(2024年)大学物理电磁学

大学物理电磁学12024/3/26目录电磁学基本概念与原理静电场性质及其描述稳恒电流与电路分析磁场性质及其描述电磁感应与暂态过程分析麦克斯韦方程组与电磁波传播22024/3/2601电磁学基本概念与原理Chapter32024/3/26由电荷产生的特殊物理场，描述电荷间的相互作用。电场由电流或磁体产生的特殊物理场，描述磁极间的相互作用。磁场电场与磁场定义42024/3/26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。高斯定理通过任意闭合曲面的电通量等于该曲面所包围的所有电荷的代数和除以真空中的介电常数。52024/3/26毕奥-萨伐尔定律描述电流元在空间任意点P处所激发的磁感应强度dB的大小与电流元Idl、电流元Idl到P点的位矢r之间的夹角θ的正弦成正比，而与电流元Idl到P点的距离r的平方成反比。应用计算载流导线、载流线圈等电流分布所产生的磁场。毕奥-萨伐尔定律及应用62024/3/26运动电荷在磁场中所受到的力，方向垂直于磁场方向和电荷运动方向所构成的平面，遵循左手定则。通电导线在磁场中所受到的力，是洛伦兹力的宏观表现。方向同样遵循左手定则。洛伦兹力与安培力安培力洛伦兹力72024/3/2602静电场性质及其描述Chapter82024/3/26描述电场分布的一种形象化的方法，电场线上每点的切线方向表示该点的场强方向，电场线的疏密程度反映场强的大小。静电场中各点的电势高低，用电势差来描述。沿电场线方向电势逐渐降低，等势面与电场线处处垂直。电场线电势分布电场线及电势分布92024/3/26电容器由两个相互靠近的导体组成，能储存电能。电容器的电容与极板间的距离、正对面积及介电质有关。介电质又称电介质，指在外电场作用下能产生宏观上不等于零的电偶极矩，并因而具有宏观束缚电荷的现象的材料。介电质对电容器的性能有重要影响。电容器和介电质102024/3/26当导体接近带电体时，由于电荷间的相互作用，导体内的电荷会重新分布，使得导体的两端出现等量异号电荷的现象。静电感应将导体与大地相连，使导体的电位与大地相等。接地导体在静电感应中起到屏蔽作用，可以保护内部电路免受外部静电干扰。接地导体静电感应与接地导体112024/3/26静电场能量存在于静电场中的能量，与电荷的分布及电势差有关。静电场能量可以用公式W=1/2QV计算，其中Q为电荷量，V为电势差。能量密度单位体积内的静电场能量，用公式w=1/2εE^2计算，其中ε为介电常数，E为电场强度。能量密度反映了静电场中能量的分布情况。静电场能量和能量密度122024/3/2603稳恒电流与电路分析Chapter132024/3/2603线性电阻与非线性电阻线性电阻的伏安特性曲线为直线，非线性电阻的伏安特性曲线为曲线。01稳恒电流条件电路中各处的电荷分布和电流强度不随时间变化。02欧姆定律在金属导体中，电流强度与导体两端的电压成正比，与导体的电阻成反比。稳恒电流条件及欧姆定律142024/3/26基尔霍夫第一定律（节点电流定律）01在电路中任一节点处，流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和。基尔霍夫第二定律（回路电压定律）02在任一闭合回路中，各段电压的代数和等于零。应用举例03利用基尔霍夫定律分析复杂电路，求解支路电流和电压。基尔霍夫定律在电路中应用152024/3/2601020304消耗电能，将电能转化为内能。电阻元件储存电能，具有隔断直流、通过交流的特性。电容元件储存磁能，具有通直流、阻交流的特性。电感元件分析元件串并联后的等效电阻、电容和电感。元件的串并联电阻、电容和电感元件特性162024/3/2601020304正弦交流电的基本概念最大值、有效值、角频率、相位等。交流电路的阻抗包括电阻、电感和电容的阻抗，以及它们之间的串并联关系。相量表示法用复数表示正弦量，简化交流电路的计算。交流电路的功率有功功率、无功功率和视在功率的概念及其计算。交流电路分析方法172024/3/2604磁场性质及其描述Chapter182024/3/26VS描述磁场分布的曲线，其切线方向表示磁场方向，疏密程度表示磁场强度。磁通量通过某一面积的磁感线条数，反映磁场在该区域的分布情况。磁感线磁感线及磁通量概念192024/3/26磁场中沿任意闭合路径的线积分等于穿过该路径所包围面积的电流代数和的常数倍。计算复杂电流分布产生的磁场，求解载流导线在磁场中所受安培力等问题。安培环路定理应用安培环路定理及应用202024/3/26霍尔效应和磁阻现象在通电导体中，当电流方向与磁场方向垂直时，会在导体两侧产生横向电势差的现象。霍尔效应某些材料在磁场作用下电阻发生变化的现象，可用于制作磁敏电阻等器件。磁阻现象212024/3/26铁磁材料特性具有高磁导率、低矫顽力、磁滞回线等特性，可被用于制作各种电磁器件。要点一要点二分类根据磁化曲线的不同，铁磁材料可分为软磁材料和硬磁材料两大类。其中软磁材料易磁化也易退磁，适用于制作电感线圈、变压器等；而硬磁材料经磁化后能保持较强的磁性，适用于制作永磁体、扬声器等。铁磁材料特性及分类222024/3/2605电磁感应与暂态过程分析Chapter232024/3/26法拉第电磁感应定律指出，当一个回路中的磁通量发生变化时，会在回路中产生感应电动势。感应电动势的大小与磁通量的变化率成正比，即e=-dΦ/dt，其中e为感应电动势，Φ为磁通量，t为时间。法拉第电磁感应定律是电磁感应现象的基础，也是电机、变压器等电气设备的工作原理。法拉第电磁感应定律242024/3/26自感现象是指一个线圈中的电流发生变化时，在线圈自身中产生感应电动势的现象。互感现象是指两个线圈之间存在磁耦合时，一个线圈中的电流发生变化会在另一个线圈中产生感应电动势的现象。自感和互感现象在电路分析和电气设备设计中具有重要意义，如变压器、电感器等设备的工作原理都涉及到自感和互感现象。自感和互感现象252024/3/26LRC振荡回路是由电感L、电阻R和电容C组成的振荡电路。振荡频率由电路元件的数值决定，品质因数反映振荡回路的性能优劣，阻尼比决定振荡的衰减速度。LRC振荡回路的特性包括振荡频率、品质因数、阻尼比等参数。LRC振荡回路在电子技术、通信工程等领域有广泛应用，如振荡器、滤波器等电路中都包含LRC振荡回路。LRC振荡回路特性262024/3/26暂态过程是指电路从一种稳定状态过渡到另一种稳定状态的过程。时域分析法通过求解电路微分方程或差分方程得到电路中各元件的电压、电流等物理量的时域表达式，进而分析电路的暂态过程。暂态过程分析方法暂态过程分析方法包括时域分析法和频域分析法两种。频域分析法利用傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，通过分析频域特性来研究电路的暂态过程。272024/3/2606麦克斯韦方程组与电磁波传播Chapter282024/3/26高斯定律描述电荷如何产生电场。高斯磁定律论述磁单极子不存在。麦克斯韦-安培定律描述电流和时变电场怎样产生磁场。法拉第感应定律描述时变磁场如何产生电场。麦克斯韦方程组内容292024/3/26产生条件变化的电场和磁场相互激发，形成电磁波。传播方式电磁波在真空中以光速传播，无需介质。波动性质电磁波具有横波性质，电场和磁场振动方向相互垂直，且与传播方向垂直。电磁波产生条件及传播方式302024/3/26电磁波谱按波长或频率顺序排列的电磁波系列，包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线等。光子概念光子是量子力学中的基本粒子，构成光和其他电磁辐射的量子。光子的能量与电磁波的频率成正比。电磁波谱和光子概念312024/3/26黑体辐射