【精品】PPT课件 磁性物质中的电荷-自旋输运 (10学时)

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

思考：你知道带电物体最少要带多少库仑的 电荷量吗？
元电荷——电荷量的最小单位
任何带电物体所带电荷量是最小电荷量的整数倍。我们 称这个最小电荷量为元电荷（elementary charge），用e表示。
密立根利用油滴实验测量出电子的电 荷量，获得1932年的诺贝尔物理学奖。在 计算中，我们可以取
e 1.601019 C
电荷（elecrtric）及其种类
许多物质，如琥珀、玻璃棒、橡胶棒……等，经过毛皮或 丝绸摩擦后，能吸引轻小物体，我们就说这些物质带了电荷。
正电荷：被丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷， 用“+”表示。 负电荷：被毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷， 用“-”表示。 两种电荷的特性：同性相斥，异性相吸
使物体带电的方法：
（1）静电感应规律
a
近端感应异种电荷，
c
远端感应同种电荷
b
（2）感应起电：利用静电感应使物体带电，叫做感 应起电．接地的话地球为远端带同种电荷
摩擦起电 三种带电方式： 感应起电
接触起电
本质：都是电荷的转移
三种起电方式的比较
起电方式
摩擦起电
感应起电
接触起电
产生 条件
一般是两不同绝缘体 摩擦时
导体靠近带电体时
+ +–– – + –
– + +
++
–+ –+
+– –+
–+
–+ +
–
+– –
– +
–
+–
–+ +–
++
+– – –+

-
--
-
vd
UH
+
P 型半导体 2）测量磁场 霍耳电压
N 型半导体
IB U H RH d
第十六章
磁力
第三节 磁场对载流 导线的作用
第十六章
磁力
一、安培力公式
一个载流子受的磁场力：
f qv B
Id l

B
在dl中有nSdl个载流子，其 受力总和为：
l B Idl B dF nSdlq v B nSvqd
B
en
M,N F1

俯视图

O,P
B
en
MN l2 NO l1
M BIS sin
线圈有N匝时
M F1l1 sin BIl2l1 sin
M ISen B m B M NISen B
第十六章
磁力
1）en方向与 B 相同
第十六章 例2
磁力
有一回旋加 速器，他 的交变 电压的 频率 6 为 1210 Hz ，半圆形电极的半径为0.532m . 问 加速 氘核所需的磁感应强度为多大？氘核所能达到的最大 动能为多大？其最大速率有多大？（已知氘核的质量 27 19 为 3.3 10 kg ，电荷为 1.6 10 C ）. 解 由粒子的回旋频率公式，可得
第十六章
磁力
磁聚焦 螺距与 V 无关只与 V// 成正比。一束发散角 不大的带电粒子束，当 V// 大致相同时，螺距同。经一个周 3
期它们将重新会聚在另一点，这种发散粒子束会聚到一点的 现象与透镜将光束聚焦现象十分相似，因此叫磁聚焦
应用电子显微镜,电子光学 等 .

导入
我国是世界上最早发现磁现象的国家，早在 战国末年就有磁铁的记载，我国古代的四大发明 之一的指南针就是其中之一，指南针的发明为世 界的航海业做出了巨大的贡献．
在现代，磁现象与日常生活、科技密切相 关．
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【问题】
1.电现象与磁现象有何相似?
l
2.电现象与磁现象有何区别?
3.为什么丹麦物理学家奥斯特相信 电和磁之间存在关系?
4.为什么之前的实验都失败了?
纵向力
横向作用
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天然磁石 人造磁体
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4.磁极间的相互作用: 同名磁极相斥，异名磁极相吸.
5.变无磁性物体为有磁性物体叫磁化, 变有磁性物体为无磁性物体叫退磁.
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磁体对通电 导体也有力 的作用
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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。

磁体
磁场
磁体
【问题】是否只有磁铁周围才存在磁场? 5
2、电流的磁效应
丹麦物理学家奥斯特(Hans Christian Oersted，1777—851)1777 年8月14日生于丹麦朗格兰德岛一个药 剂师家庭．12岁开始帮助父亲在药房里 干活，同时坚持学习化学．由于刻苦攻 读，17岁以优异的成绩考取了哥本哈根 大学的免费生．他一边当家庭教师，一 边在学校学习药物学、天文、数学、物 理、化学等．1806年任哥本哈根大学 物理学教授，1821年被选为英国皇家 学会会员，1823年被选为法国科学院 院士，后来任丹麦皇家科学协会会长．
You Know, The More Powerful You Will Be
16
谢谢你的到来
学习并没有结束，希望大家继续努力
Learning Is Not Over. I Hope You Will Continue To Work Hard
演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
17
A．富兰克林 B．法拉第
C．安培
D．奥斯特
2、 铁棒A能吸引小磁针，铁棒B能排斥小
磁针，若将铁棒A靠近铁棒B时，则（ D ）
A. A、B一定互相吸引 B. A、B一定互相排斥 C. A、B间有可能无磁场力作用 D. A、B间可能互相吸引，也可能互相排斥
14
3、下列关于磁场的说法中,正确的是( )
A．磁场跟电场一样,是人为假设的 BCD
结论：磁体对通电 导体有力的作用。
问题：磁体和通电 导体之间的相互作 用力是通过什么发 生的呢？
8
电流 磁场 磁体
问题：电流与电流之间是否有力的作用？
9
4. 通电导体之间相互作用

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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++
+ +
+ + +
+ +
+ +
– + +
++
–+ –+
+– –+
–
+
– +
+
–
+– –
– +
–
+–
–+ +–
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。

二、静电感应
摩擦可使物体带电，那么还有其他方法可使物体带电吗？
观察静电感应现象
取一对用绝缘柱支持的导体 A 和 B，使它们彼此接触。起初它们不带电，贴在 下部的两片金属箔是闭合的（图 9.1-3）Байду номын сангаас手握绝缘棒，把带正电荷的带电体 C 移近 导体 A，金属箔有什么变化？这时手持绝缘柱把导体 A 和 B 分开，然后移开 C，金 属箔又有什么变化？再让导体 A 和 B 接触，又会看到什么现象？利用金属的微观结 构模型，解释看到的现象。
D．π－介子由d和－u 组成
解析：选AD
[π＋介子带电荷量为＋e，u带电荷量为＋
2 3
e，
－d
带电荷量为＋
1 3
e，故π＋介
子由u和
－d
组成，选项A正确，B错误；π－介子带电荷量为－e，d带电荷量为－
1 3
e，
－u
带电荷量
为－23e，故π－介子由d和－u 组成，选项C错误，D正确．]
3、(多选)如图所示，A、B是被绝缘支架分别架起的金属导体，并相隔一定距离， 其中A带正电，B不带电．则以下说法中正确的是( )
mee＝ 1.76×1011 C/kg
例题一：保护知识产权，抵制盗版是我们每个公民的责任与义务，盗版书籍影响我们的
学习效率，甚至给我们的学习带来隐患。小华有一次不小心购买了盗版的物理参考书，
做练习时，他发现有一个关键数字看不清，拿来问老师，如果你是老师，你认为可能是
下列几个数字中的( )
A．6.2×10－19 C
美国科学家富兰克林通过实验发现，雷电（图9.1-1）的性质与 摩擦产生的电的性质完全相同，并命名了正电荷（positive charge） 和负电荷（negative charge）。迄今为止，人们没有发现对这两 种电荷都排斥或都吸引的电荷。自然界的电荷只有两种。

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。