文科物理课件----电磁现象

第二章第二章 永恒的经典永恒的经典 第四节第四节 电磁现象电磁现象 1 一 电 磁现象一 电 磁现象 二 电与磁的统一二 电与磁的统一 三 电磁场与电磁波三 电磁场与电磁波 第四节第四节 电磁现象电磁现象 2 一 一 电 磁现象电 磁现象 1 1 电现象电现象 2 2 磁现象磁现象 3 3 场 场 3 1 电现象 电现象 早在公元前早在公元前600600年 古希腊哲学家 数学家年 古希腊哲学家 数学家 泰勒斯就发现泰勒斯就发现 用毛皮或毛织物摩擦过的琥用毛皮或毛织物摩擦过的琥 珀 能够吸引羽毛 头发等轻小的物品 后珀 能够吸引羽毛 头发等轻小的物品 后 来人们把这种现象叫做来人们把这种现象叫做 摩擦起电摩擦起电 摩擦 摩擦 起电的现象虽然发现很早 但是在长达两千起电的现象虽然发现很早 但是在长达两千 多年的时间里 一直停留在观察琥珀的摩擦多年的时间里 一直停留在观察琥珀的摩擦 起电上 起电上 4 随着社会的进步 人们越来越想搞清楚琥珀为随着社会的进步 人们越来越想搞清楚琥珀为 什么会有那种神奇的吸引力 也使人们发现什么会有那种神奇的吸引力 也使人们发现金金 刚石 水晶 硫磺 玻璃刚石 水晶 硫磺 玻璃等物质在用呢绒 毛等物质在用呢绒 毛 皮或丝绸摩擦过后 也像琥珀那样有神奇的吸皮或丝绸摩擦过后 也像琥珀那样有神奇的吸 引力 这使人们领悟到引力 这使人们领悟到 这种现象并不是琥珀这种现象并不是琥珀 特有的 于是人们就想 可能一切物质中都蕴特有的 于是人们就想 可能一切物质中都蕴 藏着一种看不见的流体 这种流体受到摩擦的藏着一种看不见的流体 这种流体受到摩擦的 时候会从物质中被挤出来 他们把这种看不见时候会从物质中被挤出来 他们把这种看不见 的特殊流体叫做的特殊流体叫做 电电 从此 电产生了 从此 电产生了 5 n发现导体和绝缘体的区别发现导体和绝缘体的区别 英国的格雷研究琥珀的电效应是否可英国的格雷研究琥珀的电效应是否可 传递给其它物体时发现不仅摩擦可以使物传递给其它物体时发现不仅摩擦可以使物 体带电 别的方法比如传递也可以使物体体带电 别的方法比如传递也可以使物体 带电带电 由此发现导体和绝缘体的区别 金属由此发现导体和绝缘体的区别 金属 可导电 丝绸不导电 可导电 丝绸不导电 6 n能蓄电的莱顿瓶能蓄电的莱顿瓶 莱顿瓶的发明为科学界提供了一种贮存电的有莱顿瓶的发明为科学界提供了一种贮存电的有 效方法 为进一步研究电现象提供了一种新的效方法 为进一步研究电现象提供了一种新的 强有力的手段 对电知识的传播和发展起了重强有力的手段 对电知识的传播和发展起了重 要的作用 要的作用 莱顿瓶因其发明地荷兰莱顿瓶因其发明地荷兰 莱顿城而得名 莱顿城而得名 7 n 正电和负电正电和负电 1733年 法国科学家杜费发现了年 法国科学家杜费发现了 玻璃电玻璃电 摩擦玻璃 摩擦玻璃 棒所得的电 和棒所得的电 和 琥珀电琥珀电 摩擦琥珀所得的电 有所不同 摩擦琥珀所得的电 有所不同 即存在两种电 并发现了即存在两种电 并发现了同种电荷相斥 异种电荷相吸同种电荷相斥 异种电荷相吸的规的规 律 律 二流体论 杜费把电想象为二元流体 当它们结合在一二流体论 杜费把电想象为二元流体 当它们结合在一 起时彼此中和 起时彼此中和 单流体学说 美国著名政治家 科学家富兰克林通过实单流体学说 美国著名政治家 科学家富兰克林通过实 验 验 17491749年提出了年提出了 单流体学说单流体学说 他认为 每个物体都有 他认为 每个物体都有 一定量的电 电只有一种 一定量的电 电只有一种 摩擦不能创造出电 只是使电从摩擦不能创造出电 只是使电从 一个物体转移到另一个物体上 它们的总量不变一个物体转移到另一个物体上 它们的总量不变 物体上带 物体上带 过量电的称为带过量电的称为带正电正电 不足的称为带 不足的称为带负电负电 8 n 天电天电 与与 地电地电 的统一的统一 富兰克林富兰克林著名的风筝实验 著名的风筝实验 世界上第一个避雷针 世界上第一个避雷针 还有人为了科学事业 以身殉职 还有人为了科学事业 以身殉职 9 n对电进行定量研究对电进行定量研究 1785年法国物理学家库仑根据自己有关扭力矩方年法国物理学家库仑根据自己有关扭力矩方 面的建树 设计制作了一台精巧的扭秤面的建树 设计制作了一台精巧的扭秤 通过扭秤通过扭秤 可测量两带电小球之间静电力的大小可测量两带电小球之间静电力的大小 10 n静电力静电力 从扭秤实验得出真空中的库仑定律 真空中两个静止点电荷从扭秤实验得出真空中的库仑定律 真空中两个静止点电荷 间相互作用力的大小与它们的电量的乘积成正比 与它们间间相互作用力的大小与它们的电量的乘积成正比 与它们间 距离的平方成反比 作用力的方问沿两电荷的连线 同号电距离的平方成反比 作用力的方问沿两电荷的连线 同号电 荷相斥 异号电荷相吸 荷相斥 异号电荷相吸 施加在施加在 上的静电力为上的静电力为 1 q 2 q 12 r 12 e 12 1212 2 12 q q Fke r q1q2 11 2 磁现象 磁现象 相传第一个发现天然磁石的是古希腊时代的一位牧相传第一个发现天然磁石的是古希腊时代的一位牧 羊人 他名叫玛格乃斯 羊人 他名叫玛格乃斯 Magnas 一天他在克 一天他在克 里特岛的艾达山放羊 忽然 他拿着的铁棍被山石里特岛的艾达山放羊 忽然 他拿着的铁棍被山石 吸住了 钉了铁钉的靴子也被山石吸吸住了 钉了铁钉的靴子也被山石吸 住了 这件住了 这件 事传开来 引起了古希腊事传开来 引起了古希腊 七贤七贤 之一的泰勒斯的之一的泰勒斯的 注意 他派了学生从那里找来了一些石头 仔细研注意 他派了学生从那里找来了一些石头 仔细研 究 泰勒斯本来就认为万物都充满了灵魂 所以他究 泰勒斯本来就认为万物都充满了灵魂 所以他 就用灵魂来解释这种磁石吸铁现象 就用灵魂来解释这种磁石吸铁现象 现在英文中现在英文中 就用是就用是 magnet 作为磁石的名称 作为磁石的名称 12 2 磁现象 磁现象 n天然磁石相互吸引或相互排斥 天然磁石相互吸引或相互排斥 n中国人用天然磁石制作司南指示方向 中国人用天然磁石制作司南指示方向 以后又研发了鱼形铁片的以后又研发了鱼形铁片的 高温加热高温加热 南北取向南北取向 蘸火蘸火 这种制作指南鱼的技术 这种制作指南鱼的技术 接着又研发了用磁石打磨钢接着又研发了用磁石打磨钢 针制作指南针的技术 针制作指南针的技术 从而使指南针成为航海技术的从而使指南针成为航海技术的 重要设备 重要设备 13 n磁极磁极 指向北方的叫北极 指向北方的叫北极 N极 极 指向南方的叫南极 指向南方的叫南极 S极 极 n磁力磁力 同名的磁极相互排斥 同名的磁极相互排斥 异名的磁极相互吸引 异名的磁极相互吸引 我们把这种力叫做磁力 我们把这种力叫做磁力 SN 14 n地球的磁性地球的磁性 地球是有磁性的 好像地球是有磁性的 好像 有一条形磁铁蕴含其中有一条形磁铁蕴含其中 地磁的影响向太空绵延地磁的影响向太空绵延 50 000km 形成了一个泪 形成了一个泪 珠形状的气泡保护在地球珠形状的气泡保护在地球 表面 从而对地球上的生表面 从而对地球上的生 物形成保护膜 避免它们物形成保护膜 避免它们 受到来自太阳的高能辐射 受到来自太阳的高能辐射 地球磁极逆转现象地球磁极逆转现象 n地磁偏角地磁偏角 地磁的南北极与地理上的地磁的南北极与地理上的 南北极不重合南北极不重合 15 n磁荷磁荷 人们曾经设想在磁棒的两极分别聚集人们曾经设想在磁棒的两极分别聚集 有两种不同性质的磁荷有两种不同性质的磁荷 正磁荷正磁荷 和和 负磁荷负磁荷 但要证明磁荷的存在 得将磁棒的两但要证明磁荷的存在 得将磁棒的两 极分开 实验都以失败告终极分开 实验都以失败告终 结论 不存在磁荷 结论 不存在磁荷 SN 16 3 场 场 n历史上的两种观点历史上的两种观点 观点观点1 1 超距作用 超距作用 电荷间的相互作用不需要借助介质 也不需要传递电荷间的相互作用不需要借助介质 也不需要传递 的时间 即电荷间的相互作用可以超越空间和时间 直的时间 即电荷间的相互作用可以超越空间和时间 直 接地 即时地实现 接地 即时地实现 观点观点2 2 法拉第的场论 法拉第的场论 带电体周围存在着传递电荷间相互作用的物质带电体周围存在着传递电荷间相互作用的物质 电场 磁体周围存在着传递磁体间相互作用的物质电场 磁体周围存在着传递磁体间相互作用的物质 磁场 相互作用不是即时的 需要传递时间 场是物质磁场 相互作用不是即时的 需要传递时间 场是物质 存在的另存在的另 种形式 种形式 17 n 场场 的概念的概念 流线与力线流线与力线 法拉第类比于流体场 法拉第类比于流体场 对电场和磁场的物理图对电场和磁场的物理图 景作了直观的描述 他景作了直观的描述 他 提出 场是由力线组成提出 场是由力线组成 的 许多力线组成一个的 许多力线组成一个 力管 就像流体中许多力管 就像流体中许多 流线组成一个流管一样流线组成一个流管一样 如图如图 力线上任一点 力线上任一点 的切线方向就是该点的的切线方向就是该点的 场强方向 力线的疏密场强方向 力线的疏密 程度表示不同点场强的程度表示不同点场强的 大小 大小 18 n电场电场 力线将相反的电荷联系起来力线将相反的电荷联系起来 19 n磁场磁场 但由于数学水平不够 法拉第无法把他从类但由于数学水平不够 法拉第无法把他从类 比引发的丰富的想像提高到定量理论 比引发的丰富的想像提高到定量理论 20 二 电与磁的统一二 电与磁的统一 1 1 电生磁 电生磁 电流的磁效应电流的磁效应 2 2 磁生电 磁生电 电磁感应电磁感应 21 1 电生磁 电生磁 n电流的磁效应电流的磁效应 奥斯特实验奥斯特实验 奥斯特实验表明 长直载奥斯特实验表明 长直载 流导线使与之平行放置的流导线使与之平行放置的 磁针受力偏转 磁针受力偏转 这种电流对磁针的作用 这种电流对磁针的作用 称为电流的磁效应 称为电流的磁效应 22 毕奥毕奥 萨伐尔萨伐尔 拉普拉斯定律拉普拉斯定律 法国实验物理学家法国实验物理学家毕奥 萨伐尔和数学家拉普拉毕奥 萨伐尔和数学家拉普拉 斯合作 找到了斯合作 找到了电流元在空间电流元在空间激发磁场的规律 激发磁场的规律 2 0 sind 4 d r lI B 0 2 d d 4 r I le B r I P lI d B d r lI d r B d r e 23 n安培右手定则安培右手定则 法国数学家安培在奥斯持法国数学家安培在奥斯持 实验基础上 发现绕成螺实验基础上 发现绕成螺 线管的导线通电时 各方线管的导线通电时 各方 面的作用如同一根条形磁面的作用如同一根条形磁 铁 还在这个实验中发现铁 还在这个实验中发现 磁性方向与电流方向的关磁性方向与电流方向的关 系服从右手定则 后人称系服从右手定则 后人称 它为安培右手定则 它为安培右手定则 24 n安培定律 安培定律 当两根平行导线的通电方向相同时 当两根平行导线的通电方向相同时 彼此吸引 当通电方向相反时 彼此彼此吸引 当通电方向相反时 彼此 相斥 相斥 两根载流导体之两根载流导体之 间的力的大小 间的力的大小 与导线中电流的与导线中电流的 乘积成正比 与乘积成正比 与 导线的长度成正导线的长度成正 比 但与导线间比 但与导线间 的距离成反比 的距离成反比 25 n物质磁性的本源物质磁性的本源 安培从通电螺线管的磁效应与条安培从通电螺线管的磁效应与条 形磁铁完全等效得到启发 思考磁铁形磁铁完全等效得到启发 思考磁铁 和电流是否是一致的 据此提出一个和电流是否是一致的 据此提出一个 假说 组成磁铁的最小单元就是环形假说 组成磁铁的最小单元就是环形 电流 现在称为分子电流 若分子电电流 现在称为分子电流 若分子电 流定向地排列 在宏观上就会显示出流定向地排列 在宏观上就会显示出 南极和北极 从而产生磁现象 南极和北极 从而产生磁现象 26 无论是导线电流还是磁铁 它们磁性的来源都无论是导线电流还是磁铁 它们磁性的来源都 是电荷的运动 是电荷的运动 磁现象的本质是运动电荷之间磁现象的本质是运动电荷之间 的相互作用 的相互作用 无论电荷运动还是静止 它们之间都存在库仑无论电荷运动还是静止 它们之间都存在库仑 相互作用力 但是只有运动着的电荷之间才存相互作用力 但是只有运动着的电荷之间才存 在着安培相互作用 磁相互作用 在着安培相互作用 磁相互作用 n物质磁性的本源物质磁性的本源 27 2 磁生电 磁生电 n电磁感应实验电磁感应实验 28 n电磁感应实验电磁感应实验 发现电磁感应的是英国物理学家 化学家法拉第 发现电磁感应的是英国物理学家 化学家法拉第 1831年他发现通电线圈在接通和断开的瞬间能在年他发现通电线圈在接通和断开的瞬间能在 邻近线圈中产生感应电流 紧接着又作了一系列实邻近线圈中产生感应电流 紧接着又作了一系列实 验 磁棒相对于线圈运动时 线圈中产生感应电流验 磁棒相对于线圈运动时 线圈中产生感应电流 当导体在磁铁之间运动时 导体内也产生感应电 当导体在磁铁之间运动时 导体内也产生感应电 流 流 29 n电磁感应电磁感应 法拉第经过归纳提炼 逐步掌握了问题的法拉第经过归纳提炼 逐步掌握了问题的 实质 实质 正在变化的电流 正在变化的电流 正在变化的正在变化的 磁场 磁场 稳恒电流的运动 稳恒电流的运动 导体在磁场中导体在磁场中 运动 都会产生感应电流 运动 都会产生感应电流 他为电磁感应他为电磁感应 定律的建立奠定了实验基础 定律的建立奠定了实验基础 30 n楞次定律楞次定律 闭合回路中感应电流的方向 总是使得闭合回路中感应电流的方向 总是使得 它所激发的磁场来阻止引起感应电流的磁通它所激发的磁场来阻止引起感应电流的磁通 量的变化量的变化 增大或减小增大或减小 或者 也可以表述 或者 也可以表述 为 为 感应电流的效果 总是反抗引起感应电感应电流的效果 总是反抗引起感应电 流的原因 流的原因 31 n电磁感应定律电磁感应定律 德国物理学家纽曼给德国物理学家纽曼给 出感生电动势的公式出感生电动势的公式 德国物理学家韦伯给德国物理学家韦伯给 出动生电动势的公式出动生电动势的公式 纽曼做了一点假纽曼做了一点假 设 导出了感生设 导出了感生 电动势公式电动势公式 韦伯发展了安培理韦伯发展了安培理 论 推导出动生电论 推导出动生电 动势公式动势公式 d S B S t E d d d S BS t E 其中曲面不随其中曲面不随 时间改变时间改变 其中磁感强度其中磁感强度 不随时间改变不随时间改变 32 n电磁感应定律电磁感应定律 英国物理学家麦克斯韦英国物理学家麦克斯韦 总结出感应电动势公式总结出感应电动势公式 d d d S BS t 其中曲面和磁感强度其中曲面和磁感强度 都可以随时间改变都可以随时间改变 感应电动势的严密规律感应电动势的严密规律 d d Sl B SBl t v 但是此公式有瑕疵 当但是此公式有瑕疵 当 导体回路由于运动而导体回路由于运动而 有出现断口趋势的情有出现断口趋势的情 况下 它不成立 况下 它不成立 33 n电磁感应的应用电磁感应的应用 电磁感应定律 犹如一把打开电能宝库的金钥电磁感应定律 犹如一把打开电能宝库的金钥 匙 发电机 变压器 以及交流电的利用等等 匙 发电机 变压器 以及交流电的利用等等 都以此为基础 对人类社会有着划时代的贡献 都以此为基础 对人类社会有着划时代的贡献 34 三 电磁场与电磁波三 电磁场与电磁波 1 1 电磁场电磁场 2 2 电磁波电磁波 35 1 1 电磁场 电磁场 n电磁场理论的基础电磁场理论的基础 麦克斯韦的两条创新假说 麦克斯韦的两条创新假说 涡旋电场 涡旋电场 变化的磁场在空间激发出涡旋电场 无论空变化的磁场在空间激发出涡旋电场 无论空 间中是否存在导体或导体回路 无论有无介质存在 变化间中是否存在导体或导体回路 无论有无介质存在 变化 的磁场激发的涡旋电场总是客观存在的 涡旋电场是无发的磁场激发的涡旋电场总是客观存在的 涡旋电场是无发 散源场 用于形象地描写涡旋电场的电力线是闭合曲线 散源场 用于形象地描写涡旋电场的电力线是闭合曲线 涡旋电场是非保守场 涡旋电场是非保守场 位移电流 位移电流 变化的电场在空间激发出涡旋磁场 这个磁场变化的电场在空间激发出涡旋磁场 这个磁场 也好像是由一个电流激发的 这个电流称为位移电流 也好像是由一个电流激发的 这个电流称为位移电流 36 n电磁场的概念电磁场的概念 电场和磁场既互相联系 而且在一定的条件下可电场和磁场既互相联系 而且在一定的条件下可 以互相激发 即可以互相转化 电场和磁场所形成以互相激发 即可以互相转化 电场和磁场所形成 的统一体 叫做电磁场 的统一体 叫做电磁场 前面提到的静电场和稳恒磁场都只不过是电磁场前面提到的静电场和稳恒磁场都只不过是电磁场 的两种特殊形式 的两种特殊形式 37 B E t D HJ t D 0B 其中 其中 E和和D是描述电场性质的物理量电场强度是描述电场性质的物理量电场强度 和电位移 和电位移 B和和H是描述磁场性质的物理量磁感是描述磁场性质的物理量磁感 应强度和磁场强度 应强度和磁场强度 J 和和 分别表示自由电流分别表示自由电流 密度和自由电荷体密度 密度和自由电荷体密度 n电磁场的基本方程电磁场的基本方程 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 38 2 2 电磁波 电磁波 n电磁波的提出电磁波的提出 根据麦克斯韦方程组导出的一个重要结果是电根据麦克斯韦方程组导出的一个重要结果是电 磁场以波动的方式运动 这种波动叫做电磁波 磁场以波动的方式运动 这种波动叫做电磁波 麦克斯韦首先从理论上预言电磁波的存在 麦麦克斯韦首先从理论上预言电磁波的存在 麦 克斯韦的理论如此新颖 深刻 完美 以致在问克斯韦的理论如此新颖 深刻 完美 以致在问 世后的相当长时间内不为人所理解 世后的相当长时间内不为人所理解 39 n证明电磁波存在的实验证明电磁波存在的实验 德国物理学家赫兹用德国物理学家赫兹用 实验证实了电磁波的实验证实了电磁波的 存在 以后 电磁波存在 以后 电磁波 不断被实验所证实 不断被实验所证实 麦克斯韦的理论才被麦克斯韦的理论才被 接受 电磁波的存在接受 电磁波的存在 没有人再怀疑