h3-2章带电粒子在磁场中的运动.ppt

3-2 如图正带电粒子处于磁感应线所在位置， v?B ； 此时，粒子受洛仑兹力F?B，F=F||+F? F?提供向心力，F||指向磁场减弱的方向 粒子也将作螺旋运动，但并非等螺距，回旋半径也会改变 量子霍尔效应曲线 * 第14章 磁力 带电粒子在磁场中的运动 霍尔效应 载流线圈所受的磁力矩 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） 四个诺贝尔物理奖： 一、均匀磁场 §14.1 带电粒子在磁场中的运动举例 1. 洛伦兹力 2. 与 不垂直 螺距 3.磁聚焦 magnetic focusing 电子显微镜 在均匀磁场中点 A 发射一束初速度相差不大的带电粒子, 它们的 与 之间的夹角 不同 , 但都较小,这些粒子周期相同，速度的平行分量几乎相同，沿半径不同的螺旋线运动, 因螺距近似相等, 相交于屏上同一点, 此现象称为磁聚焦 . 螺距 A A’ 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。 二、非均匀磁场 v?B 磁镜 三、霍尔效应(Hall effect） 现象：美国物理学家霍尔(E.H.Hall 1855-1938)于1879年在研究金属的导电机制时发现的发现的。 当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象就是霍尔效应。这个电势差也被称为霍尔电势差。 背景：当时还不清楚金属的导电机构，甚至还未发现电子。（1897年英国J J Thomson ） 若撤去磁场， 或 ，则 霍尔电压随之消失。 的正负与导体内的载流子的正负有关。 金属中的载流子所受外磁场B的洛伦兹力作用： 方向如图 由于表面所限，自由电子不能脱离金属，只能聚集在A面，同时在A’面出现正电荷，在金属的内部产生一电场E，载流子还要受到一电场力作用。 I 霍尔电压 - - - - - + + + + + - A A’ I 霍尔电压 - - - - - + + + + + - A A’ 金属中的载流子所受霍尔电场E的洛伦兹力作用： 方向如图 随着A面和A’面电荷的增多，霍尔电场迅速增大，当 时，电流重新恢复为恒定电流。 霍尔系数 霍尔效应的应用： 现在霍尔效应有多种应用，特别是用于半导体的测试。 （2）测量磁场 霍尔电压 （1）判断半导体的类型 I + + + + - - - P 型半导体 + - + + + - - - N 型半导体 - I + - 金属导体：自由电子的n很大，其霍尔系数很小，相应的霍耳电压很小； 半导体：载流子n低得多，半导体的霍尔系数比金属导体大得多，所以半导体能产生很强的霍尔效应。 霍尔系数 1980年，在研究半导体在极低温度下和强磁场中低温（~K），强磁场（~10T）的霍尔效应时，德国物理学家克利青(Klitzing)，发现霍尔电阻和磁场的关系并不是线性的。 量子霍尔效应（1985’Nobel Prize） -----这一比值具有电阻的量纲，被定义为“霍尔电阻” 霍尔电阻量子化： B RH 2 3 4 经典霍尔电阻 崔琦和施特默等在研究量子霍尔效应时，发现在更强的磁场（20~30T）下，n可以是分数，这种现象叫“分数量子霍尔效应 ” 1998年 Nobel Prize 1998年诺贝尔物理学奖获得者之—崔琦 美籍华人 Daniel C. Tsui 1939 生于河南 分数量子霍尔效应 2013.03.16 清华大学薛其坤院士（1963年12月出生，山东蒙阴人 ）首次发现量子反常霍尔效应。 1880年，霍尔在研究磁性金属的霍尔效应时发现，即使不加外磁场也可以观测到霍尔效应，这种零磁场中的霍尔效应就是反常霍尔效应。反常霍尔效应与普通的霍尔效应在本质上完全不同，因为这里不存在外磁场对电子的洛伦兹力而产生的运动轨道偏转。反常霍尔电导是由于材料本身的自发磁化而产生的，因此是一类新的重要物理效应。 安培力 洛伦兹力： S §14.3 载流导线在磁场中受的力 所取电流元中载流子数目： 由于所取电流元的方向与电流方向同向 安培力 该电流元所受的力： 有限长载流导线所受的安培力 注意：式子中的磁感强度为电流元“当地的” 电流元上受的安培力为： 补充例 如图一通有电流 的闭合回路放在磁感应强度为 的均匀磁场中，回路平面与磁感强度 垂直