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1、金属导体金属导体三、霍耳效应三、霍耳效应实验测定霍耳电势差：实验测定霍耳电势差：1897年美国物理学家霍耳年美国物理学家霍耳发现：对应图中沿发现：对应图中沿Z方向方向有电势差。这种现象称为有电势差。这种现象称为霍耳效应霍耳效应霍耳效应霍耳效应，这电势差称为，这电势差称为霍耳电势差霍耳电势差霍耳电势差霍耳电势差。霍耳系数霍耳系数可以用带电粒子在磁场中受力解释，可以用带电粒子在磁场中受力解释，精确的解释只能用电子的量子理论。精确的解释只能用电子的量子理论。8.5 8.5 带电粒子在磁场中的运动带电粒子在磁场中的运动带电粒子在磁场中的运动带电粒子在磁场中的运动金属导体金属导体以导体内部的载流子为自由
2、电子为例：以导体内部的载流子为自由电子为例：自由电子受的磁力：自由电子受的磁力：方向：向上方向：向上AB在导体两侧在导体两侧(图中上下图中上下)出现电荷积累，由此出现电荷积累，由此形成一附加电场，方向向上。其对电子在上形成一附加电场，方向向上。其对电子在上侧的积累产生阻碍作用，即电子受到的附加侧的积累产生阻碍作用，即电子受到的附加电场力为：电场力为：当当Fm=Fe时，电子不再漂移，结果在导体上下两时，电子不再漂移，结果在导体上下两侧形成一横向电势差：侧形成一横向电势差：若载流子的浓度为若载流子的浓度为n ,则电流为：则电流为：两端的电势差：两端的电势差：即可得霍尔系数：即可得霍尔系数：一般地：
3、一般地：RH 决定载流子的正负，实验决定载流子的正负，实验测定霍尔电势差，就要判断测定霍尔电势差，就要判断载流子的正负。载流子的正负。金属导体金属导体霍耳效应的应用：霍耳效应的应用：判定导电机制判定导电机制测量未知磁感强度测量未知磁感强度因为：因为： 此系数决定于载流子的正负，因此实验测定霍耳此系数决定于载流子的正负，因此实验测定霍耳电势差，就可判断载流子的正、负。电势差，就可判断载流子的正、负。 对半导体，用这个方法判定它是空穴型还是电子对半导体，用这个方法判定它是空穴型还是电子型导电，还可确定载流子的浓度。型导电，还可确定载流子的浓度。I8.5 磁场对电流的作用磁场对电流的作用本节本节研究
4、的是磁场对载流导线、载流线圈的作用。研究的是磁场对载流导线、载流线圈的作用。F无外无外磁场时，在外加电场的作用下，磁场时，在外加电场的作用下，自由电子以匀速运动，形成电流。自由电子以匀速运动，形成电流。有外有外磁场时，自由电子受洛仑兹力磁场时，自由电子受洛仑兹力的作用，使电子的动量发生变化，的作用，使电子的动量发生变化，大量电子与金属晶格点阵的不断碰大量电子与金属晶格点阵的不断碰撞，在宏观上就表现为导线的受力，撞，在宏观上就表现为导线的受力，这种力被称为这种力被称为安培力安培力安培力安培力。一、磁场作用在一段载流导线上的安培力一、磁场作用在一段载流导线上的安培力以以导线中的载流子：即沿导线中的
5、载流子：即沿 I 方向运动的粒子为例。方向运动的粒子为例。IS设：载流子密度为设：载流子密度为n 每个电量为每个电量为 q 且都以同一速度且都以同一速度v运动运动如图如图电流元所受的洛仑兹力为：电流元所受的洛仑兹力为：而：而：一段载流导线一段载流导线受的安培力：受的安培力：例例1 1 在均匀磁场中放置一半径为在均匀磁场中放置一半径为R R的半圆形导线，电流强的半圆形导线，电流强度为度为I I，导线两端连线与磁感强度方向夹角导线两端连线与磁感强度方向夹角 =30=30，求此，求此段圆弧电流受的磁力。段圆弧电流受的磁力。 =30=30解：在电流上任取解：在电流上任取电流元电流元场均匀场均匀方向方向
6、 在均匀磁场中，任意形状的一段载流在均匀磁场中，任意形状的一段载流导线所受的安培力，都可以写成导线所受的安培力，都可以写成 ： 这这安培力除与安培力除与 ， 有关外，只和导线有关外，只和导线的两个端点位置有关，而与导线的长度和的两个端点位置有关，而与导线的长度和形状无关。形状无关。例例2 2 如图如图 长直导线过圆电流的中心且垂直圆电流长直导线过圆电流的中心且垂直圆电流平面平面 电流强度均为电流强度均为I I求：相互作用力求：相互作用力解：在电流上任取电流元解：在电流上任取电流元(在哪个电流上取？在哪个电流上取？)二、磁场二、磁场(均匀均匀)作用在载流线圈上的磁力矩作用在载流线圈上的磁力矩线圈
7、平面与线圈平面与 方向成任意角方向成任意角 a(b)d(c )abcd二者大小相等，方向相反，二者大小相等，方向相反，但不在一条直线上，它们但不在一条直线上，它们形成一力偶，则这一力偶形成一力偶，则这一力偶所形成的力矩：所形成的力矩：闭合平面线圈在均匀闭合平面线圈在均匀磁场中所受的磁场中所受的磁力矩磁力矩磁力矩磁力矩磁力矩总是力图使线圈平面转向与磁场垂直方向；磁力矩总是力图使线圈平面转向与磁场垂直方向；即：即：Pm 转向与转向与 B 一致方向一致方向。a(b)d(c )分析：分析：平衡状态平衡状态此时此时 M 最大最大三、稳恒磁场中磁力、磁力矩的功三、稳恒磁场中磁力、磁力矩的功1 1、载流导线
8、在稳恒磁场中运动时磁力所做的功、载流导线在稳恒磁场中运动时磁力所做的功、载流导线在稳恒磁场中运动时磁力所做的功、载流导线在稳恒磁场中运动时磁力所做的功F推导：推导：磁通量增量为：磁通量增量为：当载流当载流导线在磁场中运动时，导线在磁场中运动时，I 保持不变，则磁力作功等于保持不变，则磁力作功等于电流乘以回路磁通量增量。电流乘以回路磁通量增量。2 2、载流线圈在恒定磁场转动时磁力矩所做的功、载流线圈在恒定磁场转动时磁力矩所做的功、载流线圈在恒定磁场转动时磁力矩所做的功、载流线圈在恒定磁场转动时磁力矩所做的功a(b)d(c )载流载流线圈在均匀磁场中从线圈在均匀磁场中从 转到转到 当当线圈从线圈从
9、 转到转到 时，磁力时，磁力矩所做的功为：矩所做的功为： 、 表示线圈在表示线圈在 、 位置时的磁通量。位置时的磁通量。一个任意的闭合回路在磁场中改变位一个任意的闭合回路在磁场中改变位置或形状时，磁力或磁力置或形状时，磁力或磁力 矩所做的功矩所做的功8.6磁介质磁介质当当电流周围有物质存在时，磁场会使物质磁化，这样电流周围有物质存在时，磁场会使物质磁化，这样磁化了的物质形成一附加磁场，影响原来的磁场。磁化了的物质形成一附加磁场，影响原来的磁场。把把影响磁场的物质称之为影响磁场的物质称之为磁介质磁介质磁介质磁介质。一一. . 磁介质的分类磁介质的分类介质对场有影响介质对场有影响 总场是总场是类比
10、电介质中的电场类比电介质中的电场类比电介质中的电场类比电介质中的电场传导电流产生传导电流产生与介质有关的电流产生与介质有关的电流产生在介质均匀充满磁场的情况下在介质均匀充满磁场的情况下定义定义定义定义介质的相对磁导率介质的相对磁导率顺磁质，使磁场增强；顺磁质，使磁场增强；抗磁质，使磁场减弱；抗磁质，使磁场减弱；铁磁质，使磁场剧增。铁磁质，使磁场剧增。介质的相对磁导率介质的相对磁导率二二. . 磁介质的磁化磁介质的磁化 磁化电流磁化电流1. 1. 1. 1. 分子电流分子电流分子电流分子电流 分子磁矩分子磁矩分子磁矩分子磁矩 磁偶极子磁偶极子磁偶极子磁偶极子介质中的磁导率为：介质中的磁导率为：分
11、子中所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩分子中所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和称为的矢量和称为分子的磁矩分子的磁矩分子的磁矩分子的磁矩，用，用 表示。表示。与与 对应的等效圆电流称为对应的等效圆电流称为分子电流分子电流分子电流分子电流。2 2、电子的拉摩进动、电子的拉摩进动、电子的拉摩进动、电子的拉摩进动-e以以电子的轨道运动为例电子的轨道运动为例轨道运动磁矩：轨道运动磁矩：轨道运动角动量：轨道运动角动量：两式两式比较，可得：比较，可得：-e电子的轨道运动受到的磁矩作用，电子的轨道运动受到的磁矩作用，磁力矩为：磁力矩为：具有角动量的物体在力矩的具有角动量的物体在力矩的作用下就要发生进动。这一作用下
12、就要发生进动。这一进动也等效为一种圆电流，进动也等效为一种圆电流，这种圆电流的磁矩方向总是这种圆电流的磁矩方向总是与外磁场方向相反。与外磁场方向相反。所以电子在做轨道运动的同时又绕外磁场做所以电子在做轨道运动的同时又绕外磁场做进动，这称作进动，这称作拉摩进动拉摩进动拉摩进动拉摩进动。拉摩进动产生一附。拉摩进动产生一附加磁矩加磁矩 ，与外磁场，与外磁场 方向相反。方向相反。3 3、顺、抗磁质的磁化、顺、抗磁质的磁化、顺、抗磁质的磁化、顺、抗磁质的磁化 顺顺磁质磁质分子是有矩分子，其具有固有磁矩分子是有矩分子，其具有固有磁矩外加磁场时：外加磁场时：分子的固有磁矩是产生顺磁效应的主要因素。分子的固有
13、磁矩是产生顺磁效应的主要因素。分子的固有磁矩是产生顺磁效应的主要因素。分子的固有磁矩是产生顺磁效应的主要因素。 抗磁质分子是无矩分子抗磁质分子是无矩分子外加磁场时：外加磁场时： 由于分子中各电子的拉摩进动，使每由于分子中各电子的拉摩进动，使每个分子具有与外磁场方向相反的附加个分子具有与外磁场方向相反的附加磁矩磁矩抗磁质分子附加磁矩的出抗磁质分子附加磁矩的出抗磁质分子附加磁矩的出抗磁质分子附加磁矩的出现是产生磁效应的原因。现是产生磁效应的原因。现是产生磁效应的原因。现是产生磁效应的原因。4.4.4.4.磁化电流磁化电流磁化电流磁化电流由于分子磁矩的取向一致，考虑到它们相对应由于分子磁矩的取向一致
14、，考虑到它们相对应的分子电流的分子电流 ，如图，长直螺线管内部充满均匀的各向同性介如图，长直螺线管内部充满均匀的各向同性介质，将被均匀磁化。质，将被均匀磁化。均匀磁场均匀磁场螺线管截面螺线管截面三三. .磁化强度磁化强度1.1.1.1.磁化强度磁化强度磁化强度磁化强度以长直螺线管内的各向同性磁介质磁化为例以长直螺线管内的各向同性磁介质磁化为例可以证明可以证明类比电介质类比电介质类比电介质类比电介质 2.2.2.2.磁化强度与磁化电流的关系磁化强度与磁化电流的关系磁化强度与磁化电流的关系磁化强度与磁化电流的关系四、有磁介质存在时的磁场四、有磁介质存在时的磁场传导电流产生传导电流产生与介质有关的电
15、流产生与介质有关的电流产生合合磁场：磁场：此此磁场仍然是涡旋场，并遵守稳恒磁场的基本规律。磁场仍然是涡旋场，并遵守稳恒磁场的基本规律。即：即：1 1、磁场强度、磁场强度、磁场强度、磁场强度由：由：得：得：令：令：称为称为磁场强度磁场强度磁场强度磁场强度有磁有磁有磁有磁介质时的安培环路介质时的安培环路介质时的安培环路介质时的安培环路定理定理定理定理；它表明磁场强度；它表明磁场强度沿闭合环路沿闭合环路L的环流等的环流等于正向通过以于正向通过以L为边界为边界的曲面的传导电流。的曲面的传导电流。2 2、 三者的关系三者的关系普遍普遍特殊特殊各向同性各向同性代入代入代入代入也也可：可：总结总结 求解磁介质中的磁场时的步骤如下：求解磁介质中的磁场时的步骤如下：五、铁磁质五、铁磁质1 1、铁磁质的宏观性质、铁磁质的宏观性质1) 1) 可使原场大幅度增加可使原场大幅度增加2)2) 与磁化历史有关与磁化历史有关 B-HB-H 非线性非线性3)3)磁滞现象磁滞现象 3)3)居里温度居里温度 3 3、铁磁性起因、铁磁性起因 量子理论量子理论 磁畴磁畴2 2、磁化曲线和磁滞回线、磁化曲线和磁滞回线 剩磁剩磁 矫顽力矫顽力 硬磁材料硬磁材料 软磁材料软磁材料
