《上海交通大學(xué)大學(xué)物理學(xué)課件電磁場(chǎng)論》

上海交通大學(xué)大學(xué)物理學(xué)課件電磁場(chǎng)論電磁場(chǎng)論簡(jiǎn)介電磁場(chǎng)論是研究電磁場(chǎng)及其與物質(zhì)相互作用規(guī)律的學(xué)科電磁場(chǎng)是物質(zhì)存在的一種基本形式，它在宇宙中無處不在電磁場(chǎng)理論是現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)，它對(duì)許多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域都有重要意義電磁學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1古希臘時(shí)期發(fā)現(xiàn)靜電現(xiàn)象217世紀(jì)庫(kù)侖定律319世紀(jì)法拉第電磁感應(yīng)定律420世紀(jì)麥克斯韋方程組靜電場(chǎng)1靜電場(chǎng)是由靜止電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)2靜電學(xué)研究靜電場(chǎng)及其與物質(zhì)相互作用規(guī)律的學(xué)科3靜電場(chǎng)理論是電磁場(chǎng)理論的基礎(chǔ)，它對(duì)許多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域都有重要意義電荷與電場(chǎng)電荷是物質(zhì)的基本屬性，它可以是正電荷或負(fù)電荷電場(chǎng)是電荷周圍空間的一種特殊狀態(tài)，它可以對(duì)其他電荷施加力庫(kù)侖定律庫(kù)侖定律描述了兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的相互作用力庫(kù)侖力與電荷的大小成正比，與距離的平方成反比電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度是用來描述電場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量定義電場(chǎng)強(qiáng)度等于單位正電荷在該點(diǎn)所受的力單位牛頓/庫(kù)侖(N/C)電場(chǎng)線的性質(zhì)電場(chǎng)線是用來描述電場(chǎng)方向和強(qiáng)弱的曲線性質(zhì)電場(chǎng)線從正電荷出發(fā)，終止于負(fù)電荷，在電場(chǎng)中不相交密度電場(chǎng)線密度越大，電場(chǎng)強(qiáng)度越大電通量1電通量是用來描述穿過一定面積的電場(chǎng)線數(shù)量2定義電通量等于電場(chǎng)強(qiáng)度在該面積上的積分3單位牛頓·米/庫(kù)侖(N·m/C)高斯定律高斯定律是靜電場(chǎng)的一個(gè)基本定律1內(nèi)容穿過任意閉合曲面的電通量等于該閉合曲面所包圍的總電荷量與真空介電常數(shù)的比值2意義它描述了電荷與電場(chǎng)的聯(lián)系3高斯定律的應(yīng)用球?qū)ΨQ電荷分布例如，計(jì)算帶電球體產(chǎn)生的電場(chǎng)線對(duì)稱電荷分布例如，計(jì)算無限長(zhǎng)帶電直線產(chǎn)生的電場(chǎng)平面對(duì)稱電荷分布例如，計(jì)算無限大帶電平面產(chǎn)生的電場(chǎng)電勢(shì)電勢(shì)是用來描述電場(chǎng)能量的物理量定義電勢(shì)等于單位正電荷在該點(diǎn)所具有的勢(shì)能單位伏特(V)電勢(shì)能1電勢(shì)能是電荷在電場(chǎng)中所具有的能量2定義電勢(shì)能等于電荷的電量乘以該點(diǎn)的電勢(shì)3單位焦耳(J)電勢(shì)的計(jì)算1積分用電場(chǎng)強(qiáng)度沿路徑積分2疊加原理對(duì)多個(gè)電荷產(chǎn)生的電勢(shì)進(jìn)行疊加3特殊情況對(duì)于一些特殊情況，電勢(shì)可以直接計(jì)算等勢(shì)面等勢(shì)面是電勢(shì)相同的點(diǎn)的集合1性質(zhì)等勢(shì)面與電場(chǎng)線垂直，在等勢(shì)面上移動(dòng)電荷，電勢(shì)能不變2電勢(shì)梯度電場(chǎng)與電勢(shì)的關(guān)系電勢(shì)梯度等于電場(chǎng)強(qiáng)度的負(fù)值意義電場(chǎng)強(qiáng)度是電勢(shì)空間變化率的負(fù)值靜電場(chǎng)的能量靜電場(chǎng)能量是用來描述靜電場(chǎng)所儲(chǔ)存的能量計(jì)算靜電場(chǎng)的能量等于電勢(shì)能的總和意義它反映了靜電場(chǎng)的強(qiáng)弱和電荷分布情況電容1電容是用來描述導(dǎo)體儲(chǔ)存電荷能力的物理量2定義電容等于導(dǎo)體所帶的電荷量與電勢(shì)之比3單位法拉(F)電容器的電容電容器是由兩個(gè)相互靠近的導(dǎo)體構(gòu)成電容與電容器的形狀、尺寸和介質(zhì)有關(guān)平行板電容器1平行板電容器由兩塊平行放置的金屬板構(gòu)成2電容與板面積成正比，與板間距成反比3應(yīng)用廣泛應(yīng)用于電子電路中電容器的串并聯(lián)串聯(lián)電容器的總電容小于任何一個(gè)電容器的電容并聯(lián)電容器的總電容大于任何一個(gè)電容器的電容電介質(zhì)電介質(zhì)是非導(dǎo)電物質(zhì)，可以被電場(chǎng)極化作用增加電容器的電容種類氣體、液體、固體極化極化是電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下發(fā)生的一種現(xiàn)象過程電介質(zhì)中的分子或原子發(fā)生變形或重新排列結(jié)果形成電偶極矩電介質(zhì)中的高斯定律高斯定律在電介質(zhì)中仍然成立1修正需要考慮電介質(zhì)的極化效應(yīng)2電位移矢量電位移矢量是用來描述電場(chǎng)的另一個(gè)物理量定義電位移矢量等于真空介電常數(shù)乘以電場(chǎng)強(qiáng)度加上極化強(qiáng)度意義它反映了電場(chǎng)的強(qiáng)度和電介質(zhì)的極化效應(yīng)靜電場(chǎng)的邊界條件1邊界條件是用來描述靜電場(chǎng)在不同介質(zhì)界面上的性質(zhì)2內(nèi)容電場(chǎng)強(qiáng)度和電位移矢量在邊界上的變化關(guān)系電流電流是電荷的定向運(yùn)動(dòng)定義電流等于單位時(shí)間內(nèi)流過導(dǎo)體橫截面的電荷量單位安培(A)電流密度電流密度是用來描述電流強(qiáng)弱的物理量定義電流密度等于單位面積上的電流方向電流密度的方向與電荷定向運(yùn)動(dòng)的方向相同電阻1電阻是導(dǎo)體對(duì)電流阻礙作用的程度2定義電阻等于導(dǎo)體兩端的電壓與電流之比3單位歐姆(Ω)歐姆定律1歐姆定律是電路中的基本定律2內(nèi)容導(dǎo)體中的電流與導(dǎo)體兩端的電壓成正比，與導(dǎo)體的電阻成反比3公式I=U/R電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)是用來描述電源做功能力的物理量定義電動(dòng)勢(shì)等于電源將單位正電荷從負(fù)極移到正極所做的功單位伏特(V)電路電路是由電源、導(dǎo)線、電阻、電容等元件組成的閉合回路作用電流在電路中流動(dòng)，完成能量的傳輸分類直流電路、交流電路基爾霍夫定律1基爾霍夫定律是電路分析中的兩個(gè)基本定律2電流定律流入一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流之和等于流出該節(jié)點(diǎn)的電流之和3電壓定律閉合回路中各段電壓的代數(shù)和等于零磁場(chǎng)1磁場(chǎng)是磁體周圍空間的一種特殊狀態(tài)，它可以對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷施加力2產(chǎn)生磁場(chǎng)可以由磁體或電流產(chǎn)生3方向磁場(chǎng)方向由磁力線方向決定磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度是用來描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量1定義磁感應(yīng)強(qiáng)度等于單位正電荷在該點(diǎn)以速度v垂直于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的力2單位特斯拉(T)3磁力線磁力線是用來描述磁場(chǎng)方向的曲線性質(zhì)磁力線是封閉的曲線，磁力線的方向是磁場(chǎng)方向密度磁力線密度越大，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大磁通量1磁通量是用來描述穿過一定面積的磁力線數(shù)量2定義磁通量等于磁感應(yīng)強(qiáng)度在該面積上的積分3單位韋伯(Wb)安培定律安培定律是磁場(chǎng)的一個(gè)基本定律內(nèi)容閉合回路上的磁場(chǎng)強(qiáng)度線積分等于該閉合回路所包圍的電流的總和意義它描述了電流與磁場(chǎng)的聯(lián)系畢奧-薩伐爾定律畢奧-薩伐爾定律是計(jì)算電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的定律內(nèi)容電流元在空間某點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流元的大小、方向和該點(diǎn)與電流元之間距離有關(guān)直線電流的磁場(chǎng)1磁場(chǎng)方向與電流方向垂直2磁場(chǎng)強(qiáng)度與距離成反比3應(yīng)用例如，計(jì)算通電直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)環(huán)形電流的磁場(chǎng)1磁場(chǎng)方向環(huán)形電流中心軸線上2磁場(chǎng)強(qiáng)度中心軸線上最大，隨距離增大而減小3應(yīng)用例如，計(jì)算通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)螺線管的磁場(chǎng)螺線管由許多匝線圈繞成磁場(chǎng)螺線管內(nèi)部磁場(chǎng)均勻分布，外部磁場(chǎng)很弱應(yīng)用例如，制作電磁鐵安培力安培力是磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)體的作用力大小與電流的大小、磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和導(dǎo)體的長(zhǎng)度成正比方向由左手定則決定洛倫茲力1洛倫茲力是磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力2大小與電荷的大小、速度的大小、磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和速度與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的夾角的正弦成正比3方向由左手定則決定磁場(chǎng)對(duì)電流的作用1磁場(chǎng)可以對(duì)通電導(dǎo)體施加力2大小與電流的大小、磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和導(dǎo)體的長(zhǎng)度成正比3方向由左手定則決定磁偶極矩磁偶極矩是用來描述磁體或電流回路的磁性強(qiáng)弱的物理量1大小與電流的大小和回路的面積成正比2方向由右手螺旋定則決定3磁介質(zhì)磁介質(zhì)是能夠被磁化物質(zhì)作用改變磁場(chǎng)分布種類順磁性物質(zhì)、抗磁性物質(zhì)、鐵磁性物質(zhì)磁化1磁化是磁介質(zhì)在磁場(chǎng)作用下發(fā)生的一種現(xiàn)象2過程磁介質(zhì)中的分子或原子發(fā)生定向排列3結(jié)果形成磁偶極矩磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度是用來描述磁介質(zhì)磁化程度的物理量定義磁化強(qiáng)度等于單位體積內(nèi)的磁偶極矩之和單位安培/米(A/m)磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度是用來描述磁場(chǎng)的另一個(gè)物理量定義磁場(chǎng)強(qiáng)度等于磁感應(yīng)強(qiáng)度減去磁化強(qiáng)度方向磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向相同磁滯現(xiàn)象1磁滯現(xiàn)象是鐵磁性物質(zhì)磁化過程中的一個(gè)特殊現(xiàn)象2表現(xiàn)磁化強(qiáng)度滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化3原因鐵磁性物質(zhì)的磁疇結(jié)構(gòu)磁路的歐姆定律1磁路的歐姆定律是磁路中的一個(gè)基本定律2內(nèi)容磁路中的磁通量與磁動(dòng)勢(shì)成正比，與磁阻成反比3應(yīng)用用于計(jì)算磁路中的磁通量和磁場(chǎng)強(qiáng)度電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)是變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)的一種現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)由法拉第發(fā)現(xiàn)應(yīng)用例如，發(fā)電機(jī)、變壓器法拉第電磁感應(yīng)定律法拉第電磁感應(yīng)定律是電磁感應(yīng)的一個(gè)基本定律內(nèi)容穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)公式ε=-dΦ/dt楞次定律1楞次定律是用來描述感應(yīng)電流方向的定律2內(nèi)容感應(yīng)電流的方向總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量變化動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)1動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)是由于導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)2大小與導(dǎo)體的長(zhǎng)度、速度的大小、磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和速度與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的夾角的正弦成正比3方向由右手定則決定感生電動(dòng)勢(shì)感生電動(dòng)勢(shì)是由于穿過閉合回路的磁通