量子力学の問題です。 わかる方おられませんか

2. 外部磁場中の荷電粒子の量子力学、 Landau 準位 ベクトルポテンシャル A(t,x)、 スカラーポテ ンシャル (t,x) がある3次元空間の中を質量m、 電荷eをもつ荷電粒子の運動を考える。 その運動量 をp、 位置座標をェとすると、 荷電粒子を記述するハミルトニアンは以下で与えられる。 1 H(t, z,p) = -(p- eA(t, x))² + eo(t, x) 2m (1) (1) この荷電粒子を表す波動関数を重(t,x) としたとき、 確率密度と確率の流れの密度は、ベクトルポ テンシャルがない (演習問題No.1の) 場合に対し微分∇を 「共変微分｣Dに置き換えることで 得られることが知られている。 p:=²=v*v, J:= {*D-(D)*} ここで、 2m D:= V-ie A, +∇ ･J=0が成立することを示せ。 とおいた。このとき、連続の方程式 (2) 電場E = -Vo-b と磁場 B = ∇×4が次の(ゲージ) 変換で不変であることを示せ。 at 以下電場はなく、静磁場のみがある場合を考え、磁場が向いている方向を軸とする: B = (0,0,B) Əx AA'′=A_∇入, 中→d=6+ at ここで、 入 = \(t,x) は任意のスカラー場である。 さらに荷電粒子の波動関数も同時に →=e-ie (5) と変換させた場合、 Schrodinger 方程式場=H(t,x, l∇)が変換した場に対しても同様に成 立することを示せ。 A = (0, Bx, 0) にとって、とzに依存しない波動関数 (x,y) を調べる。 (2) このとき、トの取りうる範囲を求めよ。 (3) この背景の下で縦と横の長さがLz, Ly の長方形状の十分薄い平板を0に {(x,y)|0 ≤x≤LT, 0≤y≤Ly} (7) のように置き、この平板内に束縛される荷電粒子の運動を調べる。 このとき、以下のように、ベクト ルポテンシャルを Landau ゲージ (8) (4) このことを、Schrodinger 方程式がゲージ変換のもとで共変性をもつor 共変的である、などという。 同じ量子数をもつ状態がなす部分ベクトル空間の次元のことをその状態の縮退度と呼ぶ。 (6) (3) 波動関数 (x,y)=(x)eikyのように変数分離して荷電粒子に対する時間に依存しない Schrodinger 方程式を解き、 固有関数とエネルギー固有値を全て求めよ。 ただし、演習のプリントで与えられ た特殊関数は説明なしに用いて良いものとし、 規格化も行わなくて良い。 (4) 波動関数 (x,y) は方向に周期境界条件を満たすとする。 v(x, y) = v(x,y + Ly) (5) 基底状態に対しょ軸の位置演算子の期待値 (z) をe, B,kを用いて表わせ。 また、 位置演算子の期 待値が平板内に存在する条件から、 基底状態の縮退度を求めよ。

ホール効果についてなのですが、磁場から受ける力と電場から受ける力がつり合うと電子は画像のy軸方向に動くのですか？ 教えてください🙏

AZ IC まる。 きさ f = evB〔N〕 のローレンツ力を軸 このため、面Qは負に,面Pは正に帯電し,x軸の正の向きに電界が生じる。 Step② 時間が経過した後 x軸方向の電界の強さをE[V/m] とすると,自由電子は電界の向きと 反対に大きさ F=eE〔N〕の力を受ける。やがて, ローレンツ力と電界か ら受ける力がつり合う (evB=eE) と, 自由電子はy軸方向に直進するよ うになり,面Pと面Qとの間に一定の電位差 V〔V〕 が生じる。 よって 電 位差Vは,次式で表される。 I V=Ed=vBd= endh y enh I また,式(20) より B= V である。 金属に比べて半導体はnが小さいの で, V〔V〕が大きくなって測定しやす く, 磁束密度の測定に利用されている。 (a) (b) V 面P 図 22 ホール効果 B xBd= 面Q IB enh (20) 面P 7 面Q + + Check <Check V=Ed (p.23 式 (10)) I=enSv(p.45 式 (2)) BOMFeE + S=dh V 'f=evB BA + E E + 高 V 1.E 20

528(2)です。答えはQなのですが、なぜだかわかりません。 フレミングの法則やローレンツ力が関わっていそうなのは考えられるのですが、いつも電位が高い方を答える問題を間違えてしまいます。考え方を教えてください。

回路を流れる電流と時間の関係を示すグ そのまま右向きに移動さ ラフは,次の(a)~(f) のどれか。 最も適切なものを選び,記号 で答えよ。ただし,電流Iは,図Aの矢印の向きを正とする。 I^ (a) ZA I↑ (b) (c) I↑ (d) IA (e) I w n k k 0 0 t 528. 磁場中を動く導体棒 図のような, 磁束密度 B〔T]の一様 な磁場がある。 この磁場に垂直に置いた長さ Z [m]の導体棒 PQ を,右向きに速さ [m/s]で動かすとき,次の各問に答えよ。 (1) PQ間に生じる誘導起電力の大きさはいくらか。 (2) PとQのどちらの電位が高いか。 V 例題73・74 529. 磁場中を運動する導体棒 鉛直上向きに磁束密 度 B[T]の一様な磁場中で, 水平面内に置かれた長方 形 ABCD の導線上に, 導体棒 ab を AD, BC と垂直 に置き, 一定の速さv[m/s]で右向きに引く。 AB=CD=1[m] で, AB間とCD間には抵抗 R [Ω]が 溶けないとする。 R[Ω] A S N /〔m〕 $50 ⑧ B [T] BB〔T〕_b a 正の向き 〔m〕 Wi 例題 72 (f) v [m/s] P v[m/s] C R(Q) D

ホイートストンブリッジです。（2）まではいいのですが（3）がどうしてもわからないです。 なぜ電流計が0だと（1）と電圧が同じになるんですか？ あとの計算でV1=80×10^-2 としてますが、これは（1）と流れる電流が同じということですよね？したら（1）のようにキルヒホッフ... 続きを読む

必修 11. 電流と磁場, 荷電粒子の運動 基礎問 電流と磁場 Ⅰ. 図1のように,長い導線を水平に南北方向に張り,そ の真下の距離 10 [cm] のところに小さな磁針を置いて、 導線に電流を流した。このとき,磁針のN極は西に 45° 振れて静止したことから,この場所での地球の磁場の強 さの水平成分は 25 〔A/m〕 であることがわかった。 (1) 導線にはどの向きに電流を流したか。 (2) 流した電流は何 〔A〕 だったか。 (3g) 次に導線を取り除き、かわりにコイルの頭を南北方向と垂直になるよ うに1巻きの円形コイルを置き、その中心の磁場が0となるようにした い。 円形コイルの半径を20〔cm〕 とすると, コイルに流すべき電流の強 79 さは何 〔A〕か。 ⅡI. 図2のように、紙面に垂直な導線P, Qに同じ強さIの 直線電流が流れている。Pの電流は紙面の裏から表に向か う向きに,Qの電流はPと逆向きに流れている。導線P. Qからの距離がともに4の紙面上の点Xに生じる磁場の (福岡大改・愛媛大) 強さを求め、その向きを図示せよ。 I H=- (r: 電流からの距離) 2πr () 円形電流の中心の場合 北 H=- ( r円の半径) 2r 45 C 15+0=3 P 0 10cm 図1 XA a. 3. ●地磁気 地球は北極をS極,南極をN極 精講 とする大きな一つの磁石であり,地表には 地球による北向きの磁場が存在する。 これを地磁気という。 【参考】 磁気量 (磁極の強さ) をmとすると, 強さHの磁場 から磁極が受ける力の大きさFは,F=mH である。 ●電流がつくる磁場 電流がつくる磁場の強さは電流の強さに比例するが, そ の強さを与える式は電流の形状によって異なる。 電流Iがつくる磁場の強さを Hとすると 電流ⅠⅡ (i) 直線電流 ( 十分に長い) の場合 a 図2 H 磁場 (A) SLO TA a 1 Gir Q ルの内部の場合 ソレノイドコイ H=nl (n: 1 〔m〕 あたりの巻数) ●右ねじの法則 右ねじの進む向き ●京靴の向きにとると、右ねじを回す 向きが磁力線の向きを表す。この 磁力 磁力線の向きの接線方向が磁場の間 である。 磁場 クトル和である。 ●磁場の合成 複数の電流による磁場は、各電流がその場所につくる磁場のベ I. (1) 磁針の向きより, 合成磁場の向きは北向 真上から見た図 きから西へ45° 振れているので、 導線の電流が 45 つくる磁場は西向きである。 よって, 導線を流れる電流の向き は、右ねじの法則より, 北向きである。 (2) (1)より、導線の電流がつくる磁場の強さをH [A/m] とす ると, H=25 [A/m〕 である。 電流の強さをI〔A〕 とすると, I 2×0.10 よって,I=5=5×3.14≒16 [A] (3) 円形コイルの中心の磁場が、 地磁気と逆向きで、同じ大き H= -=25 さであればよい。 コイルに流す電流の強さをI' 〔A〕 とすると, I' VI I 2ла 磁場H I. (1) 北向き Ⅱ. 磁場の強さ: -25 よって, I'=10 [A] 2×0.20 TARS KAME I. 導線P, Q の電流がそれぞれ点Xにつくる磁場の強さを H, HQ とすると, I 2лα H Hp=Ho= 導線 P, Q の電流がつくる磁場の向きは右図となる。 磁場の強さが等しく, なす角が120° であることより,合成磁場 の向きは右図の太い矢印の向きである。 また, 合成磁場の強さ Hx は , Hp (または HQ) と正三角形をつくることより, (2) 16 〔A〕 I 向き 2ла' Hx=Hp= 【参考】 成分で求めると, Hx=Hpcos60°×2=He となる。 北 R÷Á÷AN….... (3) 10 (A) a の図 磁力線 .25 [A/m) 電流 磁場 H₂O H60060° Far-102043: H₂ 図 a Q 第4章 電気と磁気 流と磁場, 荷電粒子の運動 177

(1)番を教えてください。答えはアです。

例題 1 誘導起電力 図a のように、1辺の長さがαの正方形のコイル 図a PQRS が鉛直上向きで一様な磁束密度Bの磁場中 に置かれている。 コイルの面は磁場に垂直である。 図bのように磁束密度を時刻t=0Sから4までの 間にBo から0まで一定の割合で減少させた。 コイ 図b ルの全抵抗をとし 0<tくのときについて以 下の問いに答えよ。 BA Bo (1) コイルに生じる誘導起電力Vの電位は,アが 高いか, イが高いか。 (2) 微小時間tの間での磁束の変化⊿のを a, Bo, t, 4t を用いて表せ。 (3) コイル PQRS に発生する誘導起電力V を α, Bo, t を用いて表せ。 P Q の 向きを正とする。 P 0 B S ti R 5 10

EX4で、なぜ2πでωを割るのかわからないです。

(x) B' S=12で, dB dt dt はグラフの傾きである。 $ 72* 半径aの円形領域で,紙面の裏から表へ向かう磁束密 度が単位時間あたりの一定の割合で増している。 半径 のコイルに生じる誘導起電力の向きはXかYか。 また, その大きさを, (1)r≦a と(2)r>αの場合について求 めよ。 dt EX 4 半径r[m]の円形レールの一部をカットし、中 心と端Aを抵抗 R [Ω] で結ぶ。 OP は金属棒 で, 時刻 t=0 に OA の位置から一定の角速度 ③ [rad/s〕 で反時計回りに回転させる。 磁束密度 B [Wb/m²] の磁場が紙面の表から裏の向きにか かっている。 R以外の抵抗はないとする。 (1) 時刻t [s] においてコイル OAP を貫く磁束を求めよ。 (2) OA を流れる電流の強さと向きを求めよ。 .. V= V Brew R 2R /X V=(rw+0) Br=Brw 2 少々手荒いが、 分かりやすさが取りえ! V B (1) OP は角度wt回転している。 扇形OAP の面積は円の面積 πr² を中心 wt で比例配分し, S=πr2x- p=BS=Br³wt (Wb] 2π (2) この結果より 40=1/2 Brwat B O R a B I 〔A〕 上向きの磁場をつくる向き,すなわち0Aの向きに流れる。 tro ト色 導体棒が動いているのでBlを利用する手もある。 ただ, 速さ OP 間の場所ごとに違う。 Pは最大の速さで rw, 0 は最小で0 から”としては平均の速さを用いる。 3 V P

EX4で、なぜ2πでωを割るのかわからないです。

(x) B' S=12で, dB dt dt はグラフの傾きである。 $ 72* 半径aの円形領域で,紙面の裏から表へ向かう磁束密 度が単位時間あたりの一定の割合で増している。 半径 のコイルに生じる誘導起電力の向きはXかYか。 また, その大きさを, (1)r≦a と(2)r>αの場合について求 めよ。 dt EX 4 半径r[m]の円形レールの一部をカットし、中 心と端Aを抵抗 R [Ω] で結ぶ。 OP は金属棒 で, 時刻 t=0 に OA の位置から一定の角速度 ③ [rad/s〕 で反時計回りに回転させる。 磁束密度 B [Wb/m²] の磁場が紙面の表から裏の向きにか かっている。 R以外の抵抗はないとする。 (1) 時刻t [s] においてコイル OAP を貫く磁束を求めよ。 (2) OA を流れる電流の強さと向きを求めよ。 .. V= V Brew R 2R /X V=(rw+0) Br=Brw 2 少々手荒いが、 分かりやすさが取りえ! V B (1) OP は角度wt回転している。 扇形OAP の面積は円の面積 πr² を中心 wt で比例配分し, S=πr2x- p=BS=Br³wt (Wb] 2π (2) この結果より 40=1/2 Brwat B O R a B I 〔A〕 上向きの磁場をつくる向き,すなわち0Aの向きに流れる。 tro ト色 導体棒が動いているのでBlを利用する手もある。 ただ, 速さ OP 間の場所ごとに違う。 Pは最大の速さで rw, 0 は最小で0 から”としては平均の速さを用いる。 3 V P

F=IBlcosθが答えだったのですが、なぜ私の回答は違うのか教えてください

-70** 前問のレールを水平から角0傾け, 鉛直上向きの 磁場(磁束密度B) 中に置く。 PQを放したときの終端 速度を求めよ。 また, 途中の速さのときのPQ の加速度の大きさαを求めよ。 ng stre 7 RAB PO

ここに書いてある2文目から何を言っているのかわからないので教えてください。

参考 ホール電圧 電流の方向と磁場の方向のど ちらにも直交する方向に生じる 電位差を, ホール電圧という。 キャリアが自由電子の場合とく らべて キャリアがホール (正 孔) の場合, y 軸方向に生じる ホール電圧の電位の高低の関係: が逆になる。

交流の分野です。最後のキについてなのですが磁場が増えるからそれを打ち消す方向に誘導電流が流れることは理解しているのですが、そこから先、どうやって右手（または左手）を合わせて考えればいいのか分かりません。教えて頂けると有難いです。

297. 交流の発生 次の文中のを正しく埋めよ。 図のように、磁束密度B[T〕 の一様な磁場の中で1回巻 きの長方形のコイル ABCD (AB=a [m], BC=6 [m]) を, 磁場の方向に垂直で AD とBCの中点を通る中心軸 00′ の まわりに、一定の角速度ω 〔rad/s〕 でO側から見て時計回り に回転させる。 コイルの抵抗は R [Ω] であり、その自己インダクタンスは無視する。 ADが図のように磁場の方向と角度wt [rad] (0<wt<)をなす位置にきたとき、コ イルを貫く磁束はア〔Wb] である。 このとき, AB と CD は速さイ 〔m/s] で 等速円運動をしており、磁場に垂直な方向にはウ 〔m/s] の速さで動いているので, 磁場の方向から見たコイルの面積が増加する。それにつれて, コイルを貫く磁束が増加 し、その変化率は 〔Wb/s] である。したがって,コイルには大きさオ [V] カ ] [A] の誘導電流が の向きに流れる。 の誘導起電力が生じ、 A a B 0′ wt D