【精品】PPT课件 磁性物质中的电荷-自旋输运 (10学时)共25页

堂堂清
1.［多选］关于元电荷的理解，下列说法正确的是（ ） A.元电荷实际上是指电子和质子本身 B.电荷量e的数值最早是由美国科学家密立根用实验测得的 C.元电荷是最小的电荷单元，等于1 C D.物体所带的电荷量只能是元电荷的整数倍
2. 一带负电的金属小球放在潮湿的空气中，经过一段时间后，发现 该金属小球上的净电荷几乎不存在了，这说明（ ） A.金属小球上原来的负电荷消失了 B.此过程中电荷不守恒 C.金属小球上的负电荷减少是由于潮湿的空气将电子导走了 D.该现象是由电子的转移引起的，仍遵守电荷守恒定律
比荷：比荷也称为荷质比，是电荷的电荷量q与其质量m的比值q/m 单位：C/kg
电子的比荷：电子的电荷量e与电子的质量me 之比，叫作电子的比荷，电子的质 量me ＝9.11×10 -31 kg。所以电子的比荷为：
例 (多选)关于元电荷,下列说法正确的是 (AD )
A.所有带电体的电荷量都是元电荷的整数倍 B.元电荷是最小的带电粒子,它带正电 C.元电荷是最小的带电粒子,它带负电 D.元电荷的数值最早是由美国物理学家密立根测出的
是同种电荷还是异种电荷?
二.起电方式
2.感应起电：
① 当一个带电体靠近导体时，由于电荷间相互吸引或排斥，导体中 的自由电荷便会趋向或远离带电体，使导体靠近带电体的一端带 异号电荷，远离带电体的一端带同号电荷。这种现象叫做静电感 应。
② 原理：电荷的转移
近异远同
二.起电方式
3.接触起电：
① 带电体与不带电导体接触或两个带相反电荷但所带电荷量不同的 导体相接触
——电荷的转移
二.起电方式
1.摩擦起电：
① 通过摩擦使两物体带等量的异种电荷。 ② 原理：电荷的转移 ③ 举例：用丝绸摩擦玻璃棒后，玻璃棒带正电荷

5、把两个完全相同的金属球A和B接触一下，再分
开一段距离，发现两球之间相互排斥，则A、B
两球原来的带电情况可能是 （
）
A．带有等量异种电荷
√B．带有等量同种电荷
C．带有不等量异种电荷
√√D．一个带电，另一个不带电
A、B是两个不带电的相同的绝缘金属球，它们 靠近带正电荷的金球C．在下列情况中，判 断A、B两球的带电情况：
静电计的外壳一定是金属的，金属外壳与 内部的金属杆及金属指针构成了一个特殊的电 容器，它在静电计工作时起着重要的作用。而 验电器外壳的主要作用是为了避免气流的影响 ，它一般是用玻璃制作的。
验电器与静电计在作用上的不同
验电器的主要作用有：
（1）检验导体是否带电。
（2）检验导体所带电性。
静电计也称作指针式验电器，这说明它完全 具备验电器的各种作用。由于静电计的特殊结构 ，使得它又具备验电器不能替代的某些作用。
同种电荷相互排斥， 异种电荷相互吸引。
问题：
• 我们如何才能使物质带上电呢？请 同学们想一想，探讨探讨。
二、起电的方法
知识回顾
原子的构成
质子（正电） 原子核 由于静电计的特殊结构，使得它又具备验电器不能替代的某些作用。
由于静电计的特殊结构，使得它又具备验电器不能替代的某些作用。
则A_______，B_______．
同种电荷相互排斥， 异种电荷相互吸引。
原子（
中子（不带电） 核外电子 中性） 电荷从一个物体转移到另一个物体
11、某人做静电感应实验，有下列步骤及结论：①把不带电的绝缘导体球甲移近带负电的绝缘导体球乙，但甲、乙两球不接触。 （2）检验导体所带电性。
两个带有同种电荷的导体接触，电荷会重新分配，若不受外界影响，两个完全相同的带电导体,接触后再分开,二者将原来所带电量的总和平均分配

产生
产生
产生
磁场
磁场
磁场
作用
作用
作用
磁体
磁体
电流
新知讲解
二、磁感线
条形磁铁
新知讲解
二、磁感线
蹄形磁铁
新知讲解
二、磁感线
通电螺线管
新知讲解
三、安培定则
用右手握住螺旋管，让弯曲的四指所指的方向跟电流方向一致，大拇指所
指的方向就是螺线管内部磁感线的方向。（大拇指指向螺线管北极）
横截面（左视）图
新知讲解
南
北
_____极和____
同名磁极相互_____
极 排斥
排斥
同种电荷相互_____
吸引
异种电荷相互_____
吸引
异名磁极相互_____
新知讲解
一、电和磁的联系
1731年，一英国商人发现雷击后的刀叉竟具有了磁性。
1751年，富兰克林发现莱顿瓶放电可使缝衣针磁化。
电现象和磁现象间的相似是偶然的吗？那些磁化现象又说明了什么呢？
电现象和磁现象存在某种联系吗？
新知讲解
一、电和磁的联系
库
仑
汉斯·奥斯特
1777-1851
丹麦
安
培
托马
斯·杨
新知讲解
一、电和磁的联系
1687年牛顿发现万有引力定律，两个物体间引力方向有何特征？
1785年库仑发现库仑定律，两点电荷间作用力方向有何特征？
由于受“纵向力”的影响，奥斯特总是把小磁
针放在通电直导线的延长线上，观察小磁针的偏转
生的。

N
谢
谢温故知新Fra bibliotek温故知新
1.磁性： 把物体能够吸引铁、钴、镍等物质的性质叫做磁性。

铁磁金属能带
镍的电子 状态密度 DOS diligent electrons
lazy electrons
能带的交换劈裂导致 物性的自旋极化
电子的两个自旋子带，状态密度（DOS）不等 1，自发磁矩 M N N

来源于 整体（lazy electrons） 2，电流极化

• • • • • • • • • • • 1A 1nm 10nm 100nm Direct exchange length …………━ RKKY exchange length……………▄▄▄ Magnetic dipolar length…………………..……….━━━━ Mean free path ……..……….……..………...▄▄▄ Spin diffusion length………………………………...▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄
来源于Fermi面附近（ diligent electrons）
Mott 二流体模型 （1936）
T<<Tc,两种电子之间的“自旋翻转”可以忽略。 近似地，总电阻是独立的两个自旋电子流的电阻 值。 ρ＝（ρ↑× ρ↓）/（ρ↑＋ ρ↓） 铁磁金属的Fermi面附近，s－与 d－电子共存。 散射几率 “自旋极化”
3，Spin valve transistorPt/Co/Cu/Co
集电极电流太低，信噪比低
4，Spin single-electron tunneling devices
自旋堆积产生的非平衡态问题
自旋电子学的提出
（1）物理和主动（active）器件 （2）要求和进展 自旋弛豫长度很长 提高自旋注入效率 磁性半导体 作为“自旋源” 光学、电学方法进展
各种“电子学”

带电的实质：电子的得与失（电子的转移）
通常情况下，原子核所带正电荷数与核外所 有电子总共带的负电荷数相等，整个原子呈中性。 所以物体不带电，因为物体内存在等量正、负电 荷，在物体内中和，所以物体对外不显电性。但 物体内依然存在有电荷！
我们把物体或者物体局部存在不能被抵消的 正电荷或负电荷称为净电荷。可见，平常我们说 物体带电实质上是物体所带的净电荷！
金属的微观结构
1.金属中原子的外层电子往往会脱离原子核的束缚而在金属中自由运动，这种电 子叫作自由电子（free electron）; 2.失去自由电子的原子便成为带正电的离子（ion），它们在金属内部排列起来， 每个正离子都在自己的平衡位置附近振动而不移动。
3.金属导电原因
金属中有自由电子， 自由电子可自由穿梭。
导体一旦跟大地接触，大地才是远端。此时无论是导 体的哪一部分跟大地相连，导体都为近端，同时遵循 “近异远同”的原则。
起电方式
产生 条件
现象
三种起不同 绝缘体摩擦时
导体靠近带电体时
两物体带上 等量异种电荷
导体两端出现等量异种 电荷，且电性与原带电
体“近异远同”
接触起电
物理必修三第九章《静电场及其应用》
第一节 电荷
16世纪英国科学家吉尔伯特创造了英语中的“electricity” （电）这个词。
美国科学家富兰 克林发现雷电的性 质与摩擦产生的电 的性质完全相同， 并命名了正电荷和 负电荷。
电荷的种类
思考：你有办法得到正电荷和负电荷吗？
正电荷：用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷。 负电荷：用毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷。
体,或从物体的一部分转移到另一部分,在转移的过程中，系统的电荷
总数保持不变。

1.金属导电机理： 金属内有自由移动的电子,每个正离子都在自己的平衡位
置附近振动而不移动。
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++
+ +
+ + +
+ +
+ +
– + +
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–+ –+
+– –+
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+
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+– –
– +
–
+–
–+ +–
等量的异种 相同金属球平分源自电荷总电量等量的异种电荷
本质
电子从一个 物体转移到 另一个物体
电子从一个 物体转移到 另一个物体
电子从物体的 一部分转移到 另一部分
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当两个物体 互相摩擦时，一 些束缚得不紧的 电子往往从一个 物体转移到另一 个物体，于是原 来电中性的物体 由于得到电子而 带负电，失去电 子的物体则带正 电。
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【探究结论】 摩擦起电的实质： 电子从一个物体转移到另一个物体，得到电子的物体带负电，失 去电子的物体带正电。

2、计算
S
均匀电场中，平面 S 的电通量
S与电场强度垂直 e E S
S的法向与电场强度成 角

e E S E S cos E S
S

n

S
非均匀电场中，任意曲面 S 的电通量
在S上任取一小面元dS

de

E

dS

e
S de
当 qi 0 ，e>0，多数电场线从正电荷发出并穿出高斯面，
反之则多数电场线穿入高斯面并终止于负电荷
电场线是不闭合的曲线
----静电场是“有源场 ”
穿过高斯面的电通量只与高斯面内的电荷有关
高斯面上的电场强度与高斯面内外电荷都有关
高斯定理也适用于变化的电场
四、高斯定理应用举例
高斯定理可以用于求解具有高度对称性的带电体系所产生的电 场的场强。
超距的观点: 电荷
电荷
电场的观点: 电荷
场
电荷
近代物理的观点认为：凡是有电荷存在的地方，其周围空间便存 在电场
q1
q2
静电场的主要表现: 力：放入电场中的任何带电体都要受到电场所作用的力---电场力 功：带电体在电场中移动时，电场力对它做功 感应和极化：电场中的导体或介质将分别产生静电感应现象或极化
dx θ1＝ π -θ2
L q
E
j
j
4 0a 2 4 0a 2
例2、半径为R的均匀带电细圆环，电量为q。求圆环轴线上任 一点的场强。
dE dE
0
R
x
P
r
dEx x
讨论： x>>R时
x =0时
dl

感应出同种电荷(感应起电)，两个金属箔
图5
片在斥力作用下张开，如图乙.
例4 如图6所示，用丝绸摩擦过的玻璃棒和验电器
的金属球接触，使验电器的金属箔片张开，关于这
一现象，下列说法正确的是
A.两片金属箔片上带异种电荷
B.两片金属箔片上均带负电荷
√C.金属箔片上有电子转移到玻璃棒上
图6
D.将玻璃棒移走，则金属箔片立即合在一起
②这时把A和B分开，然后移去C，金属箔片是否闭合？ 答案 金属箔片仍张开，但张角变小；
③再让A和B接触，又会看到什么现象？ 答案 A、B接触，金属箔片都闭合.
(2)带正电的物体A与不带电的物体B接触，使物体B 带上了什么电荷？在这个过程中电荷是如何转移的？ 图2 答案 正电荷，在这个过程中，有电子从物体B转移到物体A.
三、电荷守恒定律
1.电荷守恒定律：电荷既不会 创生 ，也不会 消灭 ，它只能从一个物体 转移到 另一个物体 ，或者从物体的一部分转移到 另一部分 ；在转移过 程中，电荷的 总量 保持不变. 2.电荷守恒定律的另一表述是：一个与外界没有电荷交换的系统 ， _电__荷__的__代__数__和___保持不变.
四、元电荷
1.元电荷：最小的电荷量，e＝ 1.60×10－19 C，由 密立根 测得.所有带 电体的电荷量都是e的 整数倍 . 2.比荷：带电粒子的 电荷量 与其 质量 的比值.
即学即用
1.判断下列说法的正误. (1)用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电，是因为正电荷从丝绸转移到玻璃
棒上.( × ) (2)摩擦起电的过程是电子从一个物体转移到另一个物体的过程.( √ )
12345
4.(验电器)如图8所示，用起电机使金属球A带正电，将
A靠近验电器上的金属小球B，则

实验表明，运动点电荷在磁场中任一指定点处所受的磁场力，具有两种特殊情况：
N 导线受到了磁铁的 注意：如果把一条磁铁折成数段，不论段数多少或各段的长短如何，每一小段仍将形成一个很小的磁铁，仍具有N、S两极，即 N 极与 S 极相互依存而不可分离。
电流与电流之间有相互作用力。
一个运动的电荷在磁场中会改变运动的方向； 但对磁场中某一指定点而言，|Fmax| 与 |q|v 的比值
3. 磁感应强度 B 的单位是T，叫做“特斯拉”(Tesla)， 简称特。
本章基本要求
1．正确掌握描述磁场的物理量——磁感应强度的概念。
2．掌握洛伦兹力的计算方法，并会分析带电粒子在电磁场中 的运动。
3．掌握安培定律，会计算载流导线在磁场中受到的安培力， 会计算平面载流线圈在均匀磁场中受到的磁力矩。
4. 理解霍尔效应。会分析金属及半导体中的霍尔效应，并由 此判断载流子的性质。
磁体与电流之间的相互作用
现象：当导线中通
入电流时，导线会
被排开或吸入。 现象：放在载流导线(即通有电流的导线)周围的磁针会受到力的作用而发生偏转，如果电流方向改变，那么，偏转方向也要改变。
电流与电流之间有相互作用力。
现象：放在载流导线(即通有电流的导线)周围的磁针会受到力的作用而发生偏转，如果电流方向改变，那么，偏转方向也要改变。
——磁体
小结：磁体与磁体之间，电流与磁体之间，以及电流 与电流之间的磁现象，或者可以说一切磁现象都可归 结为电流的磁效应。
结论：从微观上看，磁力都是运动电荷之间的相互作 用的表现。
注意
运动电荷与静止电荷不同之处在于： 静止电荷的周围空间只存在静电场； 任何运动电荷或电流的周围空间，除了和静止电荷 一样存在电场之外，还存在磁场。 电场对处于其中的任何电荷（不论运动与否）都有 电力作用；而磁场则只对运动电荷有磁力作用。

10
3.比荷 带电粒子的_电__荷__量___与质量的比。电子的比荷为mee＝1.76×1011 C/kg。
11
[思考判断] (1)摩擦起电就是通过摩擦创造了电荷。( × ) (2)元电荷是最小的带电体。( × ) (3)所有带电体的电荷量或者等于元电荷，或者是元电荷的整数倍。( √ ) (4)元电荷也有正负之分，电子带电就是负的元电荷。( × )
4
2.物质的微观结构 (1)原子结构 原子原子核质中子子：：带不带正电电 核外电子：带 负电 (2)原子电性：原子核的正电荷的数量与核外电子负电荷的数量_一__样__多___，整个原 子对外界表现为电中性。 (3) 离 子 的 电 性 ： 失 去 电 子 的 原 子 为 带 __正__电____ 的 离 子 ； 得 到 电 子 的 原 子 为 带 __负__电____的离子。
在电荷间相互作用下， 电子从一个物体转移到 另一个物体上
实质
电荷在物体之间或物体内部的转移
说明
无论哪种起电方式，发生转移的都是电子，正电荷不会发生转移
15
[试题案例] [例1] (多选)如图所示，A、B为相互接触并用绝缘支柱支持的金属导体，
起初都不带电，在它们的下部贴有金属箔片，C是带正电的小球，下 列说法正确的是( ) A.把C移近导体A时，A、B上的金属箔片都张开 B.把C移近导体A，先把A、B分开，然后移去C，A、B上的金属箔片 仍张开 C.把C移近导体A，先把C移走，再把A、B分开，A、B上的金属箔片 仍张开 D.把C移近导体A，先把A、B分开，再把C移走，最后重新让A、B接 触，A上的金属箔片张开，而B上的金属箔片闭合
25
谨防易错 几组易混概念的比较
概念
辨别
是最小的电荷量，大小e＝1.60×10－19 C，不是带电体，没有电性的正 元电荷

历史资料：1881年第1届电学大会
确定库仑（C）为电荷量的国际单
位，定义为1A恒定电流在1s时间
间隔内所传送的电荷量为1C.
物体为什么会带电呢？
质子（正电）
①原子的构成：
原子核（正电）
原子（电中性）
中子（中性）
电子（负电）
注：不同物质原子核对核外电子的束缚能力不同
原子核对核外电子束缚能力
强
得电子
带负电
C
D．M 在摩擦过程中失去 1.7×1010 个电子
课 堂 练 习
3、如图所示，将带正电的导体球C靠近不带电的导体。沿虚线将导体分成
A、B两部分，这两部分所带电荷量为 、 ，下面判断正确的是（B
A． = ，A带负电
B． = ，A带正电
C． > ，A带负电
D． > ，A带正电
）
课 堂 练 习
4．科学家在研究原子、原子核及基本粒子时，为了方便，常常用元电荷作为电荷量的单
位，关于元电荷，下列论述正确的是（ BC ）
A．把质子或电子叫元电荷
B．元电荷是一个电子所带电荷量的大小，没有正负之分
C．电子带有最小的负电荷，其电荷量的绝对值叫元电荷
D．物体所带的电荷量叫作元电荷
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弱
失电子
带正电
3．原子的组成
原子核 和核外电子组成，原子核由带正电的____
质子 和不带
原子由______
负电 。通常原子内正、负电荷的数量相
电的中子
____组成，核外电子带____
同，故整个原子对外界表现为电中性。
二、三种起电方式
1.摩擦起电： 通过摩擦使物体带电的现象，叫摩擦起电。
①丝绸摩擦玻璃棒，玻璃棒带正电；