電磁相互作用課件

基礎物理學教程電磁學

ch8電相互作用（真空中的靜電場）ch9

靜電場中的導體和電介質

ch10

磁相互作用ch11

恒定磁場和磁介質ch12

電磁感應ch14

電磁場和電磁波

電荷靜電場電荷

電荷磁場電荷基礎物理學教程電磁學ch8電相互作用ch91ch10第十章電磁相互作用電荷

電

電荷物質場物質運動電荷

磁

運動電荷物質場物質內容：描述磁場的基本物理量——磁感應強度電流磁場的基本方程——Biot-savart定律磁場對電流與運動電荷的作用——Lorentz力、Ampere力ch10第十章電磁相互作用電荷2ch10§10-1磁相互作用一、磁學的早期發(fā)展1.古代中國的磁學慈石公元前300-400年，《管子》書中已有磁石和磁石引鐵的記載；公元前179～前122年，漢初劉安的《淮南子·覽冥篇》中有“若以慈石之能連鐵也，而取其引瓦，則難矣……”的記載；公元27～約97，東漢王充的《論衡·亂龍篇》中有“頓牟攝芥，慈石引針……”的記載；公元1044年，北宋曾公亮、丁度等修撰的《武經(jīng)總要》、沈括的《夢溪筆談》都有指南針的描述，并發(fā)現(xiàn)地磁偏角；約于公元1119年，在廣州已有海船利用指南針航海。

ch10§10-1磁相互作用一、磁學的早期發(fā)展1.古代中國3ch102.古代歐洲的磁學公元前500年，古希臘的泰勒斯時期（亞里士多德轉述）；16世紀英國科學家吉爾伯特開始對磁學進行系統(tǒng)研究，其著作為《論磁體》；1785年法國物理學家?guī)靵鲇诖_立了靜電荷間相互作用力的規(guī)律──庫侖定律之后，又對磁極進行了類似的實驗而證明：同樣的定律也適用于磁極之間的相互作用。1820年丹麥物理學家奧斯特發(fā)現(xiàn)一條通過電流的導線會使其近處靜懸著的磁針偏轉，顯示出電流在其周圍的空間產(chǎn)生了磁場，這是證明電和磁現(xiàn)象密切結合的第一個實驗結果ch102.古代歐洲的磁學公元前500年，古希臘的泰勒斯時期4二、描述磁場的量HendrikAntoonLorentz(1853-1928)洛侖茲從電子論推導出運動電荷在磁場中要受到力的作用洛倫茲力qBvF洛侖茲力不作功三、磁場的性質-洛倫茲力單位：Tch10磁感應強度磁場強度二、描述磁場的量HendrikAntoonLorentz5ch10四、霍爾效應1.霍爾效應及其解釋將一導電板放在垂直于板面的磁場中，當有電流通過時，在導電板的A和A'兩側會產(chǎn)生一個電勢差UAA',這種現(xiàn)象是霍耳在1879年發(fā)現(xiàn)的，稱為霍耳效應。

設載流子是電子uFEqE

設載流子是空穴uFEqEch10四、霍爾效應1.霍爾效應及其解釋將一導電板放在垂直6ch102.關于霍爾系數(shù)的兩個結論霍耳系數(shù)K與載流子濃度n成反比

霍耳系數(shù)K的正負取決于載流子電荷q的正負3.霍爾效應的應用測材料參數(shù)測磁場ch102.關于霍爾系數(shù)的兩個結論霍耳系數(shù)K與載流子濃度n7量子霍爾效應長時期以來，霍爾效應是在室溫和中等強度磁場條件下進行實驗的。1980年，德國物理學家克利青(KlausvonKlitzing)發(fā)現(xiàn)在低溫條件下半導體硅的霍爾效應不是常規(guī)的那種直線，而是隨著磁場強度呈跳躍性的變化，這種跳躍的階梯大小由被整數(shù)除的基本物理常數(shù)所決定。這在后來被稱為整數(shù)量子霍爾效應。由于這個發(fā)現(xiàn)，克利青在1985年獲得了諾貝爾物理獎。ch10量子霍爾效應長時期以來，霍爾效應是在室溫和中等8分數(shù)量子霍爾效應1982年上半年，崔琦和德籍物理學家斯托爾默利用半導體砷化鎵和砷鋁化鎵進行霍爾效應試驗。他們實驗的溫度更低，磁場強度更大。他們將兩種截然不同的半導體晶片像“三明治”那樣夾在一起，一面是砷化鎵，一面是砷鋁化鎵。他們發(fā)現(xiàn)電子就在這兩個半導體之間的界面上聚集；接著他們使這一界面溫度降低到僅比絕對零度高十分之一攝氏度（約－273℃）的超低溫環(huán)境中，然后加以相當于地球磁場強度100萬倍的超強磁場。他們驚奇地發(fā)現(xiàn)，在這種條件下半導體界面上的霍爾效應的跳躍性比克利青發(fā)現(xiàn)的要高出3倍，后來又發(fā)現(xiàn)了更高的和在與整數(shù)相對應的階梯之間存在著更多的階梯，其高度可用分數(shù)除之，就好像過去認為不可分的電子而今可分裂成帶分數(shù)電荷的新粒子一樣，當磁場撤消后這些新粒子又回到原先的整體狀態(tài)，這種反常的效應就是所謂分數(shù)量子霍爾效應。勞克林提出了理論解釋。他指出，在量子霍爾效應情形下，電子體系凝聚成了某種新型的量子流體。因此，他們共同獲得1998年的諾貝爾物理學獎.ch10分數(shù)量子霍爾效應1982年上半年，崔琦和德籍物理學家9ch10§10-3磁場和電流一、恒定電流-電流和電流密度SI1.電流的大小——電流強度單位時間內通過導體任一截面的電量規(guī)定為電流的大小

單位：庫侖/秒=安培2.電流密度引入的必要性定義方向：代表該點電流的方向（正電荷的運動方向）

ch10§10-3磁場和電流一、恒定電流-電流和電流密度S10ch10大?。簡挝粫r間里通過單位垂直截面的電量(A/m2)

電流線

電流密度與電流強度的關系jdS0jdSen曲面S的電流強度I是電流密度j對該曲面的通量ch10大?。簡挝粫r間里通過單位垂直截面的電量(A/m11ch10二、安培定律和畢奧－薩伐爾定律1.奧斯特的發(fā)現(xiàn)HansChristianOersted

(1777~1851)2.安培定律安培在1820年9月發(fā)現(xiàn)兩根通電流的導線之間也存在相互作用力，并于同年12月發(fā)表了這種相互作用力的定量公式——安培定律.奧斯特在康德的哲學引導下,堅信電力和磁力有著共同的根源。1820年4月他觀察到通電導線擾動磁針的現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應,從而徹底否定了那種不正確的觀點。論文在7月21日發(fā)表后在歐洲引起了很大反響。André-MarieAmpère（1775~1836）ch10二、安培定律和畢奧－薩伐爾定律1.奧斯特的發(fā)現(xiàn)Ha12ch10安培定律在磁場中任一點P處的電流元Idl所受到的磁場作用力dF可表示為安培力洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)整個閉合回路所受到的安培力就是各電流元所受到的安培力的矢量和ch10安培定律在磁場中任一點P處的電流元Idl所受到的磁場13ch103.畢奧－薩伐爾定律載流回路的任一電流元Idl，在空間任意一點P處所產(chǎn)生的磁感應強度dB可表示為μ0

：真空磁導率1820年，法國物理學家畢奧和薩伐爾,通過實驗測量了長直電流線附近小磁針的受力規(guī)律,發(fā)表了題為“運動中的電傳遞給金屬的磁化力”的論文，后來人們稱之為畢奧--薩伐爾定律.稍后，在數(shù)學家拉普拉斯的幫助下，以數(shù)學公式表示出這一定律。ch103.畢奧－薩伐爾定律載流回路的任一電流元Idl，在14ch10利用疊加原理，對上式進行積分，便可求出任意形狀的載流導線所產(chǎn)生的磁感應強度，即ch10利用疊加原理，對上式進行積分，便可求出任意形狀的載流15ch10利用畢奧－薩伐爾定律解題的步驟:

選取合適的電流元

寫出電流元產(chǎn)生的磁感應強度——根據(jù)畢奧－薩伐爾定律；

選取合適的坐標系——要根據(jù)電流的分布與磁場分布的的特點來選取坐標系，其目的是要使數(shù)學運算簡單；

計算磁感應強度的分布——疊加原理；

一般說來，需要將磁感應強度的矢量積分變?yōu)闃肆糠e分，并選取合適的積分變量，來統(tǒng)一積分變量。ch10利用畢奧－薩伐爾定律解題的步驟:16ch10[例題10.4]

載流直導線的磁場各電流元產(chǎn)生的磁場方向一致矢量變標量疊加原理ch10[例題10.4]載流直導線的磁場各電流元產(chǎn)生的磁17ch10討論：對于無限長直導線Brch10討論：Br18ch10[例題10.5]載流圓線圈軸線上的磁場各電流元產(chǎn)生的磁場在垂直于z軸方向相互抵消矢量變標量疊加原理對總磁場有貢獻的ch10[例題10.5]載流圓線圈軸線上的磁場各電流元產(chǎn)生19ch10討論：（1）當r0＝0時（2）當r0＝∞時此結果與電偶極子產(chǎn)生電場的公式類似故亦稱載流圓線圈為磁偶極子并類比于電偶極矩引入磁矩ench10討論：（2）當r0＝∞時此結果與電偶極子產(chǎn)生電場的公20ch10[例題10.8]磁場對平面載流線圈的作用

分析線圈受力－力偶合力矩可見，均勻磁場不會使線圈（磁偶極子）發(fā)生平動，磁力矩總是使線圈的磁矩轉到和外磁場一致的方向上來ch10[例題10.8]磁場對平面載流線圈的作用分析線圈受21ch10第十章小結掌握運動電荷產(chǎn)生磁場的畢奧－薩伐爾定律，并學會利用疊加原理求磁場分布的一般方法。掌握磁場對運動電荷產(chǎn)生的洛倫茲力及其宏觀表現(xiàn)安培力。運動電荷

磁場運動電荷ch10運動電荷磁場運動電荷22ch10理解霍爾效應的現(xiàn)象及機理ch1023本章習題：10-1，2，6，13，19ch10本章習題：10-1，2，6，13，19ch1024基礎物理學教程電磁學

ch8電相互作用（真空中的靜電場）ch9

靜電場中的導體和電介質

ch10

磁相互作用ch11

恒定磁場和磁介質ch12

電磁感應ch14

電磁場和電磁波

電荷靜電場電荷

電荷磁場電荷基礎物理學教程電磁學ch8電相互作用ch925ch10第十章電磁相互作用電荷

電

電荷物質場物質運動電荷

磁

運動電荷物質場物質內容：描述磁場的基本物理量——磁感應強度電流磁場的基本方程——Biot-savart定律磁場對電流與運動電荷的作用——Lorentz力、Ampere力ch10第十章電磁相互作用電荷26ch10§10-1磁相互作用一、磁學的早期發(fā)展1.古代中國的磁學慈石公元前300-400年，《管子》書中已有磁石和磁石引鐵的記載；公元前179～前122年，漢初劉安的《淮南子·覽冥篇》中有“若以慈石之能連鐵也，而取其引瓦，則難矣……”的記載；公元27～約97，東漢王充的《論衡·亂龍篇》中有“頓牟攝芥，慈石引針……”的記載；公元1044年，北宋曾公亮、丁度等修撰的《武經(jīng)總要》、沈括的《夢溪筆談》都有指南針的描述，并發(fā)現(xiàn)地磁偏角；約于公元1119年，在廣州已有海船利用指南針航海。

ch10§10-1磁相互作用一、磁學的早期發(fā)展1.古代中國27ch102.古代歐洲的磁學公元前500年，古希臘的泰勒斯時期（亞里士多德轉述）；16世紀英國科學家吉爾伯特開始對磁學進行系統(tǒng)研究，其著作為《論磁體》；1785年法國物理學家?guī)靵鲇诖_立了靜電荷間相互作用力的規(guī)律──庫侖定律之后，又對磁極進行了類似的實驗而證明：同樣的定律也適用于磁極之間的相互作用。1820年丹麥物理學家奧斯特發(fā)現(xiàn)一條通過電流的導線會使其近處靜懸著的磁針偏轉，顯示出電流在其周圍的空間產(chǎn)生了磁場，這是證明電和磁現(xiàn)象密切結合的第一個實驗結果ch102.古代歐洲的磁學公元前500年，古希臘的泰勒斯時期28二、描述磁場的量HendrikAntoonLorentz(1853-1928)洛侖茲從電子論推導出運動電荷在磁場中要受到力的作用洛倫茲力qBvF洛侖茲力不作功三、磁場的性質-洛倫茲力單位：Tch10磁感應強度磁場強度二、描述磁場的量HendrikAntoonLorentz29ch10四、霍爾效應1.霍爾效應及其解釋將一導電板放在垂直于板面的磁場中，當有電流通過時，在導電板的A和A'兩側會產(chǎn)生一個電勢差UAA',這種現(xiàn)象是霍耳在1879年發(fā)現(xiàn)的，稱為霍耳效應。

設載流子是電子uFEqE

設載流子是空穴uFEqEch10四、霍爾效應1.霍爾效應及其解釋將一導電板放在垂直30ch102.關于霍爾系數(shù)的兩個結論霍耳系數(shù)K與載流子濃度n成反比

霍耳系數(shù)K的正負取決于載流子電荷q的正負3.霍爾效應的應用測材料參數(shù)測磁場ch102.關于霍爾系數(shù)的兩個結論霍耳系數(shù)K與載流子濃度n31量子霍爾效應長時期以來，霍爾效應是在室溫和中等強度磁場條件下進行實驗的。1980年，德國物理學家克利青(KlausvonKlitzing)發(fā)現(xiàn)在低溫條件下半導體硅的霍爾效應不是常規(guī)的那種直線，而是隨著磁場強度呈跳躍性的變化，這種跳躍的階梯大小由被整數(shù)除的基本物理常數(shù)所決定。這在后來被稱為整數(shù)量子霍爾效應。由于這個發(fā)現(xiàn)，克利青在1985年獲得了諾貝爾物理獎。ch10量子霍爾效應長時期以來，霍爾效應是在室溫和中等32分數(shù)量子霍爾效應1982年上半年，崔琦和德籍物理學家斯托爾默利用半導體砷化鎵和砷鋁化鎵進行霍爾效應試驗。他們實驗的溫度更低，磁場強度更大。他們將兩種截然不同的半導體晶片像“三明治”那樣夾在一起，一面是砷化鎵，一面是砷鋁化鎵。他們發(fā)現(xiàn)電子就在這兩個半導體之間的界面上聚集；接著他們使這一界面溫度降低到僅比絕對零度高十分之一攝氏度（約－273℃）的超低溫環(huán)境中，然后加以相當于地球磁場強度100萬倍的超強磁場。他們驚奇地發(fā)現(xiàn)，在這種條件下半導體界面上的霍爾效應的跳躍性比克利青發(fā)現(xiàn)的要高出3倍，后來又發(fā)現(xiàn)了更高的和在與整數(shù)相對應的階梯之間存在著更多的階梯，其高度可用分數(shù)除之，就好像過去認為不可分的電子而今可分裂成帶分數(shù)電荷的新粒子一樣，當磁場撤消后這些新粒子又回到原先的整體狀態(tài)，這種反常的效應就是所謂分數(shù)量子霍爾效應。勞克林提出了理論解釋。他指出，在量子霍爾效應情形下，電子體系凝聚成了某種新型的量子流體。因此，他們共同獲得1998年的諾貝爾物理學獎.ch10分數(shù)量子霍爾效應1982年上半年，崔琦和德籍物理學家33ch10§10-3磁場和電流一、恒定電流-電流和電流密度SI1.電流的大小——電流強度單位時間內通過導體任一截面的電量規(guī)定為電流的大小

單位：庫侖/秒=安培2.電流密度引入的必要性定義方向：代表該點電流的方向（正電荷的運動方向）

ch10§10-3磁場和電流一、恒定電流-電流和電流密度S34ch10大?。簡挝粫r間里通過單位垂直截面的電量(A/m2)

電流線

電流密度與電流強度的關系jdS0jdSen曲面S的電流強度I是電流密度j對該曲面的通量ch10大?。簡挝粫r間里通過單位垂直截面的電量(A/m35ch10二、安培定律和畢奧－薩伐爾定律1.奧斯特的發(fā)現(xiàn)HansChristianOersted

(1777~1851)2.安培定律安培在1820年9月發(fā)現(xiàn)兩根通電流的導線之間也存在相互作用力，并于同年12月發(fā)表了這種相互作用力的定量公式——安培定律.奧斯特在康德的哲學引導下,堅信電力和磁力有著共同的根源。1820年4月他觀察到通電導線擾動磁針的現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應,從而徹底否定了那種不正確的觀點。論文在7月21日發(fā)表后在歐洲引起了很大反響。André-MarieAmpère（1775~1836）ch10二、安培定律和畢奧－薩伐爾定律1.奧斯特的發(fā)現(xiàn)Ha36ch10安培定律在磁場中任一點P處的電流元Idl所受到的磁場作用力dF可表示為安培力洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)整個閉合回路所受到的安培力就是各電流元所受到的安培力的矢量和ch10安培定律在磁場中任一點P處的電流元Idl所受到的磁場37ch103.畢奧－薩伐爾定律載流回路的任一電流元Idl，在空間任意一點P處所產(chǎn)生的磁感應強度dB可表示為μ0

：真空磁導率1820年，法國物理學家畢奧和薩伐爾,通過實驗測量了長直電流線附近小磁針的受力規(guī)律,發(fā)表了題為“運動中的電傳遞給金屬的磁化力”的論文，后來人們稱之為畢奧--薩伐爾定律.稍后，在數(shù)學家拉普拉斯的幫助下，以數(shù)學公式表示出這一定律。ch103.畢奧－薩伐爾定律載流回路的任一電流元Idl，在38ch10利用疊加原理，對上式進行積分，便可求出任意形狀的載流導線所產(chǎn)生的磁感應強度，即ch10利用疊加原理，對上式進行積分，便可求出任意形狀的載流39ch10利用畢奧－薩伐爾定律解題的步驟:

選取合適的電流元

寫出電流元產(chǎn)生的磁感應強度——根據(jù)畢奧－薩伐爾定律；

選取合適的坐標系——