电磁场的数字物理基础
高中物理电磁场基础知识学习笔记
高中物理电磁场基础知识学习笔记电磁场是高中物理中的一个重要概念，理解和掌握电磁场的基础知识对于学生的物理学习至关重要。
本文将通过分析性论述的方式，结合具体操作方法和实例，深入探讨高中物理电磁场基础知识的学习笔记。
一、电磁场的概念与特性在学习电磁场的基础知识时，首先需要了解电磁场的概念和特性。
电磁场是由电荷和电流所产生的物理现象，它包括静电场和磁场两个方面。
静电场是由静止电荷所产生的场，而磁场则是由运动电荷所产生的场。
电磁场具有电场线和磁力线两种方式来表示。
学生可以通过实验来直观地了解电磁场的概念和特性。
例如，可以通过将一个带正电的塑料棒靠近一个小金属球，观察小金属球受到的吸引力，从而感受到电场的作用；又如，可以通过将一个带电流的螺线管靠近一个小磁针，观察小磁针的偏转情况，从而感受到磁场的作用。
二、电场的性质和计算了解电场的性质和计算方法对于学生掌握电磁场的基础知识至关重要。
电场具有电势、电场强度和电场线三个重要性质。
1. 电势：电势是用来描述电场中每个位置的电位能的大小。
学生可以通过计算电荷在电场中的电势差来理解电势的概念。
例如，可以计算一个带正电的点电荷在两个位置之间的电势差，从而了解电势的计算方法。
2. 电场强度：电场强度是描述电场中电荷受力大小和方向的物理量。
学生可以通过计算电荷在电场中受到的力大小和方向来理解电场强度的概念。
例如，可以计算一个带正电的点电荷在某一位置上的电场强度，从而了解电场强度的计算方法。
3. 电场线：电场线是用来表示电场的方向和强度的曲线，它的方向与电场强度方向相一致。
学生可以通过绘制电场线图来了解电场的分布情况和特点。
例如，可以绘制一个带正电的点电荷所产生的电场线图，从而了解电场线的绘制方法。
三、磁场的特性和计算在掌握了电场的基础知识后，学生还需要学习磁场的特性和计算方法。
磁场具有磁感应强度、磁通量和安培力三个重要性质。
1. 磁感应强度：磁感应强度是描述磁场中磁力大小和方向的物理量。
物理学中的电磁场理论知识点
物理学中的电磁场理论知识点电磁场理论是物理学中重要的一部分，它描述了电荷体系所产生的电磁场以及电磁场与电荷之间的相互作用。
本文将介绍电磁场的概念、电场和磁场的性质以及麦克斯韦方程组等电磁场的基本知识点。
一、电磁场的概念电磁场是指由电荷或电流体系所产生的电场和磁场的总和。
电场是由电荷引起的一种力场，可使带电粒子受力；磁场则是由电流引起的一种力场，可对磁性物质施加力。
二、电场的性质1. 电场的强度：电场强度定义为单位正电荷所受的电场力，通常用E 表示，其大小与电荷量和距离有关。
2. 电场线：电场线是用来表示电场分布的曲线，其方向与电场强度方向相同。
电场线的密度反映了电场强度的大小。
3. 高斯定律：高斯定律描述了电场与电荷之间的关系，它指出电场通过闭合曲面的通量与闭合曲面内的总电荷成正比。
三、磁场的性质1. 磁感应强度：磁感应强度是磁场的基本物理量，用 B 表示，其大小与电荷量和距离无关。
它描述了磁场对磁性物质产生的作用力。
2. 磁场线：磁场线是用来表示磁场分布的曲线，其方向与磁感应强度的方向相同。
磁场线呈环状，从北极经南极形成闭合曲线。
3. 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感应电动势的现象。
它说明了磁场变化对电荷运动的影响。
四、麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组是描述电磁场的基本方程，它由麦克斯韦总结了电场和磁场的性质而得出。
麦克斯韦方程组包括四个方程，分别是：1. 麦克斯韦第一方程（高斯定律）：它描述了电场通过闭合曲面的通量与闭合曲面内的总电荷成正比。
2. 麦克斯韦第二方程（法拉第电磁感应定律）：它描述了磁场变化引起感应电动势的现象，即电场沿闭合回路的环路积分与磁场变化的速率成正比。
3. 麦克斯韦第三方程（安培环路定律）：它描述了环绕闭合回路的磁场强度与通过闭合回路的总电流之间的关系。
4. 麦克斯韦第四方程（法拉第电磁感应定律的推广）：它说明了变化的电场可以产生磁场，反之亦然。
电场和磁场之间存在着相互转化的关系。
电磁场中的基本物理量
解： （1）
I
J dS
S
2 0
10r r 1.5 2
0
sin d d
|r 1mm
40 r 0.5 |r1mm 3.97( A)
（2）在球面坐标系中
d
dt
J
1 r2
d dr
r 210r 1.5
5r 2.5 |r1mm 1.58 108 A / m3
由电流强度定义：
dq I dt S J (r ) ds dt
V
s J (r )
ds
dq dt
d dt
V
(r )dV
即
J(r)d S
d
(r )dV
S
dt V
电荷守恒定 律积分形式
在等式的左端应用高斯散度定理，将闭合面上的面积分变为体
积分，得
V ( J )dV V t dV
J
eR
z dEz
dE
由对称性和电场的叠加性，合电场只有z
分量，则
E z ez
l dEz
ez l 4 0
l
cos
R2
dl
R
l
r0 O
dl
ez l
4 0
l
z R3
dl
ez l 4 0
z R3
l
dl
2 rl z 4 0 R3
ez
qz
40 R3
ez
结果分析
（1）当z→0，此时P点移到圆心，圆环上各点产生的电场抵消，
J v v v 0
面电流密度
当电流集中在一个厚度趋于零的薄层（如导体表面）中流动时， 电流被认为是表面电流或面电流，其分布情况用面电流密度矢量
工程电磁场要点
梯度：标量场的梯度是一个矢量场，它的方向是标量u 增加最快的方向、大小等于其最大方向导数。
xy z u u u u x y z∂∂∂∇=++∂∂∂e e e散度：一个矢量场的散度是一个标量，表示该点的散度源。
=y x z F F F x y z∂∂∂∇⋅++∂∂∂F旋度：一个矢量场的旋度是一个矢量，表示该点的旋度源。
x y z xy zx y z F F F ∂∂∂∇⨯=∂∂∂e e e F 斯托克斯定理d d CS=∇⨯⎰⎰F l F S高斯散度定理d d SVV =∇⎰⎰F S Fd d d cSS t∂=+∂⎰⎰⎰DHl J S Sd 0S =⎰B Sd d cS t∂=-∂⎰⎰BE l Sd d SVV ρ=⎰⎰D St∂∇⨯=+∂D H J 0∇=B t∂∇⨯=-∂B E ρ∇=D εμσ===D E B H J E边界条件()()()12n121212 ()00 n S n n sρ⨯-=⨯-=-=-=e H H J e E E e B B e D De 方向由2指1恒定电场d d SV V tρ∂⋅=-∂⎰⎰J S0∇=J d 0C=⎰E l0∇⨯=Eσ=J E位函数 ϕ=-∇E位函数满足的微分方程20ϕ∇= 场量的边界条件()()12120n n -=⨯-=e J J e E E位函数的边界条件 121212n n ϕϕσσϕϕ∂∂=∂∂=静电比拟法E 恒↔E 静 ϕ恒↔ϕ静 J ↔ D I ↔ qσ ↔ ε功率损耗密度p =J E 电导I G U=波动方程（有麦克斯韦方程推导出的，E 和H 在无源区满足的微分方程） 2220t με∂∇-=∂E E 2220tμε∂∇-=∂H H矢量位与标量位tϕ∂=∇⨯=--∇∂AB A E 洛仑兹规范 tϕμε∂∇=-∂A 矢量位与标量位满足的微分方程——达朗贝尔方程222tμεμ∂∇-=-∂AA J2221t ϕϕμερε∂∇-=-∂坡印亭矢量S （能流密度矢量），其方向表示能量的流动方向，其大小表示单位面积上的功率，单位是W/m2。
电磁场的数学物理基础知识
1.1.1 矢量及其表示方法
➢ 矢量：表示既有大小也有方向的量，如 F或 F
➢ 标量：只有大小的量，如 f、 g
➢
矢量几何图示如右： F
➢ 矢量代数：矢量间的四则运算，即加减法、乘法。
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1.1.1 矢量及其表示方法
一个由大小和方向共同确定的物理量叫做矢量。
-B
B
图1-2 两矢量相减
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1.1.2 矢量相加(代数表示)
z
直角坐标系中的矢量及运算
A exA xeyA yezA z
A
Az
Ax
y
AA Ax2Ay2Az2
Ay x
，
图 1-3 直角坐标中的A及其各分矢量
若 AexA xeyA yezA z BexB xeyB yezB z
⑴A•B=B•A
Acosθ
B
⑵(A+B)•C=A•C+B•C
⑶λ(A • B) =(λA) • B= A•(λB)
Bcos
A
⑷若A ⊥B，则A•B=0
(5)A自身的点积，即 =0°，A•A=A2
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例如， 直角坐标系中的单位矢量有下列关系式： ex·ey=ey·ez= ex·ez=0 ex·ex=ey·ey=ez·ez=1 直角坐标系中的点积运算
量。
♥ 负矢量——与原矢量大小相等，方向相反的矢量。
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1.1.2 矢量相加(几何表示 )
两矢量A和B相加定义为一个新矢量A+B
B A+B A
A+B B
A
，
( a ) 平行四边形法则
数学物理中的电磁学与电磁场理论
数学物理中的电磁学与电磁场理论电磁学是物理学的重要分支，研究物质中电荷的运动以及与之相互作用的现象。
而电磁场理论则是电磁学的基础，描述了电荷和电流带来的电磁场的产生和传播规律。
本文将从数学物理的角度，探讨电磁学与电磁场理论的相关概念和数学模型。
1. 电磁学基础在电磁学中，电荷是核心概念之一。
电荷分为正电荷和负电荷，同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引。
库伦定律描述了电荷之间的相互作用力的大小与距离的关系。
其数学表达式为：$$F = \frac{{k \cdot |q_1 \cdot q_2|}}{{r^2}}$$其中，$F$为电荷之间的相互作用力，$q_1, q_2$为电荷的电量，$r$为电荷之间的距离，$k$为比例常数。
2. 静电场与电势静电场是电磁场的一种特殊情况，不随时间变化。
静电场可以用电势来描述。
电势是描述某一点电场状态的物理量，其定义为单位正电荷在该点所受电势力所做的功。
电势可以通过静电势能来解释，即电荷在电场中由于位置变化所引起的能量变化。
电势的数学定义为：$$V = \frac{U}{q}$$其中，$V$为电势，$U$为电势能，$q$为电荷的电量。
3. 电场和电场强度电场是在空间中存在电荷时产生的物理现象，描述了电荷对其他电荷或者测试电荷产生的力的作用。
电场由电场强度来描述，电场强度是单位正电荷在某一点上受到的电场力。
电场强度的数学定义为：$$E = \frac{F}{q}$$其中，$E$为电场强度，$F$为电荷所受电场力，$q$为测试电荷的电量。
4. 感应电场与法拉第电磁感应定律当磁场的变化引起了电场的变化时，产生的电场称为感应电场。
感应电场可以通过法拉第电磁感应定律来描述，即导体回路中的感应电动势等于磁通量的变化率。
法拉第电磁感应定律的数学表达为：$$\varepsilon = -\frac{{d\Phi}}{dt}$$其中，$\varepsilon$为感应电动势，$\Phi$为磁通量，$t$为时间。
电磁场理论中安培环路定理的数学表达与物理意义
电磁场理论中安培环路定理的数学表达与物理意义电磁场理论是现代物理学的基础之一，其中安培环路定理是电磁场理论中一个重要的数学表达。
本文将探讨安培环路定理的数学表达以及其在物理上的意义。
安培环路定理是描述电磁场中电流与磁场相互作用的定理，它是由法国物理学家安培在19世纪提出的。
安培环路定理可以用数学公式来表达，即：∮B·dl = μ0I其中，∮B·dl表示磁场B沿闭合曲线的环路积分，μ0为真空中的磁导率，I为通过闭合曲线所围成的区域的电流。
这个数学表达看起来可能有些抽象，我们可以通过一个具体的例子来理解它的物理意义。
假设我们有一个平面线圈，通过该线圈的电流为I。
根据安培环路定理，我们可以计算这个线圈所产生的磁场。
首先，我们选择一个闭合曲线，围绕着这个线圈。
然后，我们沿着这个闭合曲线计算磁场B·dl的环路积分。
根据安培环路定理，这个环路积分的结果应该等于μ0乘以通过这个闭合曲线所围成的区域的电流。
也就是说，这个环路积分的结果应该等于μ0乘以I。
从数学上来看，这个环路积分可以通过对磁场B在闭合曲线上的各点进行积分来计算。
在物理上，这个环路积分的结果表示了通过闭合曲线所围成的区域的磁场总量。
通过这个例子，我们可以看出安培环路定理的物理意义。
它告诉我们，通过一个闭合曲线所围成的区域的磁场总量与通过这个闭合曲线所围成的区域的电流之间存在着一种数学关系。
这个关系由安培环路定理的数学表达给出。
安培环路定理的数学表达还可以扩展到更复杂的情况。
比如，当电流不仅仅通过一个闭合曲线所围成的区域时，我们可以将整个区域分成许多小的闭合曲线，并对每个小闭合曲线应用安培环路定理。
然后，将所有小闭合曲线的结果相加，就可以得到整个区域的磁场总量与电流之间的关系。
总之，安培环路定理是电磁场理论中一个重要的数学表达，它描述了电流与磁场相互作用的关系。
通过安培环路定理，我们可以计算闭合曲线所围成的区域的磁场总量，并将其与通过这个闭合曲线所围成的区域的电流联系起来。
电磁场中的基本物理量和基本实验定律
J s 的方向为空间中电流流动的方向
J s在某点的大小为单位时间内垂直通过单位长度的电量
当薄层的厚度趋于零时，面电流称为理想面电流
线电流和电流元 Idl
电荷只在一条线上运动时，形成的电流即为线电流。
电流元 Idl：长度为无限小的线电流元。
dq
故 J dI dt v
vdt
ds ds
J v
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关于体电流密度的说明
通过截面积S 的电流 I J dS S
反映空间各点电流流动情况的物理量，形成一个空间矢量场
它在某点的方向是正电荷运动的方向。
vi 如有N 种带电粒子，电荷密度分别为i，平均速度为 ，则
N
J
x
ez
s z 2 0
z
2
1 (a)2 1/ 2
z 2
1 (b)2 1/ 2
结果表明：在均匀的环形薄圆盘轴线上，只有 ez
方向的电场分量。
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2.1.4 安培力定律和磁感应强度
一、安培力定律-——实验定律：
两个电流元的相互作用力
安培力定律描述了真空中两个电流回路间相互作用力的规律。
合,原点在直导线的中点,场点坐标为
P(r,, z) , 线电荷元为 l dz,它在场点
的电场强度沿柱坐标系的三个
L 2
dz
z
分量为:
Lo
dEz
dE
dEr
P(r,, z)
电场方向在源点与场点的连线上. 2
dEz
dE
cos
1
4
0
l dz
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梯度场是无旋场，旋度场是无散场。任一矢量场均可表示为一个无旋场与无散场之和。矢量场的散度及旋度特性是研究矢量场的首要问题。无旋也无散的矢量场在无限空间是不存在的，它只能存在于局部的无源区域之中。
一切矢量场的源只有两种类型，即产生发散场的散度源和产生旋涡场的旋度源。因此，在全空间中，散度及旋度均处处为零的场是不存在的。但是，散度或旋度处处为零的场是存在的。通常，散度处处为零的矢量场称为无散场，旋度处处为零的矢量场称为无旋场。
任一矢量场的旋度的散度一定等于0。任一无散场可以表示为另一矢量场的旋度，或者说，任何旋度场一定是无散场。如，恒定磁场的磁感应强度B的散度处处为0，恒定磁场是一个无散场。
高斯定理将矢量函数的面积积分转化为标量函数的体积分，反之亦然；从场的观点来看，高斯定理建立了某一区域中的场与包围该区域边界上的场之间的关系。
斯拖克斯定理将矢量函数的面积积分转化为线积分，反之亦然；从场的观点来看，斯拖克斯定理建立了某一区域中的场与区域边缘上的场之间的关系
散度是标量，旋度是矢量
无论是梯度，散度还是旋度，都是微分运算，它们表示场在某点附近的变化特性，场中各点的梯度，散度或旋度可能不同。
电磁场的数字物理基础
标量场标量场的梯质可以判断闭合面中源的正负特性，以及存在与否。但是，通量仅仅能表示闭合面中源的总量，它不能显示源的分布特性，由此引出散度，描述源在空间各点的特性。
矢量场的环量与旋度：环量描述矢量场的漩涡特性，可以表示产生具有漩涡特性的源强度，但是它代表的是闭合曲线包围的总的源强度，不能显示源的分布特性，由此引出旋度，描述源在各点的强度。
任一标量场的梯度的旋度一定等于0。任一无旋场一定可以表示为一个标量场的梯度，或者说，任何梯度场一定是无旋场。如，静电场的电场强度E的旋度处处为0，静电场为无旋场。
格林定理说明区域V中的场与边界S上的场之间的关系，因此，利用格林定理可以将区域场中的求解问题转变为边界上场的问题求解。此外，格林定理说明了两种标量场或矢量场之间应该满足的关系。因此，如果已知其中一种场的分布特性，即可利用格林定理求解另一种场的分布特性。