清华大学大学物理——磁力自学总结.pptx

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1、目目 录录1【演示实验】磁体磁体、磁体电流、电流电流存在磁力，洛仑兹力7.1-7.5 总结总结一、演示实验一、演示实验二、带电粒子在磁场中的运动三、安培力公式四、磁场中的磁矩7.6 磁场是哪里来的？磁场是哪里来的？一、电场和磁场的相对论变换一、电场和磁场的相对论变换二、匀速运动点电荷的磁场二、匀速运动点电荷的磁场（8.2,教材教材P252）第1页/共30页2一、演示实验一、演示实验导线中：定向运动的电荷磁体磁体磁体磁体磁体磁体电流电流电流电流电流电流 存在磁力存在磁力磁体中：分子电流磁力是运动电荷间的相互作用。磁力是运动电荷间的相互作用。7.1-7.5 第2页/共30页3静静动动EqFrr=E

2、qFrr=EqFrr=源源电电荷荷：定义磁场：定义磁场洛仑兹力第3页/共30页4一些典型的磁感应线的分布：一些典型的磁感应线的分布：直线电流的磁感线直线电流的磁感线圆形电流的磁感线圆形电流的磁感线第4页/共30页5直螺线管电流的磁感线环形螺线管电流的磁感线第5页/共30页6回旋加速器（1939年）电子显微镜（1986年）量子霍尔效应（1985年）分数量子霍尔效应（1998年）n四个诺贝尔物理奖：四个诺贝尔物理奖：二、带电粒子在磁场中的运动 因为电磁学方程是洛仑兹协变的，所以洛仑兹力满足力的相对论变换。n洛仑兹力第6页/共30页71、回旋加速器（cyclotron）q mvfRB 电子回旋周期与

3、速度无关，所以带电粒子每次经过缝隙（电场区域）均被加速。BBD形金属空腔形金属空腔带电粒子带电粒子第7页/共30页82、磁聚焦电子显微镜螺距：螺距：（匀速运动）（匀速运动）（圆周运动）（圆周运动）螺旋线带电粒子每回旋一周所前进的距离d与v无关。带电粒子第8页/共30页9螺距：螺距：均匀磁场中螺距相同的电子被聚焦：均匀磁场中螺距相同的电子被聚焦：实际中用得更多的是短线圈产生的非均匀磁场的磁聚焦作用，这种线圈通常称为磁透镜，它在电子显微镜中起了与光学仪器中的透镜类似的作用。第9页/共30页103、磁约束n横向磁约束：磁磁场场越越强强，半半径径越越小小。在在强强磁磁场场中中，带带电电粒粒子子被被约约

4、束束在在一一根根磁磁感感应应线线附附近近很很小小范范围内，只能沿磁感应线作纵向运动。围内，只能沿磁感应线作纵向运动。受控热核反应等离子体磁约束第10页/共30页11n纵向磁约束：带电粒子会像光在两面镜子间来回反射那样，被限制在两磁镜之间的范围内。磁场由弱到强的配置称为磁镜。磁镜磁镜带电粒子第11页/共30页12 在地磁两极附近，由于磁感线与地面垂直，外层空在地磁两极附近，由于磁感线与地面垂直，外层空间入射的带电粒子可直接射入高空大气层内，它们和间入射的带电粒子可直接射入高空大气层内，它们和空气分子的碰撞产生的辐射就形成了极光。空气分子的碰撞产生的辐射就形成了极光。绚丽多彩的极光绚丽多彩的极光第

5、12页/共30页134、霍尔（Hall）效应在霍尔效应中，霍尔电阻与 B 成正比。IBbdv+qf+-UH霍尔电阻：霍尔电压第13页/共30页14霍尔器件：检测载流子、测弱磁场等。【思考思考】载流子换成电子，载流子换成电子，UH的方向？的方向？IBv-e+-f与正载流子情况相比，UH反向！第14页/共30页15克利青(Klitzing)（1980）用电场使电子局限于半导体表面，形成二维用电场使电子局限于半导体表面，形成二维电子气电子气。低温（低温（K），），强磁场强磁场（10T）霍尔电阻量子化：5、量子霍尔效应（1985Nobel Prize）第15页/共30页量子霍尔效应曲线量子霍尔效应曲线

6、16BRH234经典霍经典霍尔电阻尔电阻第16页/共30页m磁磁场场变变化化时时霍霍尔尔电电阻以台阶形式变化阻以台阶形式变化m台台阶阶高高度度等等于于物物理理常常数数h/e2 除除以以整整数数n。h/e2 25k。m下下面面带带峰峰的的曲曲线线表表示示欧欧姆姆电电阻阻，在在每每个个平台处趋于消失平台处趋于消失。17234量子霍尔效应第17页/共30页181/32/513 20.1K分数量子霍尔效应 崔琦和施特默1982 1998Nobel Prize第18页/共30页191998年诺贝尔物理学奖获得者之崔琦美籍华人Daniel C.Tsui1939 生于河南分数量子霍尔效应第19页/共30页2

7、0载流导线元在磁场中受的力 安培力证明：三、安培力Sn,q第20页/共30页21粒子的磁矩：粒子的磁矩：轨道磁矩轨道磁矩+自旋磁矩自旋磁矩1、磁矩：I2、磁矩在磁场中所受力矩I3、磁矩在磁场中的势能当当 pm 和和 B 垂直时取为零。垂直时取为零。四、磁场中的磁矩第21页/共30页224、非均匀磁场中的磁矩所受、非均匀磁场中的磁矩所受合力不为零合力不为零 基态银原子的电子球对称分布基态银原子的电子球对称分布:轨道磁矩轨道磁矩0射线偏转，证实电子具有射线偏转，证实电子具有自旋磁矩！自旋磁矩！不均匀磁场不均匀磁场s1s2SPN基态银原子斯特恩盖拉赫实验（斯特恩盖拉赫实验（1921）射线偏转第22页

8、/共30页23银原子束通过非均匀银原子束通过非均匀磁场后，分裂成两束磁场后，分裂成两束斯特恩正在观测斯特恩正在观测电子具有自旋磁矩电子具有自旋角动量自旋是相对论的量子力学效应，无经典对应。第23页/共30页247.6 磁场是哪来的？（教材磁场是哪来的？（教材 P212）一、电场和磁场的相对论变换一、电场和磁场的相对论变换xuSSxzzE,BE,B设S系某地点的电场和磁场分别为 和 ，求S系该地点的电场 和磁场？由洛仑兹力和速度的相对论变换得的相对论变换。如何求：第24页/共30页25S系系 S系的变换系的变换S系系 S系的变换系的变换其中第25页/共30页26S 系：系：E(运动电荷的电场运动

9、电荷的电场)，B=?二、匀速运动点电荷的磁场二、匀速运动点电荷的磁场（8.2,教材教材P252）S系系(电荷系电荷系)：E(静电场静电场)，B0 电场和磁场不是互相独立的，它们一起构成了一个统一的实体电磁场。EBv+qS系系S系第26页/共30页27纵向电场不变，横向电场增加到纵向电场不变，横向电场增加到 倍。倍。因 ，则有：匀速运动点电荷的磁场匀速运动点电荷的磁场（注意 ）第27页/共30页28q其中匀速运动点电荷的磁场：若v c，注意到 c2=1/(00)第28页/共30页29【例例】两两电电子子以以相相同同速速度度并并排排运运动动，求求它它们们之之间的作用力。间的作用力。电子e1受e2的作用力：第29页/共30页30感谢您的观看！第30页/共30页