电磁学
电磁学的基础与应用
电磁学的基础与应用电磁学是现代物理学中的一门重要学科，它涵盖了许多理论和现象。
电磁学起源于对于电荷和电流的研究，随后发展出了电场和磁场的概念。
本文将分别对电磁学的基础和应用进行介绍。
一、电磁学的基础1. 电荷电荷是电磁学研究的基础，它是物质微观电子的属性，是一种标志着物体带电量的物理量。
电荷分为正电和负电两种，它们之间的作用是互相吸引，但是同种电荷会互相排斥。
2. 电流电流是电荷在导体中的流动，通常用单位时间内通过一个横截面的电荷量来表示。
在导体内，电子随着电场的力作用，同时向某一方向流动，这就形成了电流。
电流在电动机、电器中都有广泛应用。
3. 电场电场是描述电荷在空间中对其他电荷作用的力场，是空间中的一种场。
一个带电的粒子在静电场中受到的力与其所带电荷量及场的性质有关。
4. 磁场磁场与电场类似，是描述磁性物质在空间中相互作用的力场，也是空间中的一种场。
通常用磁力线来表示磁场线的分布规律。
二、电磁学的应用1. 高压输电技术高压输电技术是电磁学的一项非常重要的应用，可以解决远距离电力传输的问题。
当电网传输距离增加时，传输功率会受到很大的损耗，而采用高压输电技术可以降低电能损耗。
2. 电磁辐射技术电磁辐射技术是现代通信和信息技术中的一项关键技术，包括电磁波的产生、传输和接收等过程。
在手机通信、雷达探测、卫星通信等领域都有广泛的应用。
3. 磁共振成像技术磁共振成像技术是医学影像学中的一项重要技术，它利用磁场产生的静电力学和磁力学现象，对人体组织进行成像诊断。
它可以显示出人体内部的器官分布、结构、成分等信息，为疾病诊断和治疗提供了有力的帮助。
4. 电磁兼容技术电磁兼容技术可以帮助电子设备和系统在电磁环境中正常工作，同时减少电磁干扰和电磁辐射对其他设备的影响。
在电力系统、汽车电子、空间通信等领域都有广泛的应用。
总结：电磁学的基础包括电荷、电流、电场和磁场等，这些基础理论为电磁学的应用提供了重要的技术支撑。
普通物理学之电磁学
普通物理之电磁学电磁学是物理学的一个分支。
广义的电磁学可以说是包含电学和磁学，但狭义来说是一门探讨电性与磁性交互关系的学科。
主要研究电磁波，电磁场以及有关电荷，带电物体的动力学等等。
电磁学综述电磁学是研究电磁和电磁的相互作用现象，及其规律和应用的物理学分支学科。
根据近代物理学的观点，磁的现象是由运动电荷所产生的，因而在电学的范围内必然不同程度地包含磁学的内容。
所以，电磁学和电学的内容很难截然划分，而“电学”有时也就作为“电磁学”的简称。
早期，由于磁现象曾被认为是与电现象独立无关的，同时也由于磁学本身的发展和应用，如近代磁性材料和磁学技术的发展，新的磁效应和磁现象的发现和应用等等，使得磁学的内容不断扩大，所以磁学在实际上也就作为一门和电学相平行的学科来研究了。
电磁学从原来互相独立的两门科学(电学、磁学)发展成为物理学中一个完整的分支学科，主要是基于两个重要的实验发现，即电流的磁效应和变化的磁场的电效应。
这两个实验现象，加上麦克斯韦关于变化电场产生磁场的假设，奠定了电磁学的整个理论体系，发展了对现代文明起重大影响的电工和电子技术。
麦克斯韦电磁理论的重大意义，不仅在于这个理论支配着一切宏观电磁现象(包括静电、稳恒磁场、电磁感应、电路、电磁波等等)，而且在于它将光学现象统一在这个理论框架之内，深刻地影响着人们认识物质世界的思想。
电子的发现，使电磁学和原子与物质结构的理论结合了起来，洛伦兹的电子论把物质的宏观电磁性质归结为原子中电子的效应，统一地解释了电、磁、光现象。
和电磁学密切相关的是经典电动力学，两者在内容上并没有原则的区别。
一般说来，电磁学偏重于电磁现象的实验研究，从广泛的电磁现象研究中归纳出电磁学的基本规律；经典电动力学则偏重于理论方面，它以麦克斯韦方程组和洛伦兹力为基础，研究电磁场分布，电磁波的激发、辐射和传播，以及带电粒子与电磁场的相互作用等电磁问题，也可以说，广义的电磁学包含了经典电动力学。
大学物理电磁学
大学物理电磁学是物理学的一个重要分支，主要研究电磁现象的规律和本质。
电磁学在科学技术、工业生产和日常生活中都有着广泛的应用。
本文将从电磁学的基本概念、基本定律和电磁波的传播等方面对大学物理电磁学进行介绍。
一、基本概念1.电荷：电荷是物质的一种属性，分为正电荷和负电荷。
电荷间的相互作用规律是：同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。
2.电场：电场是电荷及变化磁场周围空间里存在的一种特殊物质，它对放入其中的电荷有作用力。
电场的强度用电场强度E表示，单位是牛/库仑。
3.磁场：磁场是磁体周围空间里存在的一种特殊物质，它对放入其中的磁体有作用力。
磁场的强度用磁感应强度B表示，单位是特斯拉。
4.电磁波：电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量。
电磁波在真空传播速度与光速一样，速度为30万千米/秒。
二、基本定律1.库仑定律：库仑定律是描述电荷之间相互作用的定律，其内容为：真空中两点电荷间的作用力与它们的电荷量的乘积成正比，与它们的距离的平方成反比，作用力在它们的连线上。
2.安培定律：安培定律是描述电流和电流激发磁场的定律，其内容为：电流I1通过一条无限长直导线时，在距离导线r处产生的磁场强度H1与I1成正比，与r成反比，即H1与I1r成反比。
磁场方向垂直于电流方向和通过点的平面。
3.法拉第电磁感应定律：法拉第电磁感应定律是描述磁场变化引起电场变化的定律，其内容为：穿过电路的磁通量发生变化时，产生感应电动势。
感应电动势的大小与磁通量变化率成正比，与电路的匝数成正比。
4.麦克斯韦方程组：麦克斯韦方程组是描述电磁场分布和电磁波传播的四个偏微分方程，包括库仑定律、法拉第电磁感应定律、安培定律和位移电流定律。
三、电磁波的传播1.电磁波的发射：电磁波的产生通常是通过振荡电路实现的。
当振荡电路中的电场和磁场相互垂直且同相振荡时，电磁波便会产生并向外传播。
电磁学基础知识
铁磁性物质的磁导率µ是个变量，它随磁场的强弱而变化。 电磁学基础知识
7.1.3 磁场强度
磁场强度H ：介质中某点的磁感应强度 B 与介质
磁导率 之比。 H B
磁场强度H的单位 ：安培/米（A/m)
在1831年英国科学家法拉第发现：，变化的磁场能使闭合的回路产生感应 电动势和感应电流。感应电动势的大小正比于回路内磁通对电流的变化率。
楞次定律：
1833年，楞次对法拉第电磁感应定律进行补充：闭合回路中感应 电流的方向，总是使它所产生的磁场阻碍引起感应电流的原磁通的变 化。这就是楞次定律。 具体地说，如果回路由于磁通增加而引起的电磁感应，则感应电流的磁场与原 来的磁场反向；如果回路由于磁通减少引起电磁感应，则感应电流的磁场与原 来的磁场相同。简要地说，感应电流总是阻碍原磁通的变化。
非线
对于铁心线圈来说，电感L不为常数。
性电
感 若为线性电感元件
eLdd t d(dL ti)Ld dti （2）
注
式（1）与式（2）是电动势的两种表达式，
意
一般当电感L为常数时，多采用式（2）。 而分析非线性电感时，由于L可变，一般采用式（1）。
电磁学基础知识
3、电感元件上电压与电流的关系
习惯上选择电感元件上的电流、电压、自感 电动势三者参考方向一致，则
1. 概述 电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保
持某种机械零件、工件于固定位置的一种电器。 当电源断开时电磁铁的磁性消失，衔铁或其它零 件即被释放。电磁铁衔铁的动作可使其它机械装 置发生联动。
根据使用电源类型分为： 直流电磁铁：用直流电源励磁；
大学物理《电磁学》PPT课件
电场性质
对放入其中的电荷有力的作用 ，且力的方向与电荷的正负有 关。
磁场性质
对放入其中的磁体或电流有力 的作用，且力的方向与磁极或
电流的方向有关。
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内所包围的 所有电荷的代数和除以真空中的介电常数。
当导体回路在变化的磁场中或导体回路在恒定的磁场中运动时
，导体回路中就会产生感应电动势。
法拉第电磁感应定律公式
02
E = -n(dΦ)/(dt)。
法拉第电磁感应定律的应用
03
用于解释电磁感应现象，计算感应电动势的大小，判断感应电
动势的方向。
自感和互感现象分析
自感现象
当一个线圈中的电流发生变化时 ，它所产生的磁通量也会随之变 化，从而在线圈自身中产生感应 电动势的现象。
程称为磁化。随着外磁场强度的增大，铁磁物质的磁感应强度也增大。
03
铁磁物质的饱和现象
当铁磁物质被磁化到一定程度后，其内部磁畴的排列达到极限状态，此
时即使再增加外磁场强度，铁磁物质的磁感应强度也不会再增加，这种
现象称为饱和现象。
04
电磁感应与暂态过程
法拉第电磁感应定律及应用
法拉第电磁感应定律内容
01
06
现代电磁技术应用与发展趋势
超导材料在电磁领域应用前景
超导材料的基本特性：零电阻、完全抗磁性
超导磁体在MRI、NMR等医疗设备中的应用
超导电缆在电力传输中的优势及挑战
高温超导材料的研究进展及潜在应用
光纤通信技术发展现状及趋势
电磁学四大基本定律
电磁学四大基本定律电磁学四大基本定律1、磁感应定律（法拉第定律）磁感应定律是指磁感应量与电流强度成正比，只有电流存在时，才能引起磁感应量。
这个定律被发现者法拉第于1820 年提出，故称法拉第定律：当一磁感应源（比如电流）引起一磁感应效应时，磁感应量H（磁感应强度）等于磁感应源的电流强度I的乘积：H=K × I其中K是一个系数，不同的情况K的值是不同的，这取决于磁场建立的介质及介质中磁性物质的种类和数量等。
2、电磁感应定律（迪瓦茨定律）电磁感应定律是指当一磁场和一电流交叉存在时，一电动势便会被产生，其大小与交叉面积及其形状有关，只有在磁场和电流都存在时，才能引起电动势。
该定律由迪瓦茨于1820 年提出，因此称为“迪瓦茨定律”：当一磁场与一电流交叉存在时，交叉面积上的电动势U 与磁场强度H和电流强度I的乘积成正比：U=K × H× I其中K是一个系数，取决于磁场建立的介质及介质中磁性物质的种类和数量等。
3、电流螺旋定律（麦克斯韦定律）电流螺旋定律是指电流在一磁场中的线路是螺旋状的。
该定律亦由法拉第提出，故称法拉第定律：当一电流在一磁场中传播，其线路同时会被磁场以螺旋状把电流围绕其方向线而改变。
该电流的方向与磁场强度和螺旋线圈数成反比：I ∝ --1/N其中N是螺旋线圈数（又称为电磁感应系数），表示电流的方向与每一圈半径r的变化方向保持一致。
4、等效电势定律（高斯定律）等效电势定律是指磁场的强度可用电势的梯度来表示，即：H= -V这个定律于1835 年由高斯提出，因此称为“高斯定律”：如果一磁场中只有一点源（比如电流）分布，磁场强度H可以用电势梯度的向量（由电势的变化率组成）来表示。
因而磁场的强度H可用电势梯度的公式来表示：H= -V其中V是电势，是导数的简写。
电磁学
e
2e
二、库仑定律
• 静电力
同号电荷相斥，异号电荷相吸。这 种相互作用称为静电力。
• 1785年 法国物理学家库仑（C.A.Coulomb） 扭秤实验 总结出库仑定律。
• 点电荷（理想模型） 当带电体的形状
和大小与带电体之间的距离相比可以忽略时，这种 带电体就可看作点电荷。（忽略其形状和大小）
• 库仑定律
8.2 108 (牛）
电子与质子之间的万有引力为
相比可忽略！
FE FG 2.3 1039
FG GmM
R
2
3.6 1047 N
所以库仑力与万有引力数值之比为
10.2 电场 电场强度 一. 电场 电场强度 1.电场
场论观点（法拉第）：没有物质，物体之间的相互 作用是不可能发生的（不存在超距作用）。 根据场论观点：
2
r
l
dEx
1
dl
q
4 0 r 2
dl
a csc d cos d cos 2 2 4 0 a csc 4 0 a
dE y sin sin d 2 4 0 r 4 0 a y dE y Ex dEx cos d dE 4 0 a
定义：
电场强度
E
F q0
q0
q
场源 电荷
试验 电荷
F
E E ( x, y, z )
电场中某点的电场强度在量值上等于放在该点 的单位正试验电荷所受的电场力，其方向与正试验
电荷受力方向一致。
讨论
1.由 E
F q0
是否能说， 与 F 成正比，与 q0成反比？ E
电磁学的三大定律
电磁学的三大定律电磁学是物理学的一个重要分支，研究电荷与电流之间的相互作用和电磁波的传播规律。
在电磁学中，有三大定律，分别是库仑定律、安培定律和法拉第电磁感应定律。
本文将依次对这三大定律进行阐述，并展示电磁学在现代科技中的应用。
一、库仑定律库仑定律是描述电荷之间相互作用的定律。
它表明，两个电荷之间的力正比于它们的电荷量的乘积，反比于它们之间距离的平方。
具体而言，如果两个电荷之间的距离翻倍，它们之间的相互作用力将减小到原来的四分之一。
库仑定律的应用非常广泛。
例如，在电子学中，电子器件中的电荷相互作用决定了电路的性能。
在电磁波传播中，库仑定律揭示了电磁波的传播规律，为通信技术的发展提供了理论基础。
二、安培定律安培定律是描述电流与磁场之间相互作用的定律。
根据安培定律，电流元产生的磁场在与其垂直的方向上，与电流元之间的距离成反比。
而且，磁场的强度与电流的大小成正比。
安培定律在电磁学中具有重要的意义。
例如，根据安培定律，我们可以推导出著名的比奥-萨伐尔定律，该定律描述了通过一根导线的电流与导线周围磁场之间的关系。
在电动机、发电机等电磁设备中，安培定律被广泛应用。
三、法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律描述了磁场变化引起的感应电动势。
根据法拉第电磁感应定律，当一个闭合线圈中的磁通量发生变化时，线圈中就会产生感应电动势。
这个感应电动势的大小与磁通量变化的速率成正比。
法拉第电磁感应定律是电磁学中的重要定律，应用广泛。
例如，变压器的工作原理就是基于法拉第电磁感应定律。
变压器通过交变电流产生的磁场变化，使得次级线圈中产生感应电动势，从而实现电能的传输和变换。
以上是电磁学的三大定律的简要介绍。
这些定律不仅是电磁学理论体系的基石，也是现代科技发展的重要支撑。
电磁学的应用涉及到电子技术、通信技术、能源技术等多个领域，推动了人类社会的进步和发展。
电磁学的三大定律——库仑定律、安培定律和法拉第电磁感应定律，是电磁学研究的重要基础。
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计短暂反应 速度越快，偏转角越大 接近与远离，方向相反
11月24日 向皇家物理学会提交论文—— “电磁感应 ” （1）磁场 （2）回路
共同点： B dS
发生了变化
电磁感应现象：当穿过一个闭合导体回路所围面积 的磁通量发生变化时，回路中就有电流产生。 实质:因为有感应电动势的产生 法拉第还发现： 感应电流
N匝线圈
d i dt
i N d 若 1= 2= · · N= ，则 ·= dt
其中 =1+ 2+ · · N ·+ 回路的总磁通匝链数
全磁通
“–”规定了感应电动势的方向。 判断步骤： 回路绕行正方向
v
N
S
d i dt
d i dt
回路包围面积法线方向
求（2）若长直导线的电流I=常数，矩形回路以 匀速v向右运动，求回路中的i=？ 解：任意t 时刻回路的总磁通 b+vt 0 Il 0 Il b vt dr ln 2 a vt a+vt 2 r
I
dr
d i dt
a
r
b
l
0 Il (a b)v 2 (a vt )(b vt )
S
v
N
磁铁棒的相对运动 磁铁棒向前运动，必须克服斥力作功 回路中的电能 其他形式的能量 反之： Ii所激发的磁场 磁铁棒的相对运动 磁铁棒加速向前， 产生更大的Ii
Ii所激发的磁场
实验
不需要外界做功，一致持续下去
电磁永动机
4. 应用
求回路中感应电动势的方法:
找出回路中的磁通量表达式
通过对时间求导（电磁感应定律） 感应电动势的大小
B
dΦ <0 dt
i
L
B
S v
i >0
S v
dΦ >0 dt
N
N
i <0
3. 楞次定律(判断感应电流方向)
1834年楞次提出: 闭合回路中感应电流的方向，总是使得它 激发的磁场来反抗引起感应电流的磁通量 的变化（增加或减少）。 n n d 0 d 0 dt dt B B 例如: L L 逆时针 i i 顺时针 可见：楞次定律和法拉第电磁感应定律中的“-”是 一致的。
实验
保持水位差，实现水循环 流动的装置——水泵 保持电位差，提供非静电力 的装置——电源 A —将q从负极移到正极F非做的功 i
E
则电源的电动势为 A
从场的观点： 等效非静电场场强
A
qE非
dl
F非 E非 q
E 非
q
电源的电动势：
dl
+ + + + + + +
F非 Fe
+Q
Q
单位：伏特
请思考：
当电路断开时，电源的 电动势是否存在？ 电源的电动势是关于电 源本身性质的物理量，…
i
E
电动势是标量，为何有 时又提到电源电动势的 “方向”？ 一般规定，电源内部电势 升高的方向为…
第三篇 电磁学
第13章 电磁感应
第1节 法拉第电磁感应定律 Faraday’s Law
那有没有“磁的电效应”呢 ？
？
法拉第
（磁生电） （电生磁）
我在1820年发现了“电的磁
奥斯特
效应”耶！
1.电磁感应现象的发现（1831年）
8月29日：
A连通，B旁磁针短暂偏转 A断开，B接检流计，电流 流向与前相反
+ + + + + + +
F 非 Fe
+Q
Q
2. 电磁感应定律
电磁感应的实质是产生感应电动势： 当穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变 化时，（不论这种变化是什么原因引起的）， 回路中都会建立起感应电动势，且此值正比于 磁通量对时间变化率的负值。
d i dt
的正负
d 的正负 dt
与回路绕行正方向 同向
i 正 负
与回路绕行正方向 反向
en
B
i
Φ>0
en
B
i
Φ>0
L
N
v
dΦ >0 dt
L
dΦ <0 dt
S
en
i <0
N
v
i
L
i d Φ<0 dt
B dS
i >0
Φ<0
S
en
i 0 与绕行方向相同
求（3）若长直导线的电流I=kt，矩形回路以 匀速v向右运动，求回路中的i=？
解：任意t 时刻回路的总磁通 b+vt 0 Il 0lk dr t ln b vt 2 a vt a+vt 2 r
I
dr
问题： d 0 Il dr 2 r d 0 Il dr i 2 r dt dt
楞次定律
感应电动势的方向
Ii
i
1 d R R dt
例.如图所示,一矩形导体回路放在通有电流 I 的 长直导线旁。 求（1）若导体回路不运动,当长直导线的电流 I=kt (k为正常数)时, 回路中i=？ I dr 解： 设回路绕行方向为顺时针， 距导线r处取一窄条dr， a l 窄条面上的磁通为：Bldr r 则导体回路的总磁通为 b b 0 I b 0 Il b l dr a B ldr a ln 2 r 2 a 0lk 将I = kt 代入,有 t ln b 2 a d 0lk ln b 0 与绕行方向相反 i 2 a dt
i d dt
a
r
b
l
全微分 d B dS S dB
则B是均匀场才可以
作业：8—T2~7