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1、电 磁 学,（Electromagnetism）,极 光,教材：电磁学梁灿彬 秦光戒 梁竹健编 梁灿彬 修订, 电磁学研究的是电磁现象的基本概念, 电场和磁场的相互联系； 电磁场对电荷、电流的作用； 电磁场对物质的各种效应。,和基本规律：, 电荷、电流产生电场和磁场的规律；,在大学本科阶段电磁学课程是物理专业和其它电类专业的一门十分重要的基础理论课程。电磁学的知识和应用范围非常广泛，人们对物质结构的认识，对物质的弹性、导热性、导电性，以及摩擦生热、光的本质等等的研究，都是以电磁相互作用为基础。生产、生活、工程技术方面，由于电能容易获得又易于转换和使用，便于传输又有极高的效率，因此被广泛应用在动

2、力、通讯、测量以及电工学、电化学、无线电学、自动控制学、遥感遥测学、电视学等理工科各个领域。它涉及较多的后续课程。如电工学、电动力学、电子技术和光学等。,认 真 学 好 电 磁 学 ！,1. 最早的记载：公元前 600年左右2. 1745年，荷兰莱顿大学教授马森布罗克制成了莱顿瓶，可以将电荷储存起来，供电学实验使用，为电学研究打下了基础。3. 1752年7月，美国著名的科学家、文学家、政治家富兰克林的风筝试验，证实了闪电式放电现象，从此拉开了人们研究电学的序幕。,电磁学发展简史,4. 1753年，俄国著名的电学家利赫曼在验证富兰克林的实验时，被雷电击中，为科学探索献出了宝贵的生命。5. 163

3、8年，在我国的某些建筑学的书籍中就有关于避雷的记载：屋顶的四角都被雕饰成龙头的形状，仰头、张口，在它们的舌头上有一根金属芯子，其末端伸到地下，如有雷电击中房顶，会顺着龙舌引入地下，不会对房屋造成危险。6. 17711773年间，英国科学家卡文迪什进行了大量的静电试验，证明在静电情况下，导体上的电荷只分布在导体表面上。,7. 1785年，法国科学家库仑在实验规律的基础上，提出了第一个电学定律：库仑定律。使电学研究走上了理论研究的道路。8. 1820年，由丹麦的科学家奥斯特在课堂上的一次试验中，发现了电的磁效应，从此将电和磁联系在一起 。9. 1822年，法国科学家安培提出了安培环路定律，将奥斯特

4、的发现上升为理论。10. 1825年，德国科学家欧姆得出了第一个电路定律：欧姆定律。11. 1831年，英国实验物理学家法拉第发现了电磁感应定律 。并设计了世界上第一台感应发电机。,12、1840年，英国科学家焦耳提出了焦耳定律，揭示了电磁现象的能量特性。13、1848年 ，德国科学家基尔霍夫提出了基尔霍夫电路理论，使电路理论趋于完善。奥斯特的电生磁和法拉第的磁生电奠定了电磁学的基础。14、 电磁学理论的完成者英国的物理学家麦克斯韦（18311879）。麦克斯韦方程组用最完美的数学形式表达了宏观电磁学的全部内容 。麦克斯韦从理论上预言了电磁波的存在。,15. 1866年，德国的西门子发明了使用

5、电磁铁的发电机，为电力工业开辟了道路。16. 1876年，美国贝尔发明了电话，实现了电声通信。17. 1879年，美国发明家爱迪生发明了电灯，使电进入了人们的日常生活。 18. 1887年，德国的物理学家赫兹首次用人工的方法产生了电磁波。19. 随之，俄国的波波夫和意大利的马可尼，利用电磁波通信获得成功，开创了人类无线通信的新时代。,场的基本概念,1.什么是场？ 重力场、温度场、电磁场、 a.从数学角度：场是给定区域内各点数值的集合，这些数值规定了该区域内一个特定量的特性。 比如：T 是温度场中的物理量，T 就是温度场 b.从物理角度：场是遍及一个被界定的或无限扩展的空间内的，能够产生某种物理

6、效应的特殊的物质，场是具有能量的。,2.场的分类 a. 按物理量的性质分： 标量场：描述场的物理量是标量。 矢量场：描述场的物理量是矢量。 b. 按场量与时间的关系分： 静态场：场量不随时间发生变化的场。 动态场：场量随时间的变化而变化的场。 动态场也称为时变场。,1.1 电荷,一、 两种电荷 物体有吸引轻小物体的性质，就说它带了电，或有了电荷。带电的物体叫带电体。 使物体带电叫起电。 用摩擦方法使物体带电叫做摩擦起电。 自然界只存在两种电荷：正电荷和负电荷，且同种电荷 相排斥异种电荷相吸引。 另一种重要的起电方法是静电感应。,第一章 静电场的基本规律,摩擦起电和静电感应的实验表明，起电过程是

7、电荷从一个物体（或物体的一部分）转移到另一物体（或同一物体的另一部分）的过程。 总结出如下定律：电荷既不能被创造，也不能被消灭，它们只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分，也就是说，在任何物理过程中，电荷的代数和是守恒的。这个定律叫电荷守恒定律。,二、电荷守恒定律(Charge conservation)：,2）适用于所有的惯性系。电荷是一个相对论性不变量，即在不同的惯性系由观察者对电荷进行测量所得到的量值相同。,说明：,1）是一切宏观过程和一切微观过程都必须遵循的基本规律。,三、导体、绝缘体和半导体,1、导体：电荷能从产生的地方迅速转移或传导到其它部分的那种物体。金

8、属，石墨，电解液（酸，碱，盐类的水溶液），人体，地，电离的气体等都是导体；,2、绝缘体：电荷几乎只能停留在产生的地方的那种物体。玻璃，橡胶，丝绸，琥珀，松香，硫磺，瓷器，油类，未电离的气体等都是绝缘体。,3、半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间，且对温度、光照、杂质、压力、电磁场等外加条件极为敏感。,四、 物质的电结构,物质是由分子，原子组成的，而原子又由带正电的原子核和带负电的电子组成。原子核中有质子和中子，中子不带电，质子带正电。一个质子所带电荷和一个电子所带电量数值相等。如果用e代表一个质子的电量，则一个电子的电量就是-e。它的近似值为 e=1.60210-19库仑,1.2 库仑定律,在

9、真空中，两个静止的点电荷q1和q2之间的相互作用力大小和q1 与q2的乘积成正比，和它们之间的距离r平方成反比；作用力的方向沿着他们的联线，同号电荷相斥，异号电荷相吸。,如何建立？,（一）库仑定律的建立,Franklin 首先发现金属小杯内的软木小球完全不受杯上电荷的影响;在Franklin的建议下，Priestel做了实验 提出问题,猜测答案,现象与万有引力有相同规律由牛顿力学可知：球壳对放置在壳外的物体有引力，而放置在球壳内任何位置的物体受力为零。类比：电力与距离平方成反比,设计实验,1769年Robison首先用直接测量方法确定电力定律，得到两个同号电荷的斥力,两个异号电荷的引力比平方反

10、比的方次要小些。（研究结果直到1801年发表才为世人所知）,Cavendish实验,1772年Cavendish遵循Priestel的思想设计了实验验证电力平方反比律，如果实验测定带电的空腔导体的内表面确实没有电荷，就可以确定电力定律是遵从平方反比律的即,他测出不大于 0.02（未发表，100年以 后Maxwell整理他的大量手稿，才将此结果公诸于世。,1785年Coulomb测出结果,精度与十三年前Cavendish的实验精度相当库仑是扭称专家;电斥力扭称实验，数据只有几个，且不准确（由于漏电）不是大量精确的实验；,与万有引力类比得,（二）库仑定律的表述,在真空中，两个静止的点电荷q1和q2

11、之间的相互作用力大小和q1 与q2的乘积成正比，和它们之间的距离r平方成反比；作用力的方向沿着他们的联线，同号电荷相斥，异号电荷相吸。,上述公式并非都是大量实验的结果，是在事实基础上理性思维的结果。如力的方向：分析点电荷受力：只能沿联线，否则空间旋转180就不对称了,注意,（三）成立条件、适用范围、精度,条件：静止 真空 点电荷,点电荷：,静止：点电荷相对静止，且相对于观察者也静止。,理想模型（已学过的）质点刚体准静态过程（热学）,点电荷：忽略了带电体形状、大小以及电荷分布情况的电荷。,真空条件,作用：为了除去其他电荷的影响，使两个点电荷只受对方作用。如果真空条件破坏会如何？不仅只有两个电荷；

12、总作用力比真空时复杂些，但由于力的独立作用原理，两个点电荷之间的力仍遵循库仑定律因此可以推广到介质、导体,适用范围和精度,原子核尺度地球物理尺度天体物理、空间物理,精度：Coulomb时代 1971年,3、补充电力叠加原理，利用库仑定律原则上可解决静电学中所有问题。,1、库仑定律只讨论两个静止（相对观察者和实验室参考系）的点电荷间的作用力。,2、库仑定律指出，两静止电荷间的作用力是有心力，它的大小与两电荷间的距离服从平方反比律。,（四）说明：,4、理论地位和现代含义,库仑定律是静电学的基础，说明了 带电体的相互作用问题 原子结构，分子结构，固体、液体的结构化学作用的微观本质, 都与电磁力有关，其中主要部分是库仑力,5、电量单位 MKSA制,1库仑：当导线中通过1安培稳恒电流时，一秒钟内通过导线某一给定截面的电量为 1C=1As若F=1N, q1=q2=1C, r=1m 则 k=8.9880109Nm2/C2 9.00109Nm2/C2,（五）物理定律建立的一般过程,观察现象；提出问题；猜测答案；设计实验测量；归纳寻找关系、发现规律；形成定理、定律（常常需要引进新的物理量或模型，找出新的内容，正确表述）；考察成立条件、适用范围、精度、理论地位及现代含义等 。,