电磁学第一章（3）.ppt

1、电磁学,电磁学概述,一、电磁学的发展和形成,1、静电学、静磁学的独立发展,2、静电学与静磁学的第一次融合,（1）静电学 摩擦起电、生物电、动物电,（2）静磁学 天然磁石,顿牟缀芥 磁石引针,（1）奥斯忒的电流磁效应 电流可以产生磁场,（3）伏打电池 伽伏尼电流,（2）安培的艰苦研究磁场能否产生电流？,（3）安培的艰苦研究 磁场能否产生电流？,结果失败了 原因超距观点：相互作用的速度是无穷大的。 安培的成就 安培力、安培定则、分子电流假说,（3）法拉第的艰苦研究 磁场能否产生电流？,结果成功了 原因场的观点：相互作用的速度是有限的。 法拉第的成就 法拉第电磁感应定律,“场”的观点是经典物理学 理

2、论思维的巨大飞跃！,2、电学与磁学的第二次融合：经典电磁学诞生,（1）法拉第电磁感应定律的建立 磁可以产生电 动态（瞬态）效应,（2）近代电工学交流电的应用电动机、发电机、 变压器、远距离输电,3、电学与磁学的第三次融合：完整的经典宏观电磁学的建立,（1）麦克斯韦的伟大贡献,力线 场的数学描述；位移电流；感应（涡旋）电场； 预言电磁波的存在变化的电场可以产生变化的磁场，反之亦然； 提出了光的电磁学说实现了光与电磁波的统一；, 电磁通论 将静态的、动态的电场（磁场）用简洁的数学形式实现完美的统一； 预言电磁波的存在； 奠定了电子学和现代通信技术的理论基础为什么要学习电磁学？ 物理学的承上启下：

3、牛顿力学麦克斯韦的电磁理论爱因斯坦的相对论,（2）赫兹的贡献,（3）马可尼 A .C .波波夫的贡献无线电技术的发明,用实验验证了电磁波的存在， 并且证明具有干涉、衍射和偏振等性质 光所具有的,4、信息技术的理论基础,微电子学 微电子学技术：广播、电视、通信、计算机集成电路 和现代通信技术的理论基础为什么要学习电磁学？,就理论基础来说，仅仅学习电磁学还不够， 还要进一步学习电磁场理论；高等数学是关键！,第一章 静止电荷的电场,1.1 电荷,一、电荷的种类,1、富兰克林 命名正、负电荷,2、电子的“半径”,3、质子、中子的电荷分布,质子内部的电荷分布,中子内部的电荷分布,二、电荷的量子性,1、电

4、荷的基本单元电子：一个模糊的概念,2、电荷基本单元的实验测定密立根油滴实验,3、分数基本单元电荷的假定夸克,4、点电荷 理想模型,四、电荷的相对论不变性,三、电荷守恒,1、电荷守恒定律 文字表述：一个系统 意义：解释物体带电；电中和；电流,2、电子对的湮灭,氢分子,氦原子,四、电荷的相对论不变性,氢分子,氦原子,1、两种粒子的电子的运动状态差异不大 两个电子作为核外电子,2、氦原子的能量远远大于氢分子的能量 100万倍核内质子的运动状态差异很大,3、但是，氦原子和氢分子都是电中性的,4、所以，电荷的电量与其运动状态无关,电荷的电量与其运动状态无关,1.2 库仑定律与叠加原理,一、库仑定律,2、

5、库仑定律的文字表述,3、库仑定律的定量表述及图示,1、库仑定律的意义,静电力的基本定律库仑力 符合牛顿第三定律 静电场是有源场,是两个静止 电荷连线方向 的单位矢量,什么叫单位矢量,库仑定律,4、真空中的介电常数,5、例题：比较万有引力与静电力的大小；,真空中介电常数是普适常数 介电常数是一个非常重要的物理量，不同物质，其值不同 一般物质的光、电特性主要体现在其介电常数上,看看原子核内的静电斥力有多大？,计算表明：氦原子中的电子与质子静电力是其万有引力的 倍！,二、静电力的叠加原理,1、文字表述,2、满足矢量运算法则,注意矢量的书写方法 粗黑斜体 或加箭头,3、一般矢量场都满足叠加原理 叠加原

6、理以独立原理为前提,静电力的叠加原理矢量图,什么叫叠加原理？,一般地,对于点电荷系统,1.3 电场与电场强度,一、电场的含义,2、电场强度的定义,3、场强的叠加原理,1、场源电荷、检验电荷（试探）电荷,二、电场强度,2、场的局域性,3、场的传播速度光速,1、超距观点与场的观点,单位正电荷所受的电场力 大小和方向,1.4 静止点电荷的电场及其叠加,一、静止点电荷的电场,2、场源点电荷的电场强度,3、场强的叠加原理,1、检验电荷所受到的电场力,单位正电荷所受的电场力 大小和方向,点电荷系统,检验电荷,场源电荷,静止点电荷的电场,3.1电荷是线分布系统,当电荷连续分布时,关键是取微元！,3.2电荷是

7、面分布系统,3.3电荷是体分布系统,例1.3P17,电偶极子：大小ql 方向q 指向 +q,P点,4、场强叠加的计算学习重点,电偶极子的电场,P点,P点和场强,电偶极子的电矩（电偶极矩）,例1.4P18： 带电直线周围的电场,Y对称, P点x处，其电场微元只有,带电直线中垂线上的电场, y轴l 处，其微元dl上的电荷dq为, 几何关系,Y对称,P点x 处，当x L时,P点x处，当x L时,相当于点 电荷电场,带电直线中垂线上的电场,例1.5P20: 带电圆环,P点x 处,Y对称,P点x 处，当 x L时,相当于点电荷电场,均匀带电细圆环轴线上的电场,例1.6P21:带电圆盘,圆盘r 处环带的电

8、荷微元为,均匀带电圆面轴线上的电场,该电荷微元在产生的电场为,P点x处，当x L时,相当于点电荷电场,P点x 处，当xR时,无穷大带电平面 产生匀强电场,均匀带电圆面轴线上的电场,正、负电荷所受的电场力,电偶极子：大小ql 方向q 指向 +q,电偶极子在外电场的受力,例1.7P22：电场中的电偶极子,END1-1,本次作业：P39：1.2； 1.3； 1.5,1.5 电场线和电通量,一、电场线的含义与性质,1、电场线含义,电场线数密度与 场强大小的关系,2、电场线性质物理意义,3、电场线的数学意义,请你用语言表述 该式的含义！,电场线的所疏密度表示电场强度的大小 电场线的切线表示电场强度的方向

9、 同一电荷发出的任意两条电场线不相交 电场线的方向指向电势降落最快的方向,电场中某点电场强度的大 小等于该点电场线数密度,4、几种静止电荷的电场线,电偶极子,点电荷,带电直线,几种静止电荷的电场线分布,二、电通量的含义与性质,通过电场中某面积元电场线的条数,通过某封闭面积的电通量,注意面积元的方向与 场强方向的关系 面积元的方向如何表示？,二重积分曲面积分,通过dS 面积元的电通量,通过封闭曲面的电通量,通过某封闭面积的电通量,曲面积分,通过任意面积的电通量,通过任意曲面的电通量,曲面积分,1.6 高斯定律,一、高斯定律的含义, 用电通量表示电场和场源之间的关系,1、封闭球面S 包围点电荷的情

10、况图(a),高斯定律的物理意义 几何意义和数学意义,1、封闭球面S 包围点电荷的情况图(a),由电通量与场强之间的关系，得,与封闭球面的面积、位置无关； 仅仅与封闭球面所 包围的电荷 有关这是最重要的结论！,高斯定律的物理意义 几何意义和数学意义,2、任意封闭面S（不是球面）包围点电荷的情况图(a),由电通量与场强之间的关系，得,高斯定律的物理意义 几何意义和数学意义,3、封闭球面（或任意封闭曲面）不包围点电荷的情况图(b),由电通量与场强之间的关系，得,有多少电通量进入封闭面 就有多少电通量出封闭面！,4、多个点电荷组成点电荷系统,二、高斯定律的数学表式,三、高斯定律的文字表述 P29,四、

11、注意,高斯定律中的场强由封闭面内、外的电荷共同决定！ 高斯定律中的电通量只与封闭面内的电荷有关为什么？,1.7 利用高斯定律求静电场的分布,例1.8P30,用高斯定律求点电荷q的电场分布,球面是最简单的高斯面, 如果P处有点电荷，则, 对称性 场或电荷分布 高斯定律应用的关键,球面是最简单的高斯面,例1.9P31,用高斯定律求均匀 带电球面的电场分布,在球外P点,均匀带电球面的电场分布,在球内P点,均匀带电球面的电场分布,例1.10P32,用高斯定律求均匀带电体的电场分布, 均匀带电体外某点(球面上) 电场相当于点电荷,均匀带电球体的电场分布, 均匀带电体内某点(球面上) 电场,均匀带电球体的

12、电场分布,例1.11P34, 取闭合圆柱面作为高斯面,圆柱体的上底面、下底面和 侧面的法线与场强的方向如何？什么叫面的法线？,无限长均匀带电 直线的电场分布, 如何应用高斯定律?,用高斯定律求无限长均 匀带电直线的电场分布,无限长均匀带电 直线的电场分布,例1.12P35,用高斯定律求无限大均 匀带电平面的电场分布, 取闭合圆柱体作为高斯面,无限大均匀带电 平面的电场分布,圆柱体的上底面、下底面和侧面的法线与场强的方向如何？ 什么叫面的法线？, 如何应用高斯定律?,无限大均匀带电平面电场分析,匀强电场 为什么？,例1.13P35,用高斯定律求两个平行无限 大均匀带电平面的电场分布, 用无限大均匀带电平面的结论,带电平行平面的电场分析, 平行板电容器内部为什么是匀强 电场,外部电场为什么等于零?,为什么？,电容器内部场强结论,为什么？, 用无限大均匀带电平面的结论, 在 区, 在 区, 在 区,带电平行平面的电场分析,提 要,1、电荷的基本性质：两种电荷，量子性、电荷守恒，相对论不变性。,2、库仑定律：,真空介电常量,其中的,3、电力叠加原理：,两个静止的点电荷