大學物理經典ppt系列之電磁相互作用

1、第第10章章 電磁相互作用電磁相互作用大學大學物理物理第十章第十章電磁相互作用電磁相互作用1巨磁阻效應 GMR 第第10章章 電磁相互作用電磁相互作用大學大學物理物理3一一 帶電粒子在電場和磁場中所受的力帶電粒子在電場和磁場中所受的力電場力電場力EqFe磁場力（洛磁場力（洛倫茲力倫茲力）BqF vmBqEqFv運動電荷在電場運動電荷在電場和磁場中受的力和磁場中受的力xyzo+qvBmF第第10章章 電磁相互作用電磁相互作用大學大學物理物理4二 帶電粒子在磁場中運動舉例RmBq200vvqBmR0vB0vqBmRT220vmqBTf211 回旋半徑和回旋頻率第第10章章 電磁相互作用電磁相互作用

2、大學大學物理物理52 磁聚焦（洛倫茲力不做功）vvv/sinvv 洛倫茲力 BqFvm 與 不垂直Bvcosvv/qBmRvqBmT2)/2(cosqBmdvTv/螺距第第10章章 電磁相互作用電磁相互作用大學大學物理物理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，此現象稱為磁聚焦 .0vB 應用 電子光學，電子顯微鏡等 .第第10章章 電磁相互作用電磁相互作用大學大學物理物理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B1930年狄拉克

3、預言自然界存在正電子第第10章章 電磁相互作用電磁相互作用大學大學物理物理81 質譜儀RmBq2vvvRBqm7072 73 74 76鍺的質譜.1p2p+-2s3s1s速度選擇器照相底片質譜儀的示意圖三 帶電粒子在電場和磁場中運動舉例第第10章章 電磁相互作用電磁相互作用大學大學物理物理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. 此加速器可將質子和氘核加速到1 MeV的能量，為此1939年勞倫斯獲諾貝爾物理學獎.第第10章章 電磁相互作用電磁相互作用大學大學物理物理10mqBf2mqBR0v2k21vmE 頻率與半徑無關到半圓盒邊緣時mRBqE22022k回旋加速器原理

4、圖NSB2D1DON帶電粒子束帶電粒子束N線圈線圈S鐵鐵芯芯交變電壓交變電壓環(huán)形環(huán)形真空室真空室回旋加速器美國斯坦福直線粒子加速器美國斯坦福直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蘭州重離子加速器北京正負電子對撞機北京正負電子對撞機合肥同步輻射加速器合肥同步輻射加速器我國最大的三個加速器我國最大的三個加速器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歐洲大型強子對撞機 LHC 霍爾效應的發(fā)現霍爾效應的發(fā)現 1879年，美國年，美國約翰約翰霍普金斯大學霍普金斯大學二年級研究生二年級研究生霍

5、爾霍爾發(fā)現發(fā)現霍爾效應霍爾效應Edwin Hall（18551938） 當電流流經當電流流經金屬窄條導體金屬窄條導體時會發(fā)生什么現象？時會發(fā)生什么現象？ 電子會定向移動，電子會定向移動，形成電流形成電流 洛侖茲力洛侖茲力方向方向大小大小vFBq橫向磁場橫向磁場 電子受磁場力，運動方向產生偏轉電子受磁場力，運動方向產生偏轉橫向磁場橫向磁場 EqvBqE電荷將受到電荷將受到橫向電場力橫向電場力Eq，方向，方向 隨著時間流逝隨著時間流逝qvBqEqvBqEqvBqE Eq Eq v B最終：最終：電荷不再偏轉電荷不再偏轉qvBqE橫向橫向 霍爾電壓霍爾電壓U大小大小實驗發(fā)現：實驗發(fā)現：BIUkd k

6、霍爾系數霍爾系數 qvBqE理論分析：理論分析：UBbv 力平衡力平衡qEqvB 霍爾電壓霍爾電壓UEb 霍爾電壓霍爾電壓UBbv v 與與 I 的關系的關系?SqI導體內單位體導體內單位體積內電子數積內電子數 nIvnSq IBUnqd UBbv Sbd 導體中的導體中的電流密度電流密度Jnqv 電流強度電流強度IJSnqvS IBUnqd 霍爾系數霍爾系數分析分析IBkd 1knq 霍耳爾數霍耳爾數n：粒子數密度：粒子數密度q：粒子電量：粒子電量 改成薄金箔代替，成功！改成薄金箔代替，成功！未觀察到任何現象未觀察到任何現象1. 為什么一般導體厚度為什么一般導體厚度d都做的很??？都做的很??？

7、IBUnqd 霍耳電壓霍耳電壓1d 答：答：討論：討論：電池電池金屬圓盤金屬圓盤電池電池薄金箔薄金箔 討論：討論：2. 為什么一般都用為什么一般都用半導體半導體來測霍爾電壓？來測霍爾電壓？IBUnqd 霍耳電壓霍耳電壓1n 答：答：半導體半導體金屬金屬 霍爾效應的意義霍爾效應的意義霍爾效應的論文霍爾效應的論文 “論論磁鐵對電流的新作用磁鐵對電流的新作用”開爾文：開爾文： “霍耳的發(fā)現霍耳的發(fā)現可和法拉第相比擬可和法拉第相比擬” 霍爾效應的啟示霍爾效應的啟示英國物理學家洛奇英國物理學家洛奇礙于權威礙于權威，放棄實驗。放棄實驗。尊重科學，尊重科學，實事求是，實事求是，堅韌不拔的精神！堅韌不拔的精神

8、！ 霍耳效應霍耳效應的應用一的應用一：判斷半導體的類型判斷半導體的類型上方電壓高，上方電壓高，載流子帶載流子帶負負電荷，電荷，是是N N 型半導體型半導體下方電壓高，下方電壓高，載流子帶載流子帶正正電荷，電荷， 是是P P 型半導體型半導體 霍爾效應霍爾效應應用二：應用二：磁流體發(fā)電磁流體發(fā)電優(yōu)點：優(yōu)點：發(fā)電高效，節(jié)能環(huán)保發(fā)電高效，節(jié)能環(huán)保 霍爾效應霍爾效應應用三應用三：高斯計高斯計 精確測量磁感應強度的儀器精確測量磁感應強度的儀器UIdBnq 原理：原理：測出測出霍爾電壓霍爾電壓U可知可知磁感應強度磁感應強度BB 霍爾效應霍爾效應應用四應用四：形形色色的霍爾傳感器形形色色的霍爾傳感器原理：原

9、理：UIdBnq B 量子霍爾效應簡介量子霍爾效應簡介金屬金屬 氧化物氧化物 半導體場效應半導體場效應晶體管中霍爾電阻晶體管中霍爾電阻不隨不隨 穩(wěn)定增大，而是出現一系列穩(wěn)定增大，而是出現一系列平臺平臺 . . 19801980年年 T 18 , K 51 B.THRBodkBIURH 霍爾電阻：霍爾電阻：B霍爾電阻率：霍爾電阻率：) 3 2 1(2,iiehH 19851985年，德國的年，德國的 馮馮. .克里芩（克里芩（19431943 ）因此獲諾貝爾物理獎因此獲諾貝爾物理獎 T 20 , K 50 B.T72 54 32 71 51 31,i 19871987年年 分母為偶數分母為偶數

10、的量子霍爾效應的量子霍爾效應 25 i用量子理論才能加以解釋用量子理論才能加以解釋. .19821982年年 美國貝爾實驗室發(fā)現分數量子霍爾效應美國貝爾實驗室發(fā)現分數量子霍爾效應. .19981998年年 勞克林、施特默、崔琦因發(fā)現分數量子霍爾效應和勞克林、施特默、崔琦因發(fā)現分數量子霍爾效應和一種具有分數電荷激發(fā)狀態(tài)的新型量子流體獲諾貝爾物理獎一種具有分數電荷激發(fā)狀態(tài)的新型量子流體獲諾貝爾物理獎勞克林勞克林（美（美.1950.1950）施特默施特默（德（德.1949.1949）崔琦崔琦（華裔美國人（華裔美國人19391939）第第10章章 電磁相互作用電磁相互作用大學大學物理物理54一一 安培

11、力安培力sindddlBSneFvSneIdvsindlBIsinddlBIF l dISB洛倫茲力洛倫茲力BeFdmvmFdvsindmBeFvlIdBlIF dd 安培力安培力 10-2 磁場對電流的作用磁場對電流的作用第第10章章 電磁相互作用電磁相互作用大學大學物理物理55 有限長載流導線所受的安培力有限長載流導線所受的安培力BlIFFllddBlIdFdlIdBFdBlIF dd第第10章章 電磁相互作用電磁相互作用大學大學物理物理56 例例 1 如圖一通有電流如圖一通有電流 的閉合回路的閉合回路放在磁感應強度為放在磁感應強度為 的均勻磁場中，回路的均勻磁場中，回路平面與磁感強度平面

12、與磁感強度 垂直垂直 . 回路由回路由直導線直導線 AB 和半徑為和半徑為 的圓弧導線的圓弧導線 BCA 組成組成 ，電流為順時針方向，電流為順時針方向，求磁場作用于閉合求磁場作用于閉合導線的力導線的力.IBrBABCxyIBor第第10章章 電磁相互作用電磁相互作用大學大學物理物理57根據對稱性分析根據對稱性分析jFF2y202xFjBABIF1解解sindd22y2FFFsindlBIABCxyIBor1F2dF2dF00lIdlId第第10章章 電磁相互作用電磁相互作用大學大學物理物理58002dsinBIrFjABBIjrBIF)cos2(02jABBIF1由于由于ddrl 因因021

13、FFF故故ABCxyIBor1F2dF2dF00lIdlIdd第第10章章 電磁相互作用電磁相互作用大學大學物理物理59BlIF ddsindsinddxlBIFF解解 取一段電流元取一段電流元lId 例例 2 求如圖不求如圖不規(guī)則的平面載流導線規(guī)則的平面載流導線在均勻磁場中所受的在均勻磁場中所受的力，已知力，已知 和和 .BIPxyoIBLcosdcosddylBIFFFdlId第第10章章 電磁相互作用電磁相互作用大學大學物理物理60 結論結論 任意平面載流導線在均勻磁場任意平面載流導線在均勻磁場中所受的力，與其始點和終點相同的載流中所受的力，與其始點和終點相同的載流直導線所受的磁場力相同

14、直導線所受的磁場力相同.jBIlFFyBIlxBIFFl0yydd0dd00 xxyBIFFPxyoIBLFdlId第第10章章 電磁相互作用電磁相互作用大學大學物理物理61 例例 3 半徑為半徑為 載有電流載有電流 的導體圓的導體圓環(huán)與電流為環(huán)與電流為 的長直導線的長直導線 放在同一平放在同一平面內（如圖），直導面內（如圖），直導線與圓心相距為線與圓心相距為 d ，且且 R d 兩者間絕緣兩者間絕緣 ， 求求 作用在圓電流上的作用在圓電流上的磁場力磁場力.1I2IRxyO1IdR2I第第10章章 電磁相互作用電磁相互作用大學大學物理物理62cosd2d210RdRIIFcosd2dd2102

15、RdlIIlBIFddRl 解解cos210RdIBxyO2I1IdRFdlId2.Bd第第10章章 電磁相互作用電磁相互作用大學大學物理物理63xyO2I1IdRFdlId2.Bdcosdcos2cosdd210 xRdRIIFF20 xxdFF)1 (22210RddIIyFdxFd第第10章章 電磁相互作用電磁相互作用大學大學物理物理640d20yyFFxyO2I1IdRFdyFdxFdlId2.Bdcosdsin2sindd210yRdRIIFFiRddIIiFF)1 (22210 x第第10章章 電磁相互作用電磁相互作用大學大學物理物理65二二 磁場作用于載流線圈的磁力矩磁場作用于載

16、流線圈的磁力矩如圖如圖 均勻均勻磁場中有磁場中有一矩形載流線圈一矩形載流線圈MNOP12lNOlMN21BIlF 21FF)(sin13 BIlF43FF041iiFFBMNOPIne3F4F1F2F第第10章章 電磁相互作用電磁相互作用大學大學物理物理66sinBISM nmMISeBPBBeNISMn線圈有線圈有N匝時匝時12lNOlMNsinsin1211lBIllFMne M,N O,PB1F2FBMNOPIne3F4F1F2F第第10章章 電磁相互作用電磁相互作用大學大學物理物理67IB.FF. . . . . . . . . . . . . . . . .FIBmax,2MM BI

17、F0,0M穩(wěn)定平衡穩(wěn)定平衡不不穩(wěn)定平衡穩(wěn)定平衡討討 論論（1） 與與 同向同向Bne（2）方向相反方向相反 （3）方向垂直方向垂直0,M力矩最大力矩最大第第10章章 電磁相互作用電磁相互作用大學大學物理物理68 結論結論: 均勻均勻磁場中，任意形狀磁場中，任意形狀剛剛性閉性閉合合平面平面通電線圈所受的力和力矩為通電線圈所受的力和力矩為0,mFMPB max,/2mmPBMMP B0穩(wěn)定穩(wěn)定平衡平衡非穩(wěn)定非穩(wěn)定平衡平衡/ / ,0mPBM ne與與 成成右右螺旋螺旋InmPNISe 磁矩磁矩第第10章章 電磁相互作用電磁相互作用大學大學物理物理69 例例4 如圖半徑為如圖半徑為0.20 m，電流

18、為，電流為20 A，可繞軸旋轉的圓形載流線圈放在均勻磁場可繞軸旋轉的圓形載流線圈放在均勻磁場中中 ，磁感應強度，磁感應強度的大小為的大小為0.08 T，方向，方向沿沿 x 軸正向軸正向.問問線圈受力情況怎樣？線圈受力情況怎樣？線圈所受的磁力矩又線圈所受的磁力矩又為多少？為多少？IBRyzQJKPox第第10章章 電磁相互作用電磁相互作用大學大學物理物理70PKJJQPN0.64)2(FkkRBIF解解 （方法一）（方法一）把線圈分為把線圈分為JQP和和PKJ兩部分兩部分 IBRyzQJKPOxxd以以 為軸，為軸， 所受磁力矩大小所受磁力矩大小OylIdsindddlBxIFxM第第10章章

19、電磁相互作用電磁相互作用大學大學物理物理71dsind22IBRM 2022dsinIBRM2 RIBM IBRyzQJKPOxxdddsinRlRx，第第10章章 電磁相互作用電磁相互作用大學大學物理物理72IBRyzQJKPOxxdkRIkISm2iBB22mMPBIR BkiIR Bj（方法二）（方法二）第第10章章 電磁相互作用電磁相互作用大學大學物理物理三三 磁力矩的功磁力矩的功1. 載流導線 在磁場中運動時，磁力所做的功 AF xBIl xmI 當載流導線在磁場中運動時，當載流導線在磁場中運動時，若電流保持不變若電流保持不變，磁磁力所做的功等于力所做的功等于電流強度與電流強度與通過回路環(huán)繞面積通過回路環(huán)繞面積內內磁通量增量磁通量增量的乘積。的