1、階段階段2考試統計考試統計班級班級100-90 89-80 79-7069-6060以下以下 請假請假 平均分平均分電氣電氣57194230088.39電氣電氣58176501089.17電氣電氣59163252086.68電氣電氣510225000094.67電氣電氣511145341184.59電氣電氣512205101092.18大班大班1082813125189.26一、洛倫茲力一、洛倫茲力 實驗結果實驗結果qBvfsin,vBqf sinBqfv9-6 帶電粒子在磁場中的運動帶電粒子在磁場中的運動Bqfm v以速度以速度v運動的單個帶電量運動的單個帶電量q的粒子在磁場中受到的磁場力的

2、粒子在磁場中受到的磁場力f 安培力與洛倫茲力的關系安培力與洛倫茲力的關系fBqNF vddBlIF ddBlnsqdvBNqvdldIqSv安培力是大量帶電粒子洛倫茲力的疊加安培力是大量帶電粒子洛倫茲力的疊加(1) 洛倫茲力始終與電荷運動方向垂直，故洛倫茲力始終與電荷運動方向垂直，故說明說明對電荷不作功對電荷不作功f(2) 在一般情況下，空間中電場和磁場同時存在時，帶電在一般情況下，空間中電場和磁場同時存在時，帶電 粒子所受的力為粒子所受的力為meffFBqEqvtp d/d(3) 為負時，為負時，f反向反向q只改變粒子的方向，而不改變它的速率和動能只改變粒子的方向，而不改變它的速率和動能例：

3、例：vmfvmfqvmfvmf二、帶電粒子在均勻磁場中的運動二、帶電粒子在均勻磁場中的運動 Bv情況情況Bqfm v帶電粒子的運動帶電粒子的運動不不受磁場影響受磁場影響0 BvBfqRmBq22sinvvqBmRv情況情況vORvRT2mqB2 R 與與 成正比成正比vT 與與 無關無關vqBm2它是它是磁聚焦磁聚焦, 回旋加速器回旋加速器的基本理論依據的基本理論依據討論：討論：(1) 如何觀察粒子的軌跡？如何觀察粒子的軌跡？(2) 確定粒子的速度和能量。確定粒子的速度和能量。(3) 判別粒子所帶電荷的正負。判別粒子所帶電荷的正負。qBmRv221vmW 過飽和蒸汽過飽和蒸汽不穩定狀態不穩定狀

4、態過熱液體過熱液體根據根據來判斷來判斷Bqfm v帶電粒子帶電粒子vqqB根據宇宙射線轟擊根據宇宙射線轟擊鉛板所產生的粒子鉛板所產生的粒子軌跡軌跡, 發現了正電發現了正電子。子。(4) 回旋加速器回旋加速器 帶電粒子帶電粒子利用利用qBmT2高頻交流電壓高頻交流電壓+-+- +實際上實際上中間很中間很窄窄eFvfeFmBRqmaxv相對論效應相對論效應回旋加速器回旋加速器 一般情況一般情況 B/vvhcos/vv sinvv帶電粒子作螺旋運動帶電粒子作螺旋運動v粒子的速度粒子的速度 與與 斜交成斜交成 角角vB若只有若只有 分速度分速度v則粒子在垂直于則粒子在垂直于 的平面內作勻速圓周運動。的

5、平面內作勻速圓周運動。B若只有若只有 分速度分速度/v磁場對帶電粒子沒有作用力，磁場對帶電粒子沒有作用力，的方向作勻速直線運動。的方向作勻速直線運動。B粒子將沿平行于粒子將沿平行于RvRT2qBm2qBmqBmRsinvvTh/v磁聚焦原理磁聚焦原理 B粒子粒子源源Avv /vv當當 很小時很小時qBmThvv2/接收接收器器 A/即：當帶電粒子束發散角不太大時，若帶電粒子的速度即：當帶電粒子束發散角不太大時，若帶電粒子的速度 又大致相同，又大致相同，應用：應用：重新會聚。重新會聚。qBm cos2v因其軌跡有幾乎因其軌跡有幾乎相同的螺距，相同的螺距，粒子束經過一個回旋周期后，粒子束經過一個回

6、旋周期后，則帶電則帶電它廣泛應用于真空器件中，特別是電子顯微鏡中它廣泛應用于真空器件中，特別是電子顯微鏡中觀測儀器的分辨本領觀測儀器的分辨本領 22. 1DR 電子波波長電子波波長光波波長光波波長電子顯微鏡分辨率電子顯微鏡分辨率遠大于遠大于光學顯微鏡分辨率光學顯微鏡分辨率電子顯微鏡工作原理圖電子顯微鏡工作原理圖物體物體光源光源聚光透鏡聚光透鏡物鏡物鏡目鏡目鏡光學顯微鏡光學顯微鏡照相底片照相底片聚焦磁場聚焦磁場電子源電子源接物磁場接物磁場投影磁場投影磁場電子顯微鏡電子顯微鏡透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡 掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡 磁約束原理磁約束原理 在非均勻磁場中，速度方向與磁場方向不同的帶

7、電粒子，在非均勻磁場中，速度方向與磁場方向不同的帶電粒子，也要作螺旋運動，但半徑和螺距都將也要作螺旋運動，但半徑和螺距都將不斷不斷發生發生變化變化qBmqBmRsinvv磁場增強，運動半徑減少磁場增強，運動半徑減少 強磁場可約束帶電粒子在一根磁場線附近的很小范圍內強磁場可約束帶電粒子在一根磁場線附近的很小范圍內作螺旋運動作螺旋運動三、帶電粒子在非均勻磁場中的運動三、帶電粒子在非均勻磁場中的運動 橫向磁約束橫向磁約束能約束縛帶電粒子運動的磁場的作用效應能約束縛帶電粒子運動的磁場的作用效應 磁約束磁約束qBmh cos2vqBmqBmRsinvv縱向磁約束縱向磁約束 減少粒子的縱向前進速度，減少粒

8、子的縱向前進速度，使粒子運動發生使粒子運動發生“反射反射” 磁鏡效應磁鏡效應-縱向磁約束縱向磁約束BF/FFeFFF/Fv磁鏡磁鏡高溫等離子體高溫等離子體u磁鏡效應的典型應用磁鏡效應的典型應用受控熱核聚變實驗研究受控熱核聚變實驗研究將帶電粒子約束在一定將帶電粒子約束在一定范圍內作往返運動而無范圍內作往返運動而無法逃逸出去法逃逸出去 磁瓶磁瓶線圈線圈線圈線圈B)(2122/vvmEkC 地球的磁約束效應地球的磁約束效應 天然磁瓶天然磁瓶極光極光av四、霍爾效應四、霍爾效應1879年年, 霍耳發現：在一個通有電流的導體霍耳發現：在一個通有電流的導體(或半導體或半導體)板上，板上，若垂直于板面施加一

9、磁場，則在與電流和磁場都垂直的方若垂直于板面施加一磁場，則在與電流和磁場都垂直的方向上，板面兩側會出現微弱電勢差向上，板面兩側會出現微弱電勢差 霍爾效應霍爾效應(1) 裝置裝置ldIBb實驗結果實驗結果dIBKUab(2) 原理原理emfBqf vEEEE橫向電場阻礙電子的偏轉橫向電場阻礙電子的偏轉洛倫茲力使洛倫茲力使電子偏轉電子偏轉0)(BeEev當達到動態平衡時：當達到動態平衡時：dnqvlnqdIBUabnqK1BEvElUabBlv霍耳系數霍耳系數SnqIv討論：討論：(1) 通過測量霍爾系數可以確定導電體中載流子濃度通過測量霍爾系數可以確定導電體中載流子濃度研究半導體材料性質的有效方

10、法（濃度隨雜質、溫度等研究半導體材料性質的有效方法（濃度隨雜質、溫度等變化）變化）(2) 區分半導體材料區分半導體材料 霍爾系數的正負與載流子電荷性質有關霍爾系數的正負與載流子電荷性質有關nqdIBUabB+abbauu ab+bauu 0K0KIIvqN 型半導體型半導體P 型半導體型半導體vqBmfmfEE(3) 霍爾效應原理的應用霍爾效應原理的應用 磁流體發電磁流體發電高溫導高溫導電氣體電氣體B沒有機械轉動部分造成的沒有機械轉動部分造成的能量損耗能量損耗可提高效率可提高效率, ,無污染無污染, ,起動快起動快特點：特點：AmVUGBmAIcmccmbcmaAA55. 630000 . 1

11、0 . 135. 010. 0(1) 該半導體是該半導體是p 型，型，n 型型(2) 載流子的濃度載流子的濃度 n解：解：求：求：例：例：IabcBA(1)0AAAAUUUA所以該半導體是所以該半導體是n 型型A 面上積聚面上積聚正正電荷電荷面上積聚面上積聚負負電荷電荷(2)nqaIBU 320/1086. 2mn個nqdIBU 一、磁介質及其分類一、磁介質及其分類1. 磁介質磁介質 放入磁場中能夠顯示磁性的物質放入磁場中能夠顯示磁性的物質 0E0EEE電介質放入外場電介質放入外場0EE磁介質放入外場磁介質放入外場0BrBB0r 相對磁導率相對磁導率 反映磁介質對原場的影響程度反映磁介質對原場

12、的影響程度 9-7 物質的磁性物質的磁性抗磁質抗磁質在外磁場中，呈現很弱的磁性的物質。在外磁場中，呈現很弱的磁性的物質。這類磁介質磁化后，磁介質中的磁場稍有減弱這類磁介質磁化后，磁介質中的磁場稍有減弱,即磁化后產生了與外磁場反方向的微弱的附加磁場。即磁化后產生了與外磁場反方向的微弱的附加磁場。鐵磁質鐵磁質在外磁場中呈現很強的磁性在外磁場中呈現很強的磁性.這類磁介質磁化后，磁介質中的磁場顯著增強這類磁介質磁化后，磁介質中的磁場顯著增強,即磁化后產生了與外磁場同方向的很強的附加磁場。即磁化后產生了與外磁場同方向的很強的附加磁場。如：鐵，鈷，鎳及其合金等如：鐵，鈷，鎳及其合金等如：如： 鋅、銅、水銀

13、、鉛等鋅、銅、水銀、鉛等2. 磁介質的分類磁介質的分類順磁質順磁質在磁場中呈現很弱的磁性。在磁場中呈現很弱的磁性。這類磁介質磁化后，磁介質中的磁場稍有增加這類磁介質磁化后，磁介質中的磁場稍有增加,即磁化后產生了與外磁場同方向的微弱的附加磁場。即磁化后產生了與外磁場同方向的微弱的附加磁場。如：錳、鉻、鉑、氧等如：錳、鉻、鉑、氧等則有：則有：B抗磁質抗磁質鐵磁質鐵磁質順磁質順磁質0BB與與方向相同，方向相同，B很小，很小，所以：所以：略大于略大于0BB0BB與與方向相反，方向相反，B很小，很小，所以：所以：略小于略小于0BB0BB與與方向相同，方向相同，B很大，很大，遠大于遠大于0B所以：所以：3

14、. 有磁介質存在時的磁場有磁介質存在時的磁場0BBB順磁質順磁質抗磁質抗磁質1r減弱原場減弱原場0BB 1r增強原場增強原場0BB 弱弱磁磁性性物物質質順磁質和抗磁質的相對磁導率都非常接近于順磁質和抗磁質的相對磁導率都非常接近于1。即。即鐵磁質鐵磁質)1010(421r通常不是常數通常不是常數具有顯著的增強原磁場的性質具有顯著的增強原磁場的性質強磁性物質強磁性物質1r4. 磁導率磁導率0BBr在磁介質均勻充滿的條件下在磁介質均勻充滿的條件下0BBr二、磁化機理二、磁化機理原子中電子的軌道磁矩原子中電子的軌道磁矩1. 安培分子環流的概念和方法安培分子環流的概念和方法LmePm2電子的自旋磁矩電子

15、的自旋磁矩SmePs電子自旋磁矩電子自旋磁矩與軌道磁矩有與軌道磁矩有相同的數量級相同的數量級分子固有磁矩分子固有磁矩 所有電子磁矩的總和所有電子磁矩的總和()mmisiPPP抗磁質抗磁質0mP對外不顯磁性對外不顯磁性(1)無外磁場作用時無外磁場作用時2. 磁化機理磁化機理0mP(2)有外磁場作用時有外磁場作用時01順磁質順磁質分子的固有磁矩分子的固有磁矩mP受力矩受力矩BPMm的作用，的作用，使分子的固有磁矩使分子的固有磁矩趨于外磁場方向趨于外磁場方向排列。但由于分子熱運動的影響，各分子排列。但由于分子熱運動的影響，各分子固有磁矩的取向不可能完全整齊，不過外固有磁矩的取向不可能完全整齊，不過外

16、磁場越強，排列越整齊。磁場越強，排列越整齊。正是由于這種取向排列使得原磁場得到加強，正是由于這種取向排列使得原磁場得到加強，但這種加強很小。但這種加強很小。順磁質順磁質0mP由于熱運動，對外也不顯磁性由于熱運動，對外也不顯磁性02抗磁質抗磁質它的分子沒有固有磁矩，為什么也能受磁場它的分子沒有固有磁矩，為什么也能受磁場的影響？的影響？這是由于抗磁質在外磁場的作用這是由于抗磁質在外磁場的作用下產生下產生“感應感應”磁矩磁矩的緣故。的緣故。evmPr0BffomP電子軌道半徑不變電子軌道半徑不變)(mPmP當外場方向與原子磁矩反方向時當外場方向與原子磁矩反方向時emPr0BfomPfmP)(mP當外

17、場方向與原子磁矩同方向時當外場方向與原子磁矩同方向時v結論：結論：無論電子軌道運動如何，外磁場對它的無論電子軌道運動如何，外磁場對它的力矩總使它產生一個與外磁場方向相反的附加磁矩。力矩總使它產生一個與外磁場方向相反的附加磁矩。結論：結論： 抗磁質磁化抗磁質磁化每個分子中的所有電子都產生每個分子中的所有電子都產生“感應感應”磁矩。磁矩。 則磁介質產生則磁介質產生與外磁場方向相反。與外磁場方向相反。0mP在外磁場中，分子固有磁矩的轉向效應不存在。在外磁場中，分子固有磁矩的轉向效應不存在。其磁化的主要原因是：引起的附加磁矩。其磁化的主要原因是：引起的附加磁矩。在外場作用下，在外場作用下，附加磁場附加

18、磁場0B將順磁質放入外場將順磁質放入外場固有磁矩在外磁場作用下，固有磁矩在外磁場作用下，產生取向轉動，產生取向轉動， 磁矩將轉磁矩將轉向外場方向向外場方向 宏觀上宏觀上產生附加磁場產生附加磁場0B1B1B順磁質磁化順磁質磁化電子軌道運動，電子自旋運動，核的自旋運動在外磁場的作電子軌道運動，電子自旋運動，核的自旋運動在外磁場的作用下，產生的力矩，使得它們都產生一個與外磁場方向相反用下，產生的力矩，使得它們都產生一個與外磁場方向相反的附加磁矩（感應磁矩）的附加磁矩（感應磁矩）12BBB則磁介質產生附加磁場則磁介質產生附加磁場1B與外場方向相同與外場方向相同三、有磁介質的高斯定理三、有磁介質的高斯定

19、理0BBB在磁介質存在時，磁感應線仍然是一系列無頭無尾的閉合曲線在磁介質存在時，磁感應線仍然是一系列無頭無尾的閉合曲線 含磁介質的磁高斯定理含磁介質的磁高斯定理對于任意閉合曲面對于任意閉合曲面SSSBdSSSBSBdd000dSSB2B四、有磁介質時的安培環路定理四、有磁介質時的安培環路定理1. 束縛電流束縛電流 磁化強度磁化強度0B以無限長螺線管為例以無限長螺線管為例定義定義：磁化強度：磁化強度 VPMm 磁化強度越強，反映磁介質磁化程度越強磁化強度越強，反映磁介質磁化程度越強順順磁磁質質0I0ISI在磁介質內部的任一小區域：在磁介質內部的任一小區域：相鄰的分子環流的方向相反相鄰的分子環流的

20、方向相反在磁介質表面處各點：在磁介質表面處各點：分子環流未被抵消分子環流未被抵消形成沿表面流動的面電流形成沿表面流動的面電流SI束縛電流束縛電流(磁化電流磁化電流)VPMm i結論：結論：介質中磁場由傳導和束縛電流共同產生。介質中磁場由傳導和束縛電流共同產生。nMi束縛電流密度束縛電流密度可證明可證明:順順磁磁質質0ISIabcdiLIlB0d) (00SINI )(00abiNI 2. 磁介質中的安培環路定理磁介質中的安培環路定理LLlMNIlBdd000用磁化強度描述束縛電流用磁化強度描述束縛電流LslMId000d)(NIlMBLiI0定義磁場強度定義磁場強度MBH00dIlHL磁介質的

21、安培環路定理磁介質的安培環路定理磁介質內磁場強度沿所選閉合路徑的環流等于閉合積分路徑磁介質內磁場強度沿所選閉合路徑的環流等于閉合積分路徑所包圍的所有所包圍的所有傳導電流傳導電流的代數和。的代數和。討論：討論： (2) 束縛電流與磁化強度束縛電流與磁化強度xyzM i i設單位長度上的束縛電流為設單位長度上的束縛電流為沿沿Z方向磁化的介質體元方向磁化的介質體元 (1) 普遍適用普遍適用）內LIlML( d取任意閉合回路取任意閉合回路 L，則磁化強度，則磁化強度M 沿沿L 的積分等于穿過此的積分等于穿過此積分回路圍成的面積上束縛電流強度的代數和。積分回路圍成的面積上束縛電流強度的代數和。 (普遍關

22、系式普遍關系式)ziI SIPmzyxi iVPMm則，它產生的磁矩則，它產生的磁矩nMixyzM i介質側面上的束縛電流強度介質側面上的束縛電流強度(3) 對于各向同性介質，在外磁場不太強的情況下對于各向同性介質，在外磁場不太強的情況下HMHMmm 介質的磁化率介質的磁化率MHB00Hm0)1 (00HrHHBr0一定條件下，可用安培環路定理求解場強度，一定條件下，可用安培環路定理求解場強度，然后再求解磁感應強度。然后再求解磁感應強度。MHB00真空中真空中HBM00, 0(4)一無限長載流直導線，其外包圍一層磁介質，相對磁導率一無限長載流直導線，其外包圍一層磁介質，相對磁導率1r(2) 介

23、質內外界面上的束縛電流密度介質內外界面上的束縛電流密度例：例：求：求：解：解：根據磁介質的安培環路定理根據磁介質的安培環路定理IrHlHL2drIH2/(1) 磁介質中的磁化強度和磁感應強度磁介質中的磁化強度和磁感應強度r2R1RIrHH1HMrm)(rIr2) 1(rIHBrr200由磁化強度與束縛電流密度的關系由磁化強度與束縛電流密度的關系nMi內界面：內界面：1112) 1(RIMir外界面：外界面：222) 1(RIir1i2i五、鐵磁質五、鐵磁質1. 最主要特征：最主要特征：在外場中，鐵磁質可使原磁場大大增強。在外場中，鐵磁質可使原磁場大大增強。存在磁滯現象存在磁滯現象2. 磁疇磁疇

24、 磁化微觀機理磁化微觀機理磁疇中分子磁矩自發地磁化達到飽和狀態磁疇中分子磁矩自發地磁化達到飽和狀態無無0B磁化方向與磁化方向與有有0B 整個鐵磁質的總磁矩為零整個鐵磁質的總磁矩為零同向的磁疇擴大同向的磁疇擴大0B磁疇的磁磁疇的磁化方向化方向磁化方向轉向磁化方向轉向0B的方向的方向0B使磁場大大增強使磁場大大增強當外場撤去，被磁化的鐵磁質受體內雜質和當外場撤去，被磁化的鐵磁質受體內雜質和內應力的阻礙，并不能恢復磁化前的狀態。內應力的阻礙，并不能恢復磁化前的狀態。相對磁導率很大，且不為一個常數相對磁導率很大，且不為一個常數存在一個臨界溫度存在一個臨界溫度居里點。居里點。3. 宏觀磁化現象宏觀磁化現象 磁滯回線磁滯回線鐵磁質中鐵磁質中HB 不是線性關系不是線性關系HB HrBHoabcdef 剩磁剩磁rB矯頑力矯頑力CHHBo(1) 實驗證明：各種鐵磁質的起始磁化曲線都是實驗證明：各種鐵磁質的起始磁化曲線都是“不可逆不可逆”的，的， 磁滯現象磁滯現象討論：討論：(2) 要消除剩磁，要依靠鐵磁質的矯頑力要消除剩磁，要依靠鐵磁質的矯頑力不同材料，矯頑力不同不同材料，矯頑力不同(4) 鐵磁材料的應用鐵磁材料的應用BHoBHoHC 較小較小HC較大較大易磁化，易退磁易磁化，易退磁剩