年获得了诺贝尔物理奖。ch10量子霍尔效应长时期以来，霍尔效应是在室温和中等8分数量子霍尔效应1982年上半年，崔琦和德籍物理学家斯托尔默利用半导体砷化镓和砷铝化镓进行霍尔效应试验。他们实验的温度更低，磁场强度更大。他们将两种截然不同的半导体晶片像“三明治”那样夹在一起，一面是砷化镓，一面是砷铝化镓。他们发现电子就在这两个半导体之间的界面上聚集；接着他们使这一界面温度降低到仅比绝对零度高十分之一摄氏度（约－273℃）的超低温环境中，然后加以相当于地球磁场强度100万倍的超强磁场。他们惊奇地发现，在这种条件下半导体界面上的霍尔效应的跳跃性比克利青发现的要高出3倍，后来又发现了更高的和在与整数相对应的阶梯之间存在着更多的阶梯，其高度可用分数除之，就好像过去认为不可分的电子而今可分裂成带分数电荷的新粒子一样，当磁场撤消后这些新粒子又回到原先的整体状态，这种反常的效应就是所谓分数量子霍尔效应。劳克林提出了理论解释。他指出，在量子霍尔效应情形下，电子体系凝聚成了某种新型的量子流体。因此，他们共同获得1998年的诺贝尔物理学奖.ch10分数量子霍尔效应1982年上半年，崔琦和德籍物理学家9ch10§10-3磁场和电流一、恒定电流-电流和电流密度SI1.电流的大小——电流强度单位时间内通过导体任一截面的电量规定为电流的大小

单位：库仑/秒=安培2.电流密度引入的必要性定义方向：代表该点电流的方向（正电荷的运动方向）

ch10§10-3磁场和电流一、恒定电流-电流和电流密度S10ch10大小：单位时间里通过单位垂直截面的电量(A/m2)

电流线

电流密度与电流强度的关系jdS0jdSen曲面S的电流强度I是电流密度j对该曲面的通量ch10大小：单位时间里通过单位垂直截面的电量(A/m11ch10二、安培定律和毕奥－萨伐尔定律1.奥斯特的发现HansChristianOersted

(1777~1851)2.安培定律安培在1820年9月发现两根通电流的导线之间也存在相互作用力，并于同年12月发表了这种相互作用力的定量公式——安培定律.奥斯特在康德的哲学引导下,坚信电力和磁力有着共同的根源。1820年4月他观察到通电导线扰动磁针的现象,发现了电流的磁效应,从而彻底否定了那种不正确的观点。论文在7月21日发表后在欧洲引起了很大反响。André-MarieAmpère（1775~1836）ch10二、安培定律和毕奥－萨伐尔定律1.奥斯特的发现Ha12ch10安培定律在磁场中任一点P处的电流元Idl所受到的磁场作用力dF可表示为安培力洛伦兹力的宏观表现整个闭合回路所受到的安培力就是各电流元所受到的安培力的矢量和ch10安培定律在磁场中任一点P处的电流元Idl所受到的磁场13ch103.毕奥－萨伐尔定律载流回路的任一电流元Idl，在空间任意一点P处所产生的磁感应强度dB可表示为μ0

：真空磁导率1820年，法国物理学家毕奥和萨伐尔,通过实验测量了长直电流线附近小磁针的受力规律,发表了题为“运动中的电传递给金属的磁化力”的论文，后来人们称之为毕奥--萨伐尔定律.稍后，在数学家拉普拉斯的帮助下，以数学公式表示出这一定律。ch103.毕奥－萨伐尔定律载流回路的任一电流元Idl，在14ch10利用叠加原理，对上式进行积分，便可求出任意形状的载流导线所产生的磁感应强度，即ch10利用叠加原理，对上式进行积分，便可求出任意形状的载流15ch10利用毕奥－萨伐尔定律解题的步骤:

选取合适的电流元

写出电流元产生的磁感应强度——根据毕奥－萨伐尔定律；

选取合适的坐标系——要根据电流的分布与磁场分布的的特点来选取坐标系，其目的是要使数学运算简单；

计算磁感应强度的分布——叠加原理；

一般说来，需要将磁感应强度的矢量积分变为标量积分，并选取合适的积分变量，来统一积分变量。ch10利用毕奥－萨伐尔定律解题的步骤:16ch10[例题10.4]

载流直导线的磁场各电流元产生的磁场方向一致矢量变标量叠加原理ch10[例题10.4]载流直导线的磁场各电流元产生的磁17ch10讨论：对于无限长直导线Brch10讨论：Br18ch10[例题10.5]载流圆线圈轴线上的磁场各电流元产生的磁场在垂直于z轴方向相互抵消矢量变标量叠加原理对总磁场有贡献的ch10[例题10.5]载流圆线圈轴线上的磁场各电流元产生19ch10讨论：（1）当r0＝0时（2）当r0＝∞时此结果与电偶极子产生电场的公式类似故亦称载流圆线圈为磁偶极子并类比于电偶极矩引入磁矩ench10讨论：（2）当r0＝∞时此结果与电偶极子产生电场的公20ch10[例题10.8]磁场对平面载流线圈的作用

分析线圈受力－力偶合力矩可见，均匀磁场不会使线圈（磁偶极子）发生平动，磁力矩总是使线圈的磁矩转到和外磁场一致的方向上来ch10[例题10.8]磁场对平面载流线圈的作用分析线圈受21ch10第十章小结掌握运动电荷产生磁场的毕奥－萨伐尔定律，并学会利用叠加原理求磁场分布的一般方法。掌握磁场对运动电荷产生的洛伦兹力及其宏观表现安培力。运动电荷

磁场运动电荷ch10运动电荷磁场运动电荷22ch10理解霍尔效应的现象及机理ch1023本章习题：10-1，2，6，13，19ch10本章习题：10-1，2，6，13，19ch1024基础物理学教程电磁学

ch8电相互作用（真空中的静电场）ch9

静电场中的导体和电介质

ch10

磁相互作用ch11

恒定磁场和磁介质ch12

电磁感应ch14

电磁场和电磁波

电荷静电场电荷

电荷磁场电荷基础物理学教程电磁学ch8电相互作用ch925ch10第十章电磁相互作用电荷

电

电荷物质场物质运动电荷

磁

运动电荷物质场物质内容：描述磁场的基本物理量——磁感应强度电流磁场的基本方程——Biot-savart定律磁场对电流与运动电荷的作用——Lorentz力、Ampere力ch10第十章电磁相互作用电荷26ch10§10-1磁相互作用一、磁学的早期发展1.古代中国的磁学慈石公元前300-400年，《管子》书中已有磁石和磁石引铁的记载；公元前179～前122年，汉初刘安的《淮南子·览冥篇》中有“若以慈石之能连铁也，而取其引瓦，则难矣……”的记载；公元27～约97，东汉王充的《论衡·乱龙篇》中有“顿牟摄芥，慈石引针……”的记载；公元1044年，北宋曾公亮、丁度等修撰的《武经总要》、沈括的《梦溪笔谈》都有指南针的描述，并发现地磁偏角；约于公元1119年，在广州已有海船利用指南针航海。

ch10§10-1磁相互作用一、磁学的早期发展1.古代中国27ch102.古代欧洲的磁学公元前500年，古希腊的泰勒斯时期（亚里士多德转述）；16世纪英国科学家吉尔伯特开始对磁学进行系统研究，其著作为《论磁体》；1785年法国物理学家库仑于确立了静电荷间相互作用力的规律──库仑定律之后，又对磁极进行了类似的实验而证明：同样的定律也适用于磁极之间的相互作用。1820年丹麦物理学家奥斯特发现一条通过电流的导线会使其近处静悬着的磁针偏转，显示出电流在其周围的空间产生了磁场，这是证明电和磁现象密切结合的第一个实验结果ch102.古代欧洲的磁学公元前500年，古希腊的泰勒斯时期28二、描述磁场的量HendrikAntoonLorentz(1853-1928)洛仑兹从电子论推导出运动电荷在磁场中要受到力的作用洛伦兹力qBvF洛仑兹力不作功三、磁场的性质-洛伦兹力单位：Tch10磁感应强度磁场强度二、描述磁场的量HendrikAntoonLorentz29ch10四、霍尔效应1.霍尔效应及其解释将一导电板放在垂直于板面的磁场中，当有电流通过时，在导电板的A和A'两侧会产生一个电势差UAA',这种现象是霍耳在1879年发现的，称为霍耳效应。

设载流子是电子uFEqE

设载流子是空穴uFEqEch10四、霍尔效应1.霍尔效应及其解释将一导电板放在垂直30ch102.关于霍尔系数的两个结论霍耳系数K与载流子浓度n成反比

霍耳系数K的正负取决于载流子电荷q的正负3.霍尔效应的应用测材料参数测磁场ch102.关于霍尔系数的两个结论霍耳系数K与载流子浓度n31量子霍尔效应长时期以来，霍尔效应是在室温和中等强度磁场条件下进行实验的。1980年，德国物理学家克利青(KlausvonKlitzing)发现在低温条件下半导体硅的霍尔效应不是常规的那种直线，而是随着磁场强度呈跳跃性的变化，这种跳跃的阶梯大小由被整数除的基本物理常数所决定。这在后来被称为整数量子霍尔效应。由于这个发现，克利青在1985年获得了诺贝尔物理奖。ch10量子霍尔效应长时期以来，霍尔效应是在室温和中等32分数量子霍尔效应1982年上半年，崔琦和德籍物理学家斯托尔默利用半导体砷化镓和砷铝化镓进行霍尔效应试验。他们实验的温度更低，磁场强度更大。他们将两种截然不同的半导体晶片像“三明治”那样夹在一起，一面是砷化镓，一面是砷铝化镓。他们发现电子就在这两个半导体之间的界面上聚集；接着他们使这一界面温度降低到仅比绝对零度高十分之一摄氏度（约－273℃）的超低温环境中，然后加以相当于地球磁场强度100万倍的超强磁场。他们惊奇地发现，在这种条件下半导体界面上的霍尔效应的跳跃性比克利青发现的要高出3倍，后来又发现了更高的和在与整数相对应的阶梯之间存在着更多的阶梯，其高度可用分数除之，就好像过去认为不可分的电子而今可分裂成带分数电荷的新粒子一样，当磁场撤消后这些新粒子又回到原先的整体状态，这种反常的效应就是所谓分数量子霍尔效应。劳克林提出了理论解释。他指出，在量子霍尔效应情形下，电子体系凝聚成了某种新型的量子流体。因此，他们共同获得1998年的诺贝尔物理学奖.ch10分数量子霍尔效应1982年上半年，崔琦和德籍物理学家33ch10§10-3磁场和电流一、恒定电流-电流和电流密度SI1.电流的大小——电流强度单位时间内通过导体任一截面的电量规定为电流的大小

单位：库仑/秒=安培2.电流密度引入的必要性定义方向：代表该点电流的方向（正电荷的运动方向）

ch10§10-3磁场和电流一、恒定电流-电流和电流密度S34ch10大小：单位时间里通过单位垂直截面的电量(A/m2)

电流线

电流密度与电流强度的关系jdS0jdSen曲面S的电流强度I是电流密度j对该曲面的通量ch10大小：单位时间里通过单位垂直截面的电量(A/m35ch10二、安培定律和毕奥－萨伐尔定律1.奥斯特的发现HansChristianOersted

(1777~1851)2.安培定律安培在1820年9月发现两根通电流的导线之间也存在相互作用力，并于同年12月发表了这种相互作用力的定量公式——安培定律.奥斯特在康德的哲学引导下,坚信电力和磁力有着共同的根源。1820年4月他观察到通电导线扰动磁针的现象,发现了电流的磁效应,从而彻底否定了那种不正确的观点。论文在7月21日发表后在欧洲引起了很大反响。André-MarieAmpère（1775~1836）ch10二、安培定律和毕奥－萨伐尔定律1.奥斯特的发现Ha36ch10安培定律在磁场中任一点P处的电流元Idl所受到的磁场作用力dF可表示为安培力洛伦兹力的宏观表现整个闭合回路所受到的安培力就是各电流元所受到的安培力的矢量和ch10安培定律在磁场中任一点P处的电流元Idl所受到的磁场37ch103.毕奥－萨伐尔定律载流回路的任一电流元Idl，在空间任意一点P处所产生的磁感应强度dB可表示为μ0

：真空磁导率1820年，法国物理学家毕奥和萨伐尔,通过实验测量了长直电流线附近小磁针的受力规律,发表了题为“运动中的电传递给金属的磁化力”的论文，后来人们称之为毕奥--萨伐尔定律.稍后，在数学家拉普拉斯的帮助下，以数学公式表示出这一定律。ch103.毕奥－萨伐尔定律载流回路的任一电流元Idl，在38ch10利用叠加原理，对上式进行积分，便可求出任意形状的载流导线所产生的磁感应强度，即ch10利用叠加原理，对上式进行积分，便可求出任意形状的载流39ch10利用毕奥－萨伐尔定律解题的步骤:

选取合适的电流元

写出电流元产生的磁感应强度——根据毕奥－萨伐尔定律；

选取合适的坐标系——