《电磁学》PPT课件.ppt

电磁学 Electromagnetism 1 主讲 陈永虎 物理系 Telhuchen 电话 3606024 O 3607661 H 助教 周少帅shshzhou 田秀娜tianxn 李硕arvin 2 教材 电磁学与电动力学 上册 胡友秋 程福臻 叶邦角编著 2008年 科学出版社主要参考书 1 电磁学 张玉民 戚伯云编 2007年 科学出版社2 电磁学 赵凯华 陈熙谋 2003年4月 高等教育出版社3 电磁学专题研究 陈秉乾 舒幼生 胡望雨 2001年12月 高等教育出版社4 电磁学 伯克利物理学教程 第二卷 美 E M 珀塞尔著 南开大学物理系译 1979年6月 科学出版社5 物理学 第二卷第一册 美 D 哈里德 R 瑞斯尼克著 李仲卿等译 1979年6月 科学出版社6 普通物理学 第二卷 C 福里斯 A B 季莫列娃著 梁宝洪译 1958年11月 高等教育出版社7 电磁学 第二版 贾起民 郑永令 陈暨耀 2001年1月 高等教育出版社8 电磁学 陈秉乾 王稼军编著 2003年5月 北京大学出版社9 物理型系学生用 电磁学 胡友秋 程福臻 刘之景编 1997年3月 高等教育出版社 3 Electromagnetism GerealdL Pollack DanielR Stump 高等教育出版社 2005年IntroductiontoElectrodynamics 3rdEdition DavidJ Griffiths 世界图书出版公司 2005年 叶邦角教授在线课堂 4 绪论电磁学的历史和前景 经典电磁学的简要发展史电磁学在当代物理学 标准模型 中的位置 5 一 早期的电磁研究 从 電 字说起公元前16 11世纪 甲骨文出现 雷 字 西周公元前11世纪出现 電 字 康熙字典 陰陽激耀 從雨從申 淮南子 公元前120年 阴阳相搏为雷 激扬为电 6 西周的青銅器已出現 電 字 7 Electricity AnearlyGreekword hlector pronounced elector wasalsousedtodescribeamber 琥珀 becauseofitssunshinycolor Thales 泰勒斯 ofMiletus about585B C thefirstknownGreekphilosopherandscientist 8 磁性 磁 慈石 管子 公元前 645年 春秋战国时期 公元前770 221年 山上有慈石者 其下有铜金 古希腊泰勒斯 苏格拉底曾提到磁石 法文 西班牙文和匈牙利文称 爱的石头 9 古代电磁的应用 指南针 鬼谷子 公元前4世纪 韩非子 公元前3世纪 司南 沈括 1031 1095 梦溪笔谈 4种指南法 广泛应用于航海西方最早记载指南针用于航海的是1207年 10 汉 公元前206 公元220年 盘17 8 17 4厘米 勺长11 5 口径4 2厘米 司南由青铜地盘与磁勺组成 地盘内圆外方 中心圆面下凹 圆外盘面分层次铸有10天干 十二地支 四卦 标示二十四个方位 磁勺是用天然磁体磨成 置于地盘中心圆内 勺头为N 勺尾为S 静止时 因地磁作用 勺尾指向南方 11 史记 记载 磁石用于治疗疫病 李时珍 1518 1593 本草纲目 详细总结了磁石治疗的十种应用 古希腊医生加伦 磁石治疗腹痛 磁石在建筑上的应用 秦阿房宫以磁石为门 磁石在军事 幻术 选矿等均有记载 12 二 电磁学的诞生 十三世纪欧洲文艺复兴 通过实验研究自然规律已蔚然成风 培根 应当靠实验来弄懂自然科学 法国Maricourt做了不少磁学实验 并于1269年写了一本小册子 描述了他的发现 他发现磁极有两极 并命名为N极和S极 异极相吸 同极相斥 十三世纪古罗马Peregrines 1269 8 8 论磁体的信 色 均匀性 重量 吸引力 极的概念 同性相斥 异性相吸 13 WilliamGilbert 英女王伊麗莎白一世的御醫 1540 1603InhisDemagnete 論磁性 1600 Gilbertfoundedthescienceofmagnetism Gilbertwasthefirsttounderstandreallyclearlythattheearthitselfisagiantmagnet Heintroducedthetermelectricityintoscientificdiscourse electricforce magneticpole andelectricattraction GilbertfirstdistinguishedElectricityandMagnetism 14 一个严重的错误是把地球的自转归结于地磁力 15 17世紀的摩擦起电研究 盖里克 Guericke 1602 1686 发現电的排斥現象 发明摩擦起电机 Hebuiltthefirstmachinetocreateanelectricspark 16 法国物理学家迪非 1698 1739 论电 经过实验表明 带电体与非电体之间并无本质的区别 所有物体都可以带电 1734年 迪非发现两类不同的电荷 一种称为玻璃电 一类称为树脂电 他实际上发现了正负电荷 但命名不确切 并提出二元电液理论 17 迪非的信 存在着两种判然不同的电 一种我称之为玻璃电 另一种为树脂电 第一种是玻璃 水晶 宝石 动物毛发 羊毛和其他许多物体的电 第二种是琥珀 树脂 丝 线绳 纸和无数其它物质的电 这两种电的特征是 一个带玻璃电的物体排斥一切带同类电的物体 相反却吸引一切带树脂电的物体 18 早期 17世纪 的靜电产生器 19 BenjaminFranklin 富兰克林 1706 1790 美国科學家 发明家 政治家 社會慈善家首先定义正电 负电单流体说电荷守恆原理費城风箏实验連結天电和地电发明避雷针 他从天空抓到雷电 从专制统治者手中夺回权力 A R J 杜尔哥 20 费城实验 富兰克林也因这项成就 而在1753年11月荣获了伦敦皇家学会颁发的科普勒金质奖章 21 卡文迪许与库仑 卡文迪许 1731 1810 英国贵族 终生未婚独居 献身于科学事业 只问耕耘 不问收获发明扭秤 在实验室中测定万有引力常数G1777年 提出电荷作用的平方反比律 电的吸引力和排斥力很可能反比于电荷间距离的平方 法国物理学家库仑 1736 1806 运用扭秤测定电荷之间的相互作用 证明了电力与电荷量之积成正比 与距离平方成反比 22 1785年 库仑设计了精巧的扭秤实验 直接测定了两个静止点电荷的相互作用力与它们之间的距离二次方成反比 与它们的电量乘积成正比 同年 他在给法国科学院的 电力定律 的论文中详细地介绍了他的实验装置 测试经过和实验结果 库仑的实验得到了世界的公认 从此电学的研究开始进入科学行列 从1785 1791年 库仑发表了7篇论文 1811年泊松把早先力学中拉普拉斯在万有引力定律基础上发展起来的势论用于静电 发展了静电学的解析理论 23 二百多年来 许多科学家一直不懈地进行平方反比律的验证 其精度不断提高 已成为物理学最精确的实验规律 Cavendish2 10 2Maxwell5 10 5Dlimpton Lawton2 10 9Cochran Franken9 2 10 121970Bartlett1 3 10 131971Willian 2 7 3 1 10 13 24 电流的发现 18世纪后期电学的另一个重要的发展是意大利物理学家伏打发明了电池 在这之前 电学实验只能用摩擦起电机的莱顿瓶进行 而它们只能提供短暂的电流 1780年 意大利的解剖学家伽伐尼偶然观察到与金属相接触的蛙腿发生抽动 伏打发现蛙腿的抽动是一种对电流的灵敏反应 电流是两种不同金属插在一定的溶液内并构成回路时产生的 而肌肉提供了这种溶液 1799年 他制造了第一个能产生持续电流的化学电池 其装置为一系列按同样顺序叠起来的银片 锌片和用盐水浸泡过的硬纸板组成的柱体 叫做伏打电堆 25 伏打电堆 26 电流的磁效应 1750年富兰克林已经观察到莱顿瓶放电可使钢针磁化 甚至更早在1640年 已有人观察到闪电使罗盘的磁针旋转 但到19世纪初 科学界仍普遍认为电和磁是两种独立的作用 与这种传统观念相反 丹麦的自然哲学家奥斯特接受了德国哲学家康德和谢林关于自然力统一的哲学思想 坚信电与磁之间有着某种联系 经过多年的研究 他终于在1820年发现电流的磁效应 当电流通过导线时 引起导线近旁的磁针偏转 电流磁效应的发现开拓了电学研究的新纪元 27 2020 1 3 28 1820年7月21日 丹麦奥斯特发现电流的磁效应 1820年9月18日 法国安培圆电流对磁针的作用 1820年9月25日 两平行导线的相互作用 1820年9月25日 阿拉果关于钢片在电流作用下被磁化的实验 1820年10月 螺线管与磁铁的等效性 1820年10月30日 比奥和萨伐尔长直电流对磁极的作用 1 r 比奥 萨伐尔 拉普拉斯定律 1821年1月 安培分子电流学 1821年 安培做了四个极为精巧的实验 其构思之新颖 结构之奇巧 堪称物理史上的不朽之作 29 电流磁效应的发现打开了电应用的新领域 1825年斯特金发明电磁铁 为电的广泛应用创造了条件 1833年高斯和韦伯制造了第一台简陋的单线电报 1837年惠斯通和莫尔斯分别独立发明了电报机 莫尔斯还发明了一套电码 利用他所制造的电报机可通过在移动的纸条上打上点和划来传递信息 1855年汤姆孙 即开尔文 解决了水下电缆信号输送速度慢的问题 1866年按照汤姆孙设计的大西洋电缆铺设成功 1854年 法国电报家布尔瑟提出用电来传送声音的设想 但未变成现实 后来 赖斯于1861年实验成功 但未引起重视 1861年贝尔发明了电话 作为收话机 它仍用于现代 而其发话机则被爱迪生的发明的碳发话机以及休士的发明的传声器所改进 30 欧姆定律 电流磁效应发现不久 几种不同类型的检流计设计制成 为欧姆发现电路定律提供了条件 1826年 受到傅里叶关于固体中热传导理论的启发 欧姆认为电的传导和热的传导很相似 电源的作用好像热传导中的温差一样 为了确定电路定律 开始他用伏打电堆作电源进行实验 由于当时的伏打电堆性能很不稳定 实验没有成功 后来他改用两个接触点温度恒定因而高度稳定的热电动势做实验 得到电路中的电流强度与他所谓的电源的 验电力 成正比 比例系数为电路的电阻 31 电磁感应 杰出的英国物理学家法拉第从事电磁现象的实验研究 对电磁学的发展作出极重要的贡献 其中最重要的贡献是1831年发现电磁感应现象 紧接着他做了许多实验确定电磁感应的规律 他发现当闭合线圈中的磁通量发生变化时 线圈中就产生感应电动势 感应电动势的大小取决于磁通量随时间的变化率 楞次于1834年给出感应电流方向的描述 而诺埃曼概括了他们的结果给出感应电动势的数学公式 美国亨利先于法拉第一年左右发现了电磁感应现象 但他等待积累更多的实验数据而立刻没有发表 当他从一本杂志上介绍法拉第的工作时 他感到无比的沮丧和郁闷 32 法拉第在电磁感应的基础上制出了第一台发电机 此外 他把电现象和其他现象联系起来广泛进行研究 在1833年成功地证明了摩擦起电和伏打电池产生的电相同 1834年发现电解定律 1845年发现磁光效应 并解释了物质的顺磁性和抗磁性 他还详细研究了极化现象和静电感应现象 并首次用实验证明了电荷守恒定律 33 场的概念的建立 超距作用 牛顿和笛卡儿一样反对超距作用 并承认以太的存在 在他看来 以太不一定是单一的物质 因而能传递各种作用 如产生电 磁和引力等不同的现象 18世纪是以太论没落的时期 由于法国笛卡儿主义者拒绝引力的平方反比定律 而使牛顿的追随者起来反对笛卡儿哲学体系 因而连同他倡导的以太论也一同进入了反对之列 18世纪超距作用盛行的另一个原因是Lagrange Leplace Posisson等人从引力定律出发发展出数学上简洁而优美的势论 1845年 Neumann用势得到到了电磁感应定律 NeumannandWeber提出超距作用的电磁理论 Weber企图用势统一电磁理论 34 随着引力的平方反比定律在天体力学方面的成功 以及探寻以太的试验并未获得实际结果 使得超距作用观点得以流行 光的波动说也被放弃了 微粒说得到广泛的承认 到18世纪后期 证实了电荷之间 以及磁极之间 的作用力同样是与距离平方成反比 于是电磁以太的概念亦被抛弃 超距作用的观点在电学中也占了主导地位 35 对于电磁现象的广泛研究使法拉第逐渐形成了他特有的 场 的观念 他认为 力线是物质的 它弥漫在全部空间 并把异号电荷和相异磁板分别连结起来 电力和磁力不是通过空虚空间的超距作用 而是通过电力线和磁力线来传递的 它们是认识电磁现象必不可少的组成部分 甚至它们比产生或 汇集 力线的 源 更富有研究的价值 法拉第的丰硕的实验研究成果以及他的新颖的场的观念 为电磁现象的统一理论准备了条件 诺埃曼 韦伯等物理学家对电磁现象的认识曾有过不少重要贡献 但他们从超距作用观点出发 概括库仑以来已有的全部电学知识 在建立统一理论方面并未取得成功 这一工作在19世纪60年代由卓越的英国物理学家麦克斯韦完成 法拉第力线 36 Maxwell电磁理论 16岁进入爱丁堡大学学习物理 他阅读了W 汤姆生的科学著作 他十分赞同法拉第提出的新观点 并且精心研究法拉第的 电学的实验研究 一书 他发表了第一篇电磁学论文 论法拉第的力线 在这篇论文中 法拉第的力线概念获得了精确的数学表述 并且由此导出了库仑定律和高斯定律 这篇文章还只是限于把法拉第的思想翻译成数学语言 还没有引导到新的结果 37 1862年他发表了第二篇论文 论物理力线 不但进一步发展了法拉第的思想 扩充到磁场变化产生电场 而且得到了新的结果 电场变化产生磁场 由此预言了电磁波的存在 并证明了这种波的速度等于光速 揭示了光的电磁本质 这篇文章包括了麦克斯韦研究电磁理论达到的主要结果 1864年他的第三篇论文 电磁场的动力学理论 从几个基本实验事实出发 运用场论的观点 以演绎法建立了系统的电磁理论 1873年出版的 电学和磁学论 一书是集电磁学大成的划时代著作 全面地总结了19世纪中叶以前对电磁现象的研究成果 建立了完整的电磁理论体系 这是一部可以同牛顿的 自然哲学的数学原理 达尔文的 物种起源 和赖尔的 地质学原理 相媲美的里程碑式的著作 38 Maxwell方程组 39 麦克斯韦进而根据他的方程组预言了电磁作用以波的形式传播 电磁波在真空中的传播速度与光在真空中传播的速度相同 由此麦克斯韦预言光也是一种电磁波 1888年 赫兹根据电容器放电的振荡性质 设计制作了电磁波源和电磁波检测器 通过实验检测到电磁波 测定了电磁波的波速 并观察到电磁波与光波一样 具有偏振性质 能够反射 折射和聚焦 1895年 俄国的波波夫和意大利的马可尼分别实现了无线电信号的传送 1901年马可尼第一次建立了横跨大西洋的无线电联系 电子管的发明及其在线路中的应用 使得电磁波的发射和接收都成为易事 推动了无线电技术的发展 极大地改变了人类的生活 40 20世纪和QED 20世纪上半叶 物理学经历了量子革命 电磁学也获得更深刻认识 量子电动力学 QuantumElectrodynamics QED 是经典电动力学的量子化版本 它更精确地描绘了微观粒子的电磁运动规律 经典电磁学是QED在宏观体系中的极限近似 41 电荷是什么 42 Electrons 10 18m Atomnucleusnucleonquark10 10m10 14m10 15m10 18m Constituentsofmatter see 43 六种夸克和所带的电荷 44 电荷是带电基本粒子的一种属性 e 1 6x10 19C电子 e质子 uud e中子 udd 0 45 电荷守恒定律是一切宏观过程和一切微观过程都必须遵循的基本规律 它在所