中科大电磁学(全套课件)
中科大电磁学课件--第五章
小结
无论是导线中的电流(传导电流)产生的磁场还 是磁铁(分子环流)产生的磁场本源都只有一个 即电荷的运动。也就是说前面介绍的各种实验 中出现的现象都可以归结为运动着的电荷(即电 流)之间的相互作用，这种相互作用是通过磁场 来传递的。 电荷之间的磁相互作用与电(库仑)相互作用的 区别在于：无论电荷是静止的还是运动的，它 们之间都存在着库仑相互作用；但是只有运动 的电荷才存在着磁相互作用。
在非均匀磁场中它会发生运动。
图5.8 无定向秤
实验一：安培将一对折的通电导线移近无定向秤 以检验对折导线有无作用力。结果是否定的，这 说明电流反向时，电流产生的作用力也反向，大 小相等的电流产生的力的大小相等。 实验二：将对折导线中的一段绕在另一段上成螺 旋形(如图5.10)，通电后将它移近无定向秤。结 果表明无定向秤仍无任何反应，这表明一段螺旋 状导线的作用与一段直长导线的作用相同，从而 证明电流元具有矢量性质，即许多电流元的合作 用是各单个电流元作用的矢量叠加。
'
由毕奥萨伐尔定律和磁场的叠加原理可以 给出其积分形式
B
0
4
L
Id l Leabharlann R R2B
0
4
V
'
j dV R
'
R
'
2
B
0
4
S
'
i dS R R
2
4、磁场的几何描述
磁感应线
直观形象描述磁场在空间各处的强弱、方向分 布情况。 定义：曲线上每一点的切线方向是该点磁感应 强度B的方向，曲线数密度与B的大小相等。 通过曲面S的磁感应通量B理解为通过曲面S的 磁感应线数目。
中科大-电磁学课件7.
dφ d ε =− =− dt dt
∫∫ B • d S
s
其中B可以随时间变化。 线圈c 是唯一的，但 是，以线圈c为周边的曲 面是不唯一的，例如可 以是S1或S2 。 定律成立，即要求ε唯 一。
n2 n
n1 n
也就是要求：
∫∫ B • dS = ∫∫ B • dS =
s1 s2
2
2
v
(b)选取线圈b的绕行方向为顺时针方向
这时 S的法向 n与B的方向相反，于是通过线圈b的磁 通量为： 2
μI Φ=−
0
于是：
R 2 3 πr < 0 2 (R2 + Z 2 ) 2
2 2
因为ε < 0 ,所以感应电流的方向与选定的回路b的绕 行方向相反，即沿逆时针方向，结果与（a）相同。
dψ dφ ε =− = −N dt dt
2. 在回路中产生感应电动势的原因是由于通过回
路平面的磁通量的变化，而不是磁通量本身，即使通 过回路的磁通量很大，但只要它不随时间变化，回路 中依然不会产生感应电动势。通过平面s的磁通量为： 式中 θ是B与S 的法线n之间的夹角，所以，根据复合 函数求微商的法则，有：
第七章
电磁感应
§7.1 电磁感应定律 §7.2 动生电动势与感生电动势 §7.3 互感与自感 §7.4 暂态过程
§7.1 电磁感应定律
继1820年丹麦物理学家奥斯特发现了电流的 磁效应后,人们便关心它的逆效应。1831年法拉 第终于发现了电磁感应现象。 1845 年 才 由 诺 埃 曼 （ F.E.Neumann) 和 韦 伯 （W.E.Weber)将其实验成果表达为数学形式， 建立了电磁感应定律。 这是电磁学发展史上最辉煌的成就之一。为 工业革命、人类 进入电气化时代 做出了巨大的 贡献，为后来麦克斯韦普遍 电磁场理论 的建立 奠定了基础。
中科大-电磁学课件3
第三章静电能§3.1 真空中点电荷间的相互作用能§3.2 连续电荷分布的静电能§3.3 电荷体系在外电场中的静电能§3.4 电场的能量和能量密度§3.5 非线性介质及电滞损耗§3.6 利用静电能求静电力能量的基本概念一、引入的目的：1. 能量是物质的共同属性;2. 能量是物质运动的普遍量度;3. 便于研究不同形式能量的转换。
二、特点：1. 是状态的单值函数, 属于整个系统;2. 能量差才有意义;3. 用做功来量度能量。
三、描述的方法：要引入状态参量，规定零点能，然后用做功来计算能量。
对一个带电系统而言，其带电过程总伴随着电荷相对运动。
在这个过程中，外力必须克服电荷间的相互作用而作功。
外界作功所消耗的能量将转换为带电系统的能量，该能量定义为带电系统的静电能。
显然，静电能应由系统的电荷分布决定。
点电荷在外电场中的电势能就是静电能。
定义§3.1 真空中点电荷间的相互作用能设想空间中有多个点电荷, 其带电量用q i 表示, 相应的位置用ri表示, 任意两个点电荷间的距离可以由rij=|rij|=|ri-rj|给出,所谓点电荷之间的相互作用能，指的是与点电荷间的相对位置有关的静电能。
状态量取为rij（i, j = 1,2,…,N），时，它们之间的静电相互作用消失，很自然地取这时的相互作用能为零。
我们用一种类似于数学归纳法的办法来计算由N个点电荷组成的静电体系的静电能.ijr→∞一个点电荷q在电场U中的电势能W=qU当两个点电荷12212,4W q U r πε==W=3122113312332 2,24N i i i ji W q U U U rπε===∑∑∑其中§意味着电场空间中只允许导体和介电常量恒等元，ρ= a。
可求得电荷密度为、半径为a的均匀带电e2. 为荷元，它在自身产生的电势不会大于σ()dS σr3. 线电荷分布的情况1()()e W l U l dl λ=∫或11()()e e W l U l dl λ=∫N个带电体，体积分别为间的总电势U(r)分为两部分可写成：其中，例3.1]球的静电能（带电体的介电常量设为[解]0θϕ5. 对带电导体导体的特点是势体。
中科大《电磁学》完
3、介质磁化的微观机制经典解释
分子固有磁矩：分子内全部电子磁矩矢量和，其中电 子磁矩包括轨道磁矩和自旋磁矩。 顺磁效应：若分子固有磁矩不为0，无外磁场时，分子 热运动使各分子的磁矩取向不同，宏观磁矩为0。有外 磁场时，分子受磁力矩作用有顺着外场排列的趋势， 产生与外场方向一致的磁化强度。 抗磁效应：无外磁场时，分子固有磁矩为0。在外磁场 作用下，分子中每个电子的轨道运动受影响，而引起 附加轨道磁矩；它总与外场反向，产生与外场方向相 反的磁化强度。
以上关于物质磁性惟一来源于磁 矩的观点，统称为《磁矩学说》， 或称为《磁偶极矩学说》。它的一 个很明确的结论是不存在磁单极。 1931年狄拉克从理论上论证了磁 单极子存在的可能性。但至今还未 曾从实验上发现磁单极子。
磁电子学的发展和应用
利用磁有序材料中，磁有序可 能对电子运动产生影响的效应 做成电子器件。
铁磁效应：主要来源于电子的自旋磁矩。无外 磁场时，铁磁质中电子自旋磁矩小范围内自发 排列形成自发磁化区－磁畴，具有很强的磁化 强度，但各磁畴方向不同，不显示宏观磁性。 在外磁场作用下，磁化方向与外磁场接近的磁 畴会扩大疆界，直至饱和，介质显示很强的宏 观磁性。
§6.4 边值关系与唯一性定理
§6.4.1 边值关系：
§6.2 有磁介质存在的静磁场的 基本性质
高斯定理：
B d S 0
S
安培环路定理：
' B d l ( I I ) 0 0 L
只要知道I0和I‘的分布，原则上就可以确 定磁介质内、外的静磁场。
磁场强度H
为使安培环路定理简化，不出现磁化电流，引入物理 B 量－磁场强度H H M 0
电磁学 全套课件
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
电磁学全套ppt课件
由于磁场变化而产生的感应电动势。 其大小与磁通量变化的快慢有关，即 与磁通量对时间的导数成正比。
自感和互感现象在生活生产中应用
自感现象
当一个线圈中的电流发生变化时，它所产生的磁通量也会发生变化，从而在线圈自身中 产生感应电动势。自感现象在电子线路中有着广泛的应用，如振荡电路、延时电路等。
静电现象在生活生产中应用
静电喷涂
利用静电吸附原理进行 喷涂，提高涂层质量和
效率
静电除尘
利用静电作用使尘埃带 电后被吸附到电极上，
达到除尘目的
静电复印
利用静电潜像形成可见 图像的过程，实现文件
快速复制
静电纺丝
利用静电场力作用使高 分子溶液或熔体拉伸成
纤维的过程
03
恒定电流与电路基础知识
电流产生条件及方向规定
电流产生条件
导体两端存在电压差，形成电场 ，使自由电子定向移动形成电流
。
电流方向规定
正电荷定向移动的方向为电流方向 ，负电荷定向移动方向与电流方向 相反。
电流强度定义
单位时间内通过导体横截面的电荷 量，用I表示，单位为安培（A）。
欧姆定律与非线性元件特性
01
02
03
欧姆定律内容
在同一电路中，通过导体 的电流跟导体两端的电压 成正比，跟导体的电阻成 反比。
联系专业电工进行处理。
THANKS
感谢观看
特点介绍
正弦交流电具有周期性、连续性、可变性等 特点。其电压和电流的大小和方向都随时间 作周期性变化，且波形为正弦曲线。
三相交流电传输优势分析
传输效率高
三相交流电采用三根导线 同时传输电能，相比单相 交流电，其传输效率更高 ，线路损耗更小。
中科大电磁学四PPT课件
图3.3 几种材料的电阻率ρ
（2）欧姆定律的微分形式
实验指出：当保持金属的温度恒定时，金属中
的电流密度j与该处的电场强度E成正比，即
j E
上式表明：导体内任一点的电流密度矢量与该 点的场强方向相同，大小成比例。
欧姆定律的微分形式对频率不是很高的非稳恒 电流也是适用的。
在更一般的情况下，电导率本身也是场强的函 数，因此有：
欧姆定律应推广为普遍形式的欧姆定律：
j (E K)
电流是静电力和非静电力共同作用的结果，在 只有静电力的电路段时，回到通常的欧姆定律 形式。
图3.4 电源内部的非静电力
§4.3.2电源电动势与路端电压
1、电动势ε
实际上，描述电源特性常用的物理量是电动势， 定义为将单位正电荷从负极经电源内部移到正 极时非静电力所做的功。
电源内部 K • d l
电源的电动势反映电源中非静电力做功的本领， 是表征电源本身特性的物理量，与外电路的性 质以及电路是否接通无关。
2、全闭合电路电动势
有些电源分布于整个闭合回路中，如感生电动 势、温差电动势等，无法区分电源内部和外部， 这时把电动势定义为沿闭合回路的线积分，即
K •dl
5发电机浓差电源等44图36丹聂耳电池图37干电池结构示意图图38温差电效应图39温差电堆示意图45图310太阳能电池阵列图311核能电池示意图46表31化学电池的分类47434稳恒电路中电荷静电场的作用1稳恒电路的特点由稳恒条件和欧姆定律微分形对于均匀介质是常数可得482稳恒电路中电荷分布特点在稳恒电流情况下均匀导体内任一闭合曲面s内q0即内部宏观电荷密度为0净电荷只分布在导体表面不同导体的分界面或电源电极与电解质溶液接触处等导体内不均匀处
首次直接看到单个的原子。 由于这一成就，获得1986年的诺贝尔物理奖。
中科大电磁学课件--第七章
互感系数M
线圈1产生的磁场穿过线圈2的磁通匝链数为 21，若线圈的形状、大小、相对位置保持不 变，周围无磁性物质，根据毕奥-萨伐尔定律： 21=M21I1 式中，M21为比例系数，单位亨利(1H=1Wb/A)。 同理有，线圈2产生的磁场穿过线圈1的磁通匝 链数为：12=M12I2 可以证明：M12=M21=M，称为互感系数。
d dI L dt dt
§7.3.3两个串联线圈的自感
两个自感分别为L1和L2的线圈，它们的互感为 M，由这两个线圈串联等效于一个自感线圈， 但新线圈的自感不等于两线圈自感之和，大小 与接法有关。两个线圈的串联有顺接和逆接两 种方式。
图7.12 串联线圈的自感
当两个线圈顺接时，两线圈电流的磁通互相加 强，每个线圈的磁通匝链数都等于自感和互感 磁通匝链数之和。总感应电动势等于每个线圈 的感应电动势之和。两个线圈顺接时，等效于 一个自感线圈，其自感系数为： L=L1+L2+2M 当两个线圈逆接时，两线圈电流的磁通互相削 弱，总感应电动势等于两个线圈的感应电动势 之和。两个线圈逆接时的等效自感系数为： L=L1+L2－2M
(v B ) d l
L
结论：动生电动势只产生于在磁场中运动的导体上。 若导体是闭合导体回路的一部分，则在回路中产生感 应电流；若Байду номын сангаас构成回路，则导体两端有一定的电势差， 相当于一个开路电源。
§7.2.2再论洛伦兹力不做功
在讨论动生电动势时，洛伦兹力移动单位正电 荷作功，提供非静电力。这是因为只考虑了电 荷随导体运动的速度，而没有考虑电荷受洛伦 兹力而在导体内部的运动速度。 把单位正电荷从a移动到b，洛伦兹力所作的功 正好等于外力克服阻碍导体棒的继续运动的力 所作的功。 洛伦兹力并不提供能量，只是起到能量的转化 作用。
《电磁学》PPT课件
磁场
由运动电荷（电流）产生的特 殊物理场，描述磁极间的相互
作用。
电场性质
对放入其中的电荷有力的作用， 且力的方向与电荷的电性有关。
磁场性质
对放入其中的磁体或通电导线 有力的作用，且力的方向与电
流方向及磁场方向有关。
库仑定律与高斯定理
库仑定律
描述真空中两个静止点电荷之间的相 互作用力，与电荷量的乘积成正比， 与距离的平方成反比。
超导材料在电磁领域应用前景
01
超导材料的基本特 性
零电阻、完全抗磁性Fra bibliotek02超导材料在电磁领 域的应用
超导磁体、超导电缆、超导电机 等
03
超导材料应用前景 展望
高温超导材料、超导电子学器件 等
太赫兹技术发展现状和挑战
太赫兹技术的概念和特点
介于微波和红外之间的电磁波
太赫兹技术发展现状
太赫兹源、太赫兹探测器、太赫兹波谱仪等
05
电磁波传播与辐射理论
麦克斯韦方程组内容解读
麦克斯韦方程组的四个基本方程
01
高斯定律、高斯磁定律、麦克斯韦-安培定律、法拉第感应定律。
方程组的物理意义
02
揭示了电荷、电流与电场、磁场之间的内在联系，描述了电磁
场的产生、传播和变化规律。
方程组在电磁学中的地位
03
是电磁学的基石，为电磁波理论、电磁辐射和天线设计等领域
实例分析
通过具体磁路实例，如电磁铁、变压器等，分析磁路的结构、工作原理和性能特点。
铁磁材料特性及应用领域
铁磁材料特性
具有高磁导率、低矫顽力、高饱和磁感应 强度等特点，易于实现磁化和退磁。
VS
应用领域
广泛应用于电机、变压器、继电器、扬声 器等电气设备中，以及磁记录、磁放大等 领域。
2024版年电磁学全套课件完整版x
静电屏蔽
利用导体静电平衡的特性实现静电屏蔽的原理及 应用。
2024/1/27
10
介质中静电场传播规律
电介质的极化
电介质在静电场中的极化现象及 极化机制，包括电子极化、原子 极化和取向极化等。
介质中的电场强度
电介质中的电场强度与自由电荷 和极化电荷的关系，以及介质中 的高斯定理。
介质中的电位移矢量
电位移矢量的定义及物理意义， 以及介质中的电位移矢量与电场 强度的关系。
2024/1/27
电磁环境与健康关系研究
关注电磁辐射对人类健康的影响，开展相关 研究和评估工作。
32
感谢您的观看
THANKS
2024/1/27
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2024/1/27
普朗克公式
为了解释黑体辐射的实验结果，德国物理学 家普朗克在1900年提出了一个公式，即普朗 克公式。该公式描述了黑体辐射的能量分布 与频率、温度之间的关系，并引入了量子化
的概念，为量子力学的建立奠定了基础。
24
康普顿散射实验和汤姆逊模型
要点一
康普顿散射实验
要点二
汤姆逊模型
康普顿散射是指X射线或伽马射线与物质相互作用时，光子将 部分能量转移给电子，使电子获得动能并从原子中逸出的现 象。康普顿散射实验证实了光具有粒子性，即光子的存在。
2024/1/27
14
磁感应强度计算方法
磁感应强度的定义
磁感应强度是描述磁场强弱和方向的物理量，用B表示，单位为特斯拉（T）。
磁感应强度的计算方法
根据毕奥-萨伐尔定律和安培环路定理，可以计算载流导线或电流回路在空间任一点产生的磁感应强度。
2024/1/27
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霍尔元件工作原理及应用
电磁学课件
§2-2 电容与电容器A capacitor can be "charged" and can store charge.⇨电荷在导体表面的分布必须保证满足导体的静电平衡条件。
⇨对于孤立导体，电荷在导体表面的相对分布情况由导体的几何形状唯一确定，因而带一定电量的导体外部空间的电场称为孤立导体的电容。
由半径决定．若把地球作为一个孤立导体球，其电容也可由上式决定。
对于两个导体组成的导体组，当周围不存在其它导体或带电体，这两导体间的当这两导体附近存在其它带电体或导体时，电量与电势差之间的正比关系将被破坏。
可以采用静电屏空腔导体的屏蔽作用可以使带电物体不影响周围其它带电体，即势差。
C 导体成正比，与导体这种特殊的导体组称为电容器，组成电容器的两个导体分别称为电容器的两个极板。
电容器的电容值为：电容器的电容与电容器的带电状态无关，与周围的带电体也无关，完全由电容器的几何结构决定。
电容的大小反映了当电容器两极间存在广义电容器：多个导体任意放置，构成广义电容器，各个导体的表面是极板。
1.平行板电容器由两块平行放置的金属板组成，极板的面积S大，两极板间的距离d小，两极板均匀带电，带电量为 Q，极板间的电场由极板上的电荷分布唯一确定。
忽略极板的边缘效应，两板之间的电势差为故平行板电容器的电容为:由此可见，增大极板面积，减少两极板间的距离可使电容器的电容量增大。
其电容为:若R B ＞＞R A ，即外球壳B 远离球，则回到孤立导体球的电容公式；若R A 和R B 都很大，而比R A ＝d 很小，则R A ⨯R B =R 2, 则回到平板电容器的公式。
由于电容器每个电极上的电量q ＝，复杂电容器电容的计算C=Q/U 是一个普遍适用的公式，对Q 1≠Q 2的两导体，公式中的Q 应理解为用导线将两导体接通时所交换的电荷量。
符号相反，则接通两极板，转移的电荷量为两极板都不接地的情况,两极板的内侧电荷面密度σ2内，外侧电荷面密度分别为2外，两极板侧面积均为S用导线连接两极板后，因为两极板的几何性质完全一样，静电平衡时它们所带的电量相等，即：所以转移的电量为可见，尽管两极板所带的C=？四、电容器的联结1．电容器串联但实际电容器很少串联使用，因为一旦一只电容器被击穿，会使其他电容器相继被击穿。
中科大电磁学(全套课件)
课件
16
2、数学表达式
F12
k
q1q2 r122
er
F12是电荷1对电荷2的作用力，q1和q2是点 电荷1和2的电量，r12是两点电荷间的距离， er是两点电荷间的单位矢量，k是比例系数
2对1的作用力F21和1对2的作用力F12满足 牛顿第三定律：
F21 课件F12
17
图1.9 库仑扭秤实验装置
13
4、电荷守恒定律
电荷守恒定律 对于一个系统，如果没有净电荷出入其 边界，则该系统的正负电荷的电量代数 和将保持不变，称为电荷守恒定律。
电荷只能发生改变，从一个物体转移到 另外一个物体，或者从物体的一部分转 移到另外一部分。
课件
14
讨论:
物理学的基本规律
适用于一切宏观和微观过程，在所有的惯性系中 都成立，是一个相对论性不变量。
（6） 电子是实物粒子，具有波粒二象性
1924年，法国物理学家德布罗意(L.V.deBoglie)提出 电子具有波粒二象性，奠定了量子力学的基础
课件
11
图1.6世界上首次发现 反物质的科学家
赵忠尧院士
图1.7丁肇中教授领导 建立的α磁谱仪
课件
12
图1.8 在太空中 寻找反物 质的 α磁 谱仪
课件
2、电荷的特点：
（1）电荷的性质： 同种电荷相斥，异种电荷相吸
（2）电量：物体所带电荷的数量 测量电量的仪器：验电器、静电计 电子电量 1.602176462(83)×10－19C （1999年数据）
课件
4
（3）电子的发现及其电荷测量
1891年，英国斯通尼：电的自然单位electon 1897年，Thomson发现电子，并用荷质比测量了 阴极射线粒子的荷质比： e/m＝107 ~3×107
中科大-电磁学课件5
第五章真空中的静磁场§5.1 磁现象与磁场§5.2 毕奥－萨伐尔定律§5.3 安培定律§5.4 静磁场的基本定理§5.5 带电粒子在磁场中的运动§5.1 磁现象与磁场一、磁现象与磁学二、磁的库仑定律及磁场线引入三、电流的磁效应---奥斯特实验四、磁场的定量表述与洛仑兹力五、安培力公式与洛伦兹力公式一、磁现象与磁学磁现象的研究与应用(即磁学)是一门古老而又年轻的学科。
说她古老，是因为关于磁现象的发现和应用的历史悠久；司南勺、指南针。
“magnet”名词来源于古希腊语（magnes），一地名“Magnesia”。
说她年轻，是因为磁的应用目前越来越广泛，已形成了许多与磁学有关的边缘学科。
磁现象是一种普遍现象，即一切物质都具有磁性，任何空间都存在磁场。
磁学犹如一棵根深叶茂的参天大树尽管人们对物质磁性的认识已有两千多年，但直至19世纪20年代才出现采用经典电磁理论解释物质磁性的代表----安培分子环流假说；而真正符合实际的物质磁性理论却是在19世纪末发现电子、20世纪初有了正确的原子结构模型和建立了量子力学以后才出现。
基本磁现象对基本磁现象的认识可以分成三个阶段：1、早期阶段（磁铁⇔磁铁）2、电流⇔磁铁电流⇔电流3、电流⇔磁场⇔电流早期阶段（磁铁⇔磁铁）天然磁铁（吸铁石）能吸引铁、镍、钴等物质。
条形磁铁的两端称作磁极，中部称作中性区。
将条形磁铁的中心支撑或悬挂起来使它能够在水平面内运动，则两极总是指向南北方向分别称作S极和N极。
这是因为地球本身是一个磁体，所以条形磁铁(指南针)可以与地磁体发生相互作用。
铁与地球磁将一磁铁可以一直细分成很小很小的磁铁，而每一个小磁铁都具有N、S极(上图)。
自然界中有独立存在的正电荷或负电荷，但迄今却未发现独立的N、S极，尽管在近代理论中有人认为可能存在磁单极子。
二、磁的库仑定律及磁场线引入1、磁的库仑定律（讨论!？）2、磁场线引入r2、磁场线的引入与电场中引入电场线相似，磁场中可引入磁场线（又称磁力线、磁感应线）。
中科大-电磁学课件1
电磁学与电动力学（上册：电磁学部分）程福臻中国科技大学理学院fzhen@3606844下载“电磁学pdf”网址：/~fzhen/dcx绪论1、什么是电磁学：是研究电磁现象、电磁相互作用规律及其应用的学科。
2、研究的对象：电磁场，与力学、热学区别。
3、适用范围：尺度（1%的原子尺度）∞速度低速高速4、重要性：四大相互作用之一；物质结构的基础；高新技术的基础；其它学科的基础。
1010cm −章次8一真空中的静电场静电场中的导体和电介质课堂教学、课外教学相结合课堂教学：讲授、笔记、讨论、小练习课外教学：教师讲座、参观、小论文竞赛教“物理学不应该教成一堆技术，而应教成思想概念的诗剧。
应该强调思想概念的演变，强调我们企图了解物理世界的历史，以使学生具备洞察未来的能力。
”——爱因斯坦学“学问”：学一半、问一半“学习”：预习、复习、练习“学而不思则罔”“如切如磋、如琢如磨”—交流、求精总成绩计算作业：8分；(双周星期4交)课堂小练习：2分；小论文：10分；期中考试：30分；期末考试：50分。
第一章真空中的静电场§1-1 电荷守恒§1-2 库仑定律§1-3 叠加原理§1-4 电场强度§1-5 高斯定理§1-6 环路定理§1-7 电势§1-1 电荷守恒1. 电荷：电荷是电学中最基本的概念。
早期人们是通过物质的力效应来定义它的。
他们发现许多物质，如琥珀、玻璃棒、硬橡胶棒……等，经过毛皮或丝绸摩擦后，能吸引轻小物质，便说这些物质带了电荷。
吉尔伯特（1544-1603）为了把这种作用与磁作用加以区别，造出“Electricity（电）”，它源自希腊文“琥珀”音译“electron”。
近代物理学的实验揭示了电荷的物理本质。
电荷是基本粒子，如电子、质子、μ子等等的一种属性，离开了这些基本粒子它便不能存在。
也就是说，电荷是物质的基本属性，不存在不依附物质的“单独电荷”。
中科大电磁学课件--第二章PPT课件
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图2.示图
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§2.2.3 导体壳与唯一性定理
（1）腔内无带电体情形 • 基本性质 ➢ 当导体腔内无带电体时，静电平衡下，导体壳的内表面处处无电荷，电荷只分布在外表面上； ➢ 空腔内没有电场，空腔内电势处处相等。 • 法拉第圆筒 内表面无电荷的实验验证。 • 库仑平方反比定律的精确验证
• 电容
CAB与两导体的尺寸、形状和相对位置有关，与qA和UA－UB无关。
即导体尖端附近场强强，平坦地方次之，凹进去的地方最弱。
e 0E
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图2.6 面电荷密度分布示意图
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2、导体在静电场中性质的应用
• 避雷针 • 场致发射显微镜 • 感应起电机
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图2.7 避雷针工作原理
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图2.8 场离子显微镜原理
图2.9场致发射扫描式电子显微镜（分辨率 1nm，放大率6.5×105）
系数是一个只与孤立导体几何形状有关，而与U、q无关的量， 称为孤立导体的电容。
• 单位：法拉F ，1F=1C/V=106uF=1012pF
C q U
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§2.3.2 电容器及其电容的计算
1、电容器 由导体壳和其腔内的导体组成的导体系统叫做电容器。组成电容器的两个导体面叫做电容器的极板。
这是静电学的典型问题，称为静电场的边值 问题。
➢如果静电场解存在的话，它是否唯一，即解 的唯一性问题？
这在电磁学中称为唯一性定理。
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▪ 唯一性定理的表述
当给定电场的边界条件，即给定包围电场空间的边界面S上的 电势US，给定S面内各导体的形状、大小及导体之间的相对位置， 同时再给定下列两条件之一： ➢S面内每个导体的电势Ui； ➢S面内每个导体上的总电量qi；i为导体的编号， 则在以S为边界面的电场空间内满足高斯定理和环路定理的静 电场解是唯一的。
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两静止电荷间的作用力是有心力 适用范围 r：10－15cm到109cm尺度范围
课件 21
4、库仑定律与万有引力的比较
电力与引力的比较 （1）平方反比定律，精确度不一样 （2）是自然界的两种基本力,都是长程力 （3）作用的转播子不一样 场作用力 光子，引力子（？） （4）作用强度不同 万有引力最弱的四大力，仅为电磁力的10-37 （5）电力可以屏蔽，而引力无从屏蔽
图1.1 美国科学家富兰克林
课件 4
2、电荷的特点：
（1）电荷的性质： 同种电荷相斥，异种电荷相吸 （2）电量：物体所带电荷的数量 测量电量的仪器：验电器、静电计 电子电量 1.602176462(83)×10－19C （1999年数据）
课件
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（3）电子的发现及其电荷测量
1891年，英国斯通尼：电的自然单位electon 1897年，Thomson发现电子，并用荷质比测量了 阴极射线粒子的荷质比： e/m＝107 ~3×107 荣获1906年的诺贝尔物理奖 1898年，斯托克斯测量电荷最小单位 e＝5 ×10-10静电单位 1906－1908年，美国密立根用油滴实验，测定电 荷最小单位是 e＝4.06 ×10-10静电单位， 由此荣获1923年的诺贝尔奖
1924年，法国物理学家德布罗意(L.V.deBoglie)提出 电子具有波粒二象性，奠定了量子力学的基础
图1.6世界上首次发现 反物质的科学家 赵忠尧院士
图1.7丁肇中教授领导 建立的α磁谱仪
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图1.8 在太空中 寻找反物 质的 α磁 谱仪
4、电荷守恒定律
电荷守恒定律 对于一个系统，如果没有净电荷出入其 边界，则该系统的正负电荷的电量代数 和将保持不变，称为电荷守恒定律。 电荷只能发生改变，从一个物体转移到 另外一个物体，或者从物体的一部分转 移到另外一部分。
（4） 电子是点电荷
电子电荷集中在半径小于10-18m的小体积内
（5）电荷对称性－反粒子
1931年狄拉克预言反电子－正电子的存在 1932年Anderson发现反电子(e+)。近代高能物理发 现，对于每种带正电荷的基本粒子，必然存在与之 对应的带等量负电荷的另一种基本粒子－反粒子
（6） 电子是实物粒子，具有波粒二象性
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讨论:
物理学的基本规律 适用于一切宏观和微观过程，在所有的惯性系中 都成立，是一个相对论性不变量。 与电荷的量子属性有关 与电子的稳定性有关（>1021年） 近年来电荷不守恒的实验报道，中子衰变过程中 有中子衰变，由此认为中子的电荷不守恒，概率 与电荷守恒的衰变概率之比为7.9×10-21。 电子电量的绝对值与质子电量精确相同，保持物 体的电中性，否则会大大超过引力，不可能形成 星体的。
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图1.2电子的发现者 图1.3 美国物理学家 汤姆逊(J.J.Thomson) 密立根(liken)
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20世纪60年代物理学家提出了一种更基 本的粒子——夸克(quark) 但都不是以自由状态存在，而是被禁闭 在强子内部，不能脱离强子自由运动。 带电量为e/3，和2/3e，即基本电荷电量 变小。
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5、电荷与质量的比较
（1）都是物体的一种属性 （2）都遵守平方反比定律 （3）遵循守恒定律 （4）质量只有一种，而电荷有正负之分 （5）质量有相对论效应，而电荷无相对论效应 （6）电荷具有量子性，而质量无量子性
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2、数学表达式 q1q2 F12 k 2 er r12
F12是电荷1对电荷2的作用力，q1和q2是点 电荷1和2的电量，r12是两点电荷间的距离， er是两点电荷间的单位矢量，k是比例系数 2对1的作用力F21和1对2的作用力F12满足 牛顿第三定律：
F21 F12
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图1.9 库仑扭秤实验装置
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比例系数K值的确定
K的数值、量纲与单位制的选择有关。 在国际单位制（SI）中，电量单位是库仑（C）， 距离单位m，力单位N，
k
1 4 0
0 是物理学中一个基本物理常量，称为真空电容
率或真空介电常量。由实验确定K值为： 由此可确定
0的值，
k=8.987551787×109Nm2/C2
0 =8.854187817×10-12 C2 /(Nm2)
3、库仑定律的说明
是一条实验定律 成立的条件是真空和静止
真空的条件只是为了除去其他电荷的影响和周 围的感应和极化等因素的影响，不是必要条件。 静止要求两电荷相对静止，或者静止电荷对运 动电荷的作用力；但不能推广到运动电荷对静止 电荷的作用力。
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§1.1.2库仑定律(Coulomb’s law)
1、库仑定律的表述
对于两个点电荷，库仑1785年通过对扭秤实验结 果的分析，总结了两个静止点电荷间相互作用力 的规律，即库仑定律，其主要内容是： 在真空中，两个静止点电荷q1和q2之间的相互 作用力的大小和q1与q2的乘积成正比； 和它们之间的距离r的平方成反比； 作用力的方向沿着它们的联线； 同号电荷相互排斥，异号电荷相互吸引；
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图1.4课件Βιβλιοθήκη 9图1.5课件
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3、点电荷
（1） 电磁学意义上的点电荷 当一个带电体本身的线度比所研究的问题中所涉及 的距离小很多时，该带电体的形状与电荷与其上的 分布状况均无关紧要，该带电体就可以看作一个带 电的点，叫点电荷，因此它是一个相对的概念。 （2）电荷的量子性 实验发现：自然界中，电荷总是以一个基本单元的 整数倍出现。 （3）电荷是物质的基本属性 11 课件 不存在不依附物质的单独电荷
第一章
真空中的静电场
课件
1
§1.1 电荷与库仑定律
1.电荷与电荷守恒定律
2. 库仑定律 3. 两任意带电体间的静电力
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§1.1.1 电荷与电荷守恒定律
1、电荷： （1）摩擦起电 （2）两种电荷
任何物体本身都有电荷，只不过数量相等。 自然界只有两种电荷，正电荷和负电荷
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正负电荷的定义
按惯例即富兰克林当初的定义： 在室温下丝绸摩擦过的玻璃棒 所带的电荷称为正电荷； 毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电 荷称为负电荷。