《上海交通大学大学物理学课件电磁场论》

上海交通大学大学物理学课件电磁场论电磁场论简介电磁场论是研究电磁场及其与物质相互作用规律的学科电磁场是物质存在的一种基本形式，它在宇宙中无处不在电磁场理论是现代物理学的基础，它对许多科学技术领域都有重要意义电磁学发展简史1古希腊时期发现静电现象217世纪库仑定律319世纪法拉第电磁感应定律420世纪麦克斯韦方程组静电场1静电场是由静止电荷产生的电场2静电学研究静电场及其与物质相互作用规律的学科3静电场理论是电磁场理论的基础，它对许多科学技术领域都有重要意义电荷与电场电荷是物质的基本属性，它可以是正电荷或负电荷电场是电荷周围空间的一种特殊状态，它可以对其他电荷施加力库仑定律库仑定律描述了两个点电荷之间的相互作用力库仑力与电荷的大小成正比，与距离的平方成反比电场强度电场强度是用来描述电场强弱的物理量定义电场强度等于单位正电荷在该点所受的力单位牛顿/库仑(N/C)电场线的性质电场线是用来描述电场方向和强弱的曲线性质电场线从正电荷出发，终止于负电荷，在电场中不相交密度电场线密度越大，电场强度越大电通量1电通量是用来描述穿过一定面积的电场线数量2定义电通量等于电场强度在该面积上的积分3单位牛顿·米/库仑(N·m/C)高斯定律高斯定律是静电场的一个基本定律1内容穿过任意闭合曲面的电通量等于该闭合曲面所包围的总电荷量与真空介电常数的比值2意义它描述了电荷与电场的联系3高斯定律的应用球对称电荷分布例如，计算带电球体产生的电场线对称电荷分布例如，计算无限长带电直线产生的电场平面对称电荷分布例如，计算无限大带电平面产生的电场电势电势是用来描述电场能量的物理量定义电势等于单位正电荷在该点所具有的势能单位伏特(V)电势能1电势能是电荷在电场中所具有的能量2定义电势能等于电荷的电量乘以该点的电势3单位焦耳(J)电势的计算1积分用电场强度沿路径积分2叠加原理对多个电荷产生的电势进行叠加3特殊情况对于一些特殊情况，电势可以直接计算等势面等势面是电势相同的点的集合1性质等势面与电场线垂直，在等势面上移动电荷，电势能不变2电势梯度电场与电势的关系电势梯度等于电场强度的负值意义电场强度是电势空间变化率的负值静电场的能量静电场能量是用来描述静电场所储存的能量计算静电场的能量等于电势能的总和意义它反映了静电场的强弱和电荷分布情况电容1电容是用来描述导体储存电荷能力的物理量2定义电容等于导体所带的电荷量与电势之比3单位法拉(F)电容器的电容电容器是由两个相互靠近的导体构成电容与电容器的形状、尺寸和介质有关平行板电容器1平行板电容器由两块平行放置的金属板构成2电容与板面积成正比，与板间距成反比3应用广泛应用于电子电路中电容器的串并联串联电容器的总电容小于任何一个电容器的电容并联电容器的总电容大于任何一个电容器的电容电介质电介质是非导电物质，可以被电场极化作用增加电容器的电容种类气体、液体、固体极化极化是电介质在电场作用下发生的一种现象过程电介质中的分子或原子发生变形或重新排列结果形成电偶极矩电介质中的高斯定律高斯定律在电介质中仍然成立1修正需要考虑电介质的极化效应2电位移矢量电位移矢量是用来描述电场的另一个物理量定义电位移矢量等于真空介电常数乘以电场强度加上极化强度意义它反映了电场的强度和电介质的极化效应静电场的边界条件1边界条件是用来描述静电场在不同介质界面上的性质2内容电场强度和电位移矢量在边界上的变化关系电流电流是电荷的定向运动定义电流等于单位时间内流过导体横截面的电荷量单位安培(A)电流密度电流密度是用来描述电流强弱的物理量定义电流密度等于单位面积上的电流方向电流密度的方向与电荷定向运动的方向相同电阻1电阻是导体对电流阻碍作用的程度2定义电阻等于导体两端的电压与电流之比3单位欧姆(Ω)欧姆定律1欧姆定律是电路中的基本定律2内容导体中的电流与导体两端的电压成正比，与导体的电阻成反比3公式I=U/R电动势电动势是用来描述电源做功能力的物理量定义电动势等于电源将单位正电荷从负极移到正极所做的功单位伏特(V)电路电路是由电源、导线、电阻、电容等元件组成的闭合回路作用电流在电路中流动，完成能量的传输分类直流电路、交流电路基尔霍夫定律1基尔霍夫定律是电路分析中的两个基本定律2电流定律流入一个节点的电流之和等于流出该节点的电流之和3电压定律闭合回路中各段电压的代数和等于零磁场1磁场是磁体周围空间的一种特殊状态，它可以对运动电荷施加力2产生磁场可以由磁体或电流产生3方向磁场方向由磁力线方向决定磁感应强度磁感应强度是用来描述磁场强弱的物理量1定义磁感应强度等于单位正电荷在该点以速度v垂直于磁场运动时所受的力2单位特斯拉(T)3磁力线磁力线是用来描述磁场方向的曲线性质磁力线是封闭的曲线，磁力线的方向是磁场方向密度磁力线密度越大，磁感应强度越大磁通量1磁通量是用来描述穿过一定面积的磁力线数量2定义磁通量等于磁感应强度在该面积上的积分3单位韦伯(Wb)安培定律安培定律是磁场的一个基本定律内容闭合回路上的磁场强度线积分等于该闭合回路所包围的电流的总和意义它描述了电流与磁场的联系毕奥-萨伐尔定律毕奥-萨伐尔定律是计算电流产生磁场的定律内容电流元在空间某点产生的磁感应强度与电流元的大小、方向和该点与电流元之间距离有关直线电流的磁场1磁场方向与电流方向垂直2磁场强度与距离成反比3应用例如，计算通电直导线产生的磁场环形电流的磁场1磁场方向环形电流中心轴线上2磁场强度中心轴线上最大，随距离增大而减小3应用例如，计算通电线圈产生的磁场螺线管的磁场螺线管由许多匝线圈绕成磁场螺线管内部磁场均匀分布，外部磁场很弱应用例如，制作电磁铁安培力安培力是磁场对通电导体的作用力大小与电流的大小、磁感应强度的大小和导体的长度成正比方向由左手定则决定洛伦兹力1洛伦兹力是磁场对运动电荷的作用力2大小与电荷的大小、速度的大小、磁感应强度的大小和速度与磁感应强度之间的夹角的正弦成正比3方向由左手定则决定磁场对电流的作用1磁场可以对通电导体施加力2大小与电流的大小、磁感应强度的大小和导体的长度成正比3方向由左手定则决定磁偶极矩磁偶极矩是用来描述磁体或电流回路的磁性强弱的物理量1大小与电流的大小和回路的面积成正比2方向由右手螺旋定则决定3磁介质磁介质是能够被磁化物质作用改变磁场分布种类顺磁性物质、抗磁性物质、铁磁性物质磁化1磁化是磁介质在磁场作用下发生的一种现象2过程磁介质中的分子或原子发生定向排列3结果形成磁偶极矩磁化强度磁化强度是用来描述磁介质磁化程度的物理量定义磁化强度等于单位体积内的磁偶极矩之和单位安培/米(A/m)磁场强度磁场强度是用来描述磁场的另一个物理量定义磁场强度等于磁感应强度减去磁化强度方向磁场强度的方向与磁感应强度方向相同磁滞现象1磁滞现象是铁磁性物质磁化过程中的一个特殊现象2表现磁化强度滞后于磁场强度的变化3原因铁磁性物质的磁畴结构磁路的欧姆定律1磁路的欧姆定律是磁路中的一个基本定律2内容磁路中的磁通量与磁动势成正比，与磁阻成反比3应用用于计算磁路中的磁通量和磁场强度电磁感应电磁感应是变化的磁场产生电场的一种现象发现由法拉第发现应用例如，发电机、变压器法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律是电磁感应的一个基本定律内容穿过闭合回路的磁通量发生变化时，回路中就会产生感应电动势公式ε=-dΦ/dt楞次定律1楞次定律是用来描述感应电流方向的定律2内容感应电流的方向总是阻碍引起感应电流的磁通量变化动生电动势1动生电动势是由于导体在磁场中运动而产生的感应电动势2大小与导体的长度、速度的大小、磁感应强度的大小和速度与磁感应强度之间的夹角的正弦成正比3方向由右手定则决定感生电动势感生电动势是由于穿过闭合回路的磁通