《电磁学基本知识》word版

三、电磁学【电磁学】电学与磁学的统称，是物理学中的一个重要部门。

研究电磁现象的规律和应用的科学。

研究对象包括静电现象、磁现象、电流现象、电磁感应、电磁辐射和电磁场等。

磁现象和电现象本质上是紧密联系在一起的，变化的磁场能够激发电场，变化的电场也能够激发磁场。

它是电工学和无线电电子学的基础。

【电】人类在很早以前就知道琥珀摩擦后，具有吸引稻草片或羽毛屑等轻小物体的特性。

物体具有吸引其它物体的这种性质叫做“物体带电”或称“物体有了电荷”，并认识到电有正负两种；同性相斥，异性相吸。

当时并不知道电是实物的一种属性，认为电是附着在物体上的，因而把它称为电荷，并把具有这种斥力或引力的物体称为带电体。

习惯上经常也把带电体本身简称为电荷。

近代科学证明；构成实物的许多基本粒子都是带电的，如质子带正电，电子带负电，质子和电子具有的绝对电量是相等的，是电量的最小单位。

一切物质都是由大量原子构成，原子又是由带正电的原子核和带负电的电于组成。

通常，同一个原子中的正负电量相等，因此在正常情况下表现为中性的或不带电的。

若由于某些原因（如摩擦、受热或化学变化等）而失去一部分电子，就带正电，若得到额外的电子时，就带负电。

用丝绸摩擦玻璃棒，玻璃棒就失去电子而带正电，丝绸得到电子而带负电。

【摩擦起电】两种不同物体相互摩擦后，分别带有正电和负电的现象。

其原因是，当物体相互摩擦时电子由一个物体转移到另一个物体上，因此原来两个不带电的物体因摩擦而带电，它们所带的电量数值上相等，电性上相异。

【静电感应】在带电体附近的导体，受带电体的影响在其表面的不同部分出现正负电荷的现象叫作“静电感应”。

因为，在带电体电场作用下，导体中的自由电子进行重新分布，造成导体内的电场随之而变化，直到抵消了带电体电场的影响，使它的强度减小到零为止。

结果靠近带电体的一端出现与带电体异号的电荷，另一端出现与带电体同号的电荷。

如果导体原来不带电，则两端带电数量相等；如果导体原来带电，则两端电量的代数和应与导体原带电量相等。

在带电体附近的导体因静电感应而表面出现电荷的现象称为“感生电荷”。

【电荷守恒定律】在任何物理过程中，各个物体的电荷可以改变，但参于这一物理过程的所有物体电荷的代数和是守恒的，也就是说：电荷既不能创造，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。

例如中性物体互相摩擦而带电时，两物体带电量的代数和仍然是零。

这就是电荷守恒定律。

【库仑定律】表述两个静止点电荷间相互作用力的定律。

是法国物理学家库仑于1785年发现的。

概述为：在真空中两个静止点电荷之间的相互作用力F的大小和它们的电量Q1和Q2和乘积成正比，和它们之间的距离r的平方成反比；作用力的方向沿着它们的连线，同号电荷相斥，静电单位制中为1，式中F的单位是达因，Q的单位是静电单位制的电式中F的单位是牛顿，Q的单位是库仑，r的单位是米，这时比例系数K等于9×109牛顿·米2/库仑2。

为了简化电学中许多常用公式，往往将【库仑】（Charles－Augustin de Coulomb，1736～1806）法国工程师、物理学家。

1736年6月14日生于法国昂古莱姆。

他曾在美西也尔工程学校读书，这是一座新型的讲授理论和应用知识的学校。

离开学校后，进入皇家军事工程队当工程师。

他在西印狄兹工作了9年，因病而回到法国。

法国大革命时期，库仑辞去一切职务，到布卢瓦致力于科学研究。

法皇执政统治时期，他回到巴黎，成为新建研究院成员。

库仑在1773年发表有关材料强度的论文，他提出使各种物体经受应力和应变直到它们的折断点，然后根据这些资料就能计算出物体上应力和应变的分布情况。

这种方法沿用至今，是结构工程的理论基础。

1777年库仑开始研究静电和磁力问题。

当时法国科学院悬赏，征求改良航海指南针中的磁针问题。

库仑认为磁针支架在轴上，必然会带来摩擦，要改良磁针的工作，必须从这一根本问题入手，他提出用细头发丝或丝线悬挂磁针。

他又发现线扭转时的扭力和磁针转过的角度成比例关系，从而可利用这种装置算出静电力或磁力的大小。

这导致他发明定量扭秤。

扭秤能以极高的精度测出非常小的力。

1779年库仑分析摩擦力，并提出有关润滑剂的科学理论。

他还设计出水下作业法，类似于现代的沉箱。

1785～1789年，库仑用扭秤测量静电力和磁力，导出了有名的库仑定律。

1806年8月23日库仑在巴黎逝世。

电荷的单位库仑，就是以他的姓氏命名的。

【点电荷】点电荷并不是指带电体非常小的电荷实体，而是在所讨论的问题中可以不考虑其大小和分布状况的带电体。

例如，当带电体的线度在所讨论的问题中远小于其他距离和长度时。

这时的电荷分布也可看作为点电荷。

点电荷只是一个为讨论问题方便而引入的理想概念，这一点与研究力学时引入质点的概念相似。

【电介质】不导电的物质称为“电介质”，又叫做“绝缘体”。

组成电介质的原子或分子中的正负电荷束缚得很紧，在一般条件下不能相互分离，因此在电介质内部能作自由运动的电荷（电子）极少，电导率均在10－8西门子/米以下。

当外电场超过某极限值时，电介质被击穿而失去介电性能。

电介质在电气工程上大量用作电气绝缘材料、电容器的介质及特殊电介质器件（如压电晶体）等。

在电介质中的两个点电荷之电介质都有它自身的ε，不同物质的介电常数各不相同。

【介电常数】又称为“电容率”或“相对电容率”。

在同一电容器中用某一物质作为电介质时的电容与其中为真空时电容的比值称为该物质的“介电常数”。

介电常数通常随温度和介质中传播的电磁波的频率而变。

电容器用的电介质要求具有较大的介电常数，以便减小电容器的体积和重量。

【电场】存在于电荷周围，能传递电荷与电荷之间相互作用的物理场叫做电场。

在电荷周围总有电场存在；同时电场对场中其他电荷发生力的作用。

观察者相对于电荷静止时所观察到的场称为静电场。

如果电荷相对于观察者运动时，则除静电场外，同时还有磁场出现。

除了电荷可以引起电场外，变化的磁场也可以引起电场，前者为静电场，后者叫做涡旋场或感应电场。

变化的磁场引起电场。

所以运动电荷或电流之间的作用要通过电磁场来传递。

【电场强度】电场强度是用来表示电场的强弱和方向的物理量。

电场强度矢量，常用来表示，电场中某一点的电场方向可用试探点电荷（正电荷）在该点所受电场力的方向来确定；电场强弱可由试探电荷所受的力F与试探点电荷带电量q的比值（F/q）来确定，也就是说某点电场的强弱等于单位电荷在该点所受力的大小。

试探点电荷应该满足两个条件；（1）它的线度必须小到可以被看作点电荷，以便确定场中每点的性质；（2）它的电量要足够小，使得由于它的置入不引起原有电场的重新分布。

电场强度的实用单位为伏特/米或牛顿/库仑。

常用的单位还有伏特/厘米。

由库仑定律和电场强度的定义可知，点电荷q在电场中某一点所受的电场力，等于该点电场强度E和电荷q的乘积，即=q。

如果是正电荷，和同方向，如果是负电荷，和反方向。

电场强度和电场力虽然有着密切的联系，但它们是两个不同的概念，电场强度完全由电场本身的性质所决定，而电场力是荷q，但的量值与q无关，因为电荷在电场中某一指定点所受的力是和电荷的电量q成正比。

所以对指定点来说，与q的比值是不变量。

【电动力学】研究电磁运动一般规律的科学。

它以麦克斯韦方程组和洛仑兹力公式为出发点，运用数学方法，结合有关物质结构的知识，建立完整的电磁理论，分别从宏观和微观的角度来阐明各种电磁现象。

同量子理论结合又产生了量子电动力学。

【电子的发现】19世纪末，电学兴起，这提供了破坏原子的方法。

在低压气体下放电，原子被分为带电的两部分。

1897年，美国的汤姆逊在研究该两部分电荷时，发现其一带负电（称为电子），而另一个较重要的部分则带正电。

这一事实说明原子不再是不可分割的。

1895年，德国的仑琴发现X光，接着贝克勒尔及居里夫妇相继发现放射性元素。

放射性元素就是可放出“某些东西”的原子。

这些东西后来被称为α、β粒子，飞行很快。

可穿透物质。

这一穿透能力很快应用于探讨原子内部构造的工具，实验结果有时粒子毫无阻碍地通过，有时则又发生猛烈的碰撞。

用汤姆逊的原子模型不能解释。

1911年卢瑟福为了解释这一实验结果，提出一个新的原子模型。

他证明：原子中带正电的部分必须集中于一个非常小而重的原子核里，而电子则如行星绕日般地围着原子核转动，原子核与电子间是有很大空隙的。

用这一模型算出的数值，证实了实验结果。

【场的迭加原理】如果一个电场由n个点电荷共同激发时，那么电场中任一点的总场强将等于n个点电荷在该点各自产生场强的矢量和即【电力线】电力线是描述电场分布情况的图像。

它是由一系列假想的曲线构成。

曲线上各点的切线方向和该点的电场方向一致，曲线的疏密程度，跟该处的电场强度成正比。

电力线比较形象地表示出电场的强弱和方向。

在静电场中电力线从正电荷开始而终止于负电荷，不形成闭合线也不中断。

在涡旋电场中，电力线是没有起点和终点的闭合线。

由于电场中的某一点只有一个电场方向，所以任何两条电力线不能相交。

电力线上各点的电势（电位）沿电力线方向不断减小。

【法拉第】（Faraday，Michel，1791～1867）法拉第是著名的英国物理学家和化学家。

他发现了电磁感应现象，这在物理学上起了重要的作用。

1834年他研究电流通过溶液时产生的化学变化，提出了法拉第电解定律。

这一定律为发展电结构理论开辟了道路，也是应用电化学的基础。

1845年9月13日法拉第发现，一束平面偏振光通过磁场时发生旋转，这种现象被称为“法拉第效应”。

光既然与磁场发生相互作用，法拉第便认为光具有电磁性质。

1852年他引进磁力线概念。

他主张电磁作用依靠充满空间的力线传递，为麦克斯韦电磁理论开辟了道路，也是提出光的电磁波理论的先驱，他的很多成就都是很重要的、带根本性的理论。

他制造了世界上第一台发电机。

所有现代发电机都是根据法拉第的原理制作的。

法拉第还发现电介质的作用，创立了介电常数的概念。

后来电容的单位“法拉”就是用他的名字命名的。

法拉第从小就热爱科学，立志献身于科学事业，终于成为了一个伟大的物理学家。

【麦克斯韦】Maxwell James Clerk英国物理学家（1831～1879）。

阿伯丁的马里查尔学院和伦敦皇家学院、剑桥大学教授，并且是著名的卡文迪什实验室的奠基人。

皇家学会会员。

在汤姆逊的影响下进行电磁学的研究，提出了著名的麦克斯韦方程式，这是电磁学中场的最基本的理论。

麦克斯韦从理论上计算出电磁波传播速度等于光速，他认为：光就是电磁波的一种形态。

对于统计力学、气体分子运动论的建立也作出了贡献。

引进了气体分子的速度分布律以及分子之间相互碰撞的平均自由程的概念。

著有《论法拉第力线》、《论物理力线》、《电磁场运动论》、《论电和磁》、《气体运动论的证明》、《气体运动论》。