电磁学第一章汇总

四川师范大学教案电磁学物理与电子工程学院

物理与电子工程学院

注：教案按授课章数填写，每一章均应填写一份。重复班授课可不另填写教案。教学内容须另加附页。

绪论

一、研究对象及目的、手段

电磁学是研究电磁现象的规律的科学。 研究对象： 电磁现象（电磁场）

目的： 通过对现象的研究，揭示电磁场的基本规律及本质。 手段： 以实验定律为基础，导出电磁场的基本规律。 在电磁学中，有三大基本实验定律：

库仑定律： 电荷激发电场的规律，是电磁学历史上第一个定量的规律，是整个电磁学的基础

（电荷→电场）

毕奥-萨伐尔定律： 电流元产生磁场的规律（电→磁） 法拉第电磁感应定律： 变化的磁场产生电场的规律（磁→电）

二、本书结构

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

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⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧）介质中（）真空中（磁场电流在其周围激发磁场

交流电路，电路又分直流电路和电流流过的路径是电路动就要形成电流，）：电荷产生定向的流、电流及电路（）电磁感应（、导体和介质中观察者是静止的产生电场的电荷相对于与电荷有关真空中静电场）电磁场（75846)32(, (1)9

第一章 静电场的基本规律

一、静电场

相对于观察者（惯性系）为静止的电荷所产生的电场。 二、描述电场的（两个重要）物理量

⎭⎬⎫)(位电势电场强度都是空间位置的函数⎪

⎩

⎪

⎨⎧⎩⎨⎧代数量算术量标量点函数矢量点函数

三、描述静电场基本性质的规律

场强迭加原理：说明场具有迭加性，几个电磁场可以同时占据同一个几何空间；

高斯定理：说明静电场是有源场，激发电场的电荷就是“源”；

环路定理：说明静电场是有势场，静电场力作功与路径无关。

§1.1 电荷

一、电荷是物质的一种基本属性

用丝绸或毛皮摩擦过的玻璃棒、硬橡胶棒、石英等都能吸引轻小物体，这表明它们在摩擦后进入一种特别的状态。我们把处于这种状态的物体叫做带电体，并说它们带有电荷。

自然界中的电荷只有两种：

用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷命名为正电荷

用毛皮摩擦过的硬橡胶棒所带的电荷命名为负电荷

在这里要注意几个概念的区别和联系：

带电体：处于带电状态的物体；

电荷：是指带电体的一种属性（和质量是一个相当的物理量）

电量：是电荷的定量测度，正电荷的电量以正值表示，负电荷的电量以负值表示。

二、电荷的基本性质

1、对偶性：自然界中只有两种电荷（正电荷、负电荷），它是物质对称性的一种表现形式。

2、量子性：一切物体所带的电荷都是分立的，是以一个一个不连续的量值出现的，这种现象叫做电荷的量子化。物体所带电荷都是基元电荷的整数倍。基元电荷也叫电荷量子，它就是一个电子所带的电荷，用e表示，且e=1.602*10-19库仑。

应注意（指出）：基元电荷太小，宏观带电物体所带基元电荷的数目非常巨大，因此，电荷的量子化表现不出来。所以，在经典电磁学范围内，不考虑电荷的量子化，而把宏观带电物体所带电荷视为连续分布。

3、电荷之间有相互作用：

同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。当异种电荷在一起时，它们的效应有互相抵消的作用。正负电荷完全抵消的状态叫中和。

4、电荷守恒定律：

电荷既不能产生，也不能消失，只是由一个物体转移到另一个物体，或者从物体的这一部分转

移到另一部分。或表述为：在一个与外界没有电荷交换的系统内，正负电荷的代数和在任何物理过程中始终保持不变。如：

摩擦起电：是电荷从一个物体转移到另一个物体；感应起电（静电感应）：将中性物体上的正、负电荷分开。

三、物质的电结构理论（说明物体带电的原因）

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⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎩⎨⎧核外电子：带负电中子：不带电质子：带正电原子核原子分子

物质 质子数和核外电子数相等 在通常情况下，整个原子是电中性的。一切物体带电的根本原因，就是组成物体的原子分子中，存在着带负电的电子和带正电的质子。当其在某种外因作用下，比如摩擦，使得物体或物体的一部分上的电子数多于质子数，这时物体带负电，反之，物体带正电。

物质的电结构不同将呈现不同的导电性能，而根据导电性能的不同可把物体分成导体、半导体、绝缘体三种。

四、导体、半导体、绝缘体（电介质）

1、导体：允许电荷通过的物体。

金属——金属中的价电子在整个金属中自由运动（自由电子），金属中存在许多自由电子是金属容易导电的基本原因。

电解液——其中存在许多能作宏观运动的正负离子。 被电离的气体——气体被电离后，内部存在许多正、负离子。 2、绝缘体（电介质）：不允许电荷通过的物体。

绝缘体中的电子，受原子核的吸引力而被束缚（束缚电荷），自由电子极少，因而导电性极差。当然，绝缘体不是绝对的，在强大的外界电力作用下，绝缘体中的束缚电子可能摆脱束缚变为自由电子，从而绝缘体变成导体，这称为电介质的击穿。如：未被电离的干燥气体是绝缘体，被电离后便成导体。

3、半导体：导电性介于导体与绝缘体之间。如锗、硒、硅等。半导体中的载流子为自由电子和带正电的“空穴”。主要由“空穴”导电的半导体称为P 型半导体，主要由电子导电的半导体称为n 型半导体。半导体是一种非常特殊的材料，在近代电子技术中起着重要作用。这主要是因为半导体有几种特殊的效应：

掺杂效应：掺入少量杂质，可以大大改变半导体的导电性能。

热敏效应：温度升高导电性能迅速变化，做成热敏电阻，可作温度计等。 光敏效应：光照使导电性显著增加，做成光敏电阻，作为光电自动控制元件。

§1.2 库仑定律

一、点电荷模型

“点电荷”实际上是一个带电体，当带电体的线度比带电体之间的距离小得多时，它们之间的静电力基本上只取决于它们的电荷量和距离，而与其它因素无关，满足这个条件的带电体叫做点带电体或点电荷。

二、库仑定律

1、定义

真空中两个静止的点电荷间的静电力服从的规律叫库仑定律。 2、内容及数字表达式：

（1）两个点电荷间的静电力大小相等而方向相反，并且沿着它们的联线；同号电荷相斥，异号电荷相吸；

（2）静电力的大小与各自的电荷q 1及q 2成正比，与距离r 的平方成反比，即：

2

2

1r q q k

F （1.1） 其中k 是比例常数，依赖于各量单位的选取，所以要知道k 的值就必须知道式中各量的单位。 三、电荷的单位

电磁学中最常用的单位制有高斯制和国称制。而每个单位制中有四个基本量（有四个基本单位），力学和电磁学中的其它各物理量的单位都可以从这些基本单位导出，称为导出单位。

线度 << r 使 12F 只与 r q q 、、21