电磁学概论
电磁学基本理论 ppt课件
0
0 I
4a
ˆz a
ppt课件
O点产生的磁感应强度: 0 I
B B1 B2 B3
ppt课件 2
3. 库仑定律
F21
q1q2 ˆR21 a 2 4π 0 R21
其中： 0为真空中介电常数。
0
1 109 8.85 1012 36 π
q1
R21
q2
F/m
q1
4. 电场强度的计算 q1qt2 ˆR21 F21 a 2 4π 0 R21
R21
q 2t
E
q 1 1 q R2 R1 4π 0 R1 R2 4π 0 R R 1 2
R1 R l cos 2 l R2 R cos 2
因为： l R 则： R2 R1 l cos
2 l R2 R1 R 2 cos2 R 2 4
15
(三) 磁场
Fm
产生磁场的源： a.永久磁铁 b.变化的电场 c.电流周围，即运动的电荷
v
B
1. 什么是磁场？
Fm qv B
存在于载流回路或永久磁铁周围空间，能对运动电荷 施力的特殊物质称为磁场。 ˆv Fm a B lim qt 0 2. 磁感应强度 B的定义 qt v
ˆv 和磁感应强度 B 三者相互 可见： 磁场力 Fm 、运动速度 a 垂直，且满足右手螺旋法则。
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3. 磁感应强度的计算
安培力实验定律：
dF21 ˆR ) 0 I 2dl2 ( I1dl1 a 4π R
2
电流元
I1
I 2dl2
I2
I1dl1
电磁学全书概述
路
论
1
大学物理学
全书概述
第一章
静电场的基本规律小结
高斯定理 → 电场为有源场 库仑定律 点电荷出发 点电荷出发 ⇒ 叠加原理 环路定理 → 电场为有势场
一、库仑定律
F=
q1q 2 r 4πε 0 r 3
真空中， 静止的 表示在真空中 相对于观察者静止 点电荷q 表示在真空中，相对于观察者静止的点电荷 1对相对 于观察者静止的另一点电荷q 的作用力。 于观察者静止的另一点电荷 2的作用力。 二、高斯定理 Φ E = 三、环路定理
∫∫
S
J ⋅ dS = 0
⇒ ∑ Ii = ∑ I j
流入 流出
2、基尔霍夫第二方程组 、 原理:恒定电场的环路定理 原理 恒定电场的环路定理
∫ E ⋅ dl = 0
L
⇒ ∑( ±ε i ) + ∑( ±I j Rj ) = 0
i j
直流电路的欧姆定律 U AB = IR, U AB = ε ± Ir
ΦE =
大学物理学
全书概述
∫∫
S
E ⋅ dS =
1
ε0
∫∫∫
V
ρ dV
例：均匀带正电q，半径为 的球体内、外之电场？ 均匀带正电 ，半径为R 的球体内、外之电场？ 解：对称性：中心对称性（电荷均匀体分布 ） 对称性：中心对称性（ 高斯面：以球壳的球心为球心， 为半径作球型高斯面 为半径作球型高斯面, 高斯面：以球壳的球心为球心，以r为半径作球型高斯面
一段含源电路欧姆定律
U AB = ε ± Ir
J = γ ( E + E非 )
ε=
U = IR
J= 1
ρ
⋅ E = γE
第01章——电磁学概论
互感系数的大小，决定于两个线圈的匝数、几何形状、相 对位置以及周围介质等因素。其大小反应了一个线圈在另外一 个线圈中产生互感电势的能力。 （三）线圈的极性 对于互感电压，因产生该电压的电流在另一线圈上，因此 ，要确定其符号，就必须知道两个线圈的绕向。这在电路分析 中显得很不方便。为解决这个问题引入同名端的概念。 当两个电流分别从两个线圈的对应端同时流入或流出，若 产生的磁通相互加强时，则这两个对应端子称为互感线圈的同 名端。
F12 =
4Π ∫l1 ∫l2
μ0
I 2 dl2 * ( I1dl1 * er ) 2 r 12
µ0——真空中的磁导率，其值为4π*10-7H/m; r12——两个电流元之间的距离； er——单位矢量。
二、磁感应强度 根据电磁场观点，两个电流回路之间的作用力实质上是 通过“磁场”来间接作用的磁场力，用毕萨定律描述磁感应 强度如下式： μ0 Idl 1 * e r B1 = r2 4π ∫l1 B——磁感应强度，单位为特斯拉（T）。 载流导体周围存在着磁场，即电流产生磁场为电流的 磁效应。 通电导线（或线圈）周围磁场（磁力线）的方向，可 以用右手定则来判断。 通电导线在磁场中受力的方向，可以应用左手定则来 确定。
体物质和真空中。
∂D ∂t ——位移电流密度，存在于磁场随时间变化的任何实
八、自感与互感 在实际电路中，磁场的变化常常是由于电流的变化引起的。 因此，把感应电动势直接和电流的变化联系起来具有重要的 实际意义。互感和自感现象的研究就是找出这方面的规律。 （一）自感 由于线圈自身电流的变化而引起线圈内产生电磁感应的 现象，叫做自感现象。由自感现象而产生感应电动势叫做感 应电动势。 线圈自感系数的大小，决定与线圈本身的结构（如匝数 、几何形状、尺寸）和周围介质的导磁系数。 （二）互感 两临近线圈之间的电磁感应现象称为互感现象。
电磁学概述
电磁学概述大量实验事实表明，物体间的相互作用不是超距作用，而是由场传递的。
电磁力就是由电磁场传递的。
正是场与实物间的相互作用，才导致实物间的相互作用。
电磁学：研究物质间电磁相互作用，研究电磁场的产生、变化和运动的规律。
关于电磁现象的观察记录公元前约585年希腊学者泰勒斯观察到用布摩擦过的琥珀能吸引轻微物体。
“电”(e l e c t r i c i t y)这个词就是来源于希腊文琥珀。
我国，战国时期《韩非子》中有关“司南”的记载;《吕氏春秋》中有关“慈石召铁”的记载东汉时期王充所著《论衡》一书记有“顿牟缀芥，磁石引针”字句电和磁现象的系统研究英国威廉·吉尔伯特在1600年出版的《论磁、磁体和地球作为一个巨大的磁体》一书中描述了对电现象所做的研究，把琥珀、金刚石、蓝宝石、硫磺、树脂等物质摩擦后会吸引轻小物体的作用称为“电性”，也正是他创造了“电”这个词。
吉尔伯特第一次明确区分了以前常被人混在一起的电和磁这两种吸引。
他指出这两种吸引之间有深刻的差异。
电磁现象的定量研究从1785年库仑定律的建立开始，其后通过泊松、高斯等人的研究形成了静电场（以及静磁场）的（超距作用）理论。
伽伐尼于1786年发现了电流，后经伏特、欧姆、法拉第等人发现了关于电流的定律。
1820年奥斯特发现了电流的磁效应，一两年内，毕奥、萨伐尔、安培、拉普拉斯等作了进一步定量的研究。
1831年法拉第发现了有名的电磁感应现象，并提出了场和力线的概念，进一步揭示了电与磁的联系。
在这样的基础上，麦克斯韦集前人之大成，再加上他极富创见的关于感应电场和位移电流的假说，建立了以一套方程组为基础的完整的宏观的电磁场理论。
电磁学内容按性质来分，主要包括“场”和“路”两部分。
大学物理偏重于从“场”的观点来进行阐述。
“场”不同于实物物质，它具有空间分布，但同样具有质量、能量和动量，对矢量场（包括静电场和磁场）的描述通常用到“通量”和“环流”两个概念及相应的通量定理和环路定理。
物理电磁学的
物理电磁学的电磁波产生与传播自古以来，人们对于光的性质与行为一直有着浓厚的兴趣。
然而直到19世纪初，光的本质才被揭示出来，并与电磁学理论相结合。
这一发现为电磁学开辟了全新的领域，并且为无线通信、电子技术等领域的快速发展奠定了基础。
本文将对物理电磁学的概念、电磁波的产生与传播进行探讨。
1. 电磁学概述电磁学是研究电荷与电流之间相互作用以及与空间中磁场相互作用的学科。
根据麦克斯韦方程组，电场和磁场是相互关联且相互支持的。
电磁波是由振荡的电场和磁场组成的，其传播速度为光速。
2. 电磁波的产生电磁波的产生通常是通过加速运动的电荷或者变化的电流来实现的。
当电荷加速或者电流变化时，周围的电场和磁场也会随之变化。
这种变化以波的形式传播出去，形成电磁波。
3. 电磁波的传播电磁波的传播是在空间中进行的，其传播过程可以用波动方程来描述。
根据这个方程，电场和磁场按照一定的振幅和频率在空间中扩展。
根据麦克斯韦方程组，电磁波的传播速度为真空中的光速。
电磁波可以分为不同的频率范围，包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等。
每一种电磁波都具有不同的特性和应用领域。
4. 电磁波的特性电磁波具有以下几个重要的特性：4.1 频率和波长：电磁波的频率和波长之间具有反比关系。
频率越高，波长就越短，反之亦然。
4.2 传播速度：根据电磁学理论，电磁波在真空中的传播速度为299,792,458米每秒，即光速。
4.3 反射和折射：电磁波在与介质边界交互时会发生反射和折射。
折射是指电磁波通过介质时方向的改变，反射是指电磁波在交界面上的反弹。
4.4 干涉和衍射：电磁波在遇到障碍物或者通过狭缝时会发生干涉和衍射现象。
干涉是指两个或多个波相互叠加产生的干涉图样，衍射是指波通过小孔或者绕过障碍物产生的扩散效应。
除了上述特性外，电磁波还具有偏振、散射、吸收和放射等特性，这些特性使得电磁波在通信、医学成像、天文学和导航等领域有着广泛的应用。
电磁学概述
8
把电装起来 1746年，莱顿大学教授缪森布鲁克发明了一种存贮静电的瓶 子，这就是后来很有名的“莱顿瓶”。 缪森布鲁克本来想像往瓶子里装水那样把电装进瓶子里，他 首先在瓶子里灌上水，然后用 一根金属丝把摩擦玻璃棒连到 水里。结果他被重重地“电击” 了一下，据说事后他这样说： “就算是国王命令，我也不想 再做这种可怕的实验了”。
9
防止被雷击 1748 年富兰克林按英国人沃尔的观念设计了避雷针。 牢记：雷雨天气室外防雷击的原则： 不要顶天立地，尽量降低自己； 不要霸占地盘，人体与地面的接触面要尽量 缩小以防止因“跨步电压”造成伤害； 不要靠近导体、孤立大树和无避雷装置的高 大建筑体； 不要手持金属物体高举头顶； 不要露天洗浴，因水导电好，易遭雷击。
普通物理
1
电磁学概述
（1课时）
一、电磁学发展综述
公元前 600 年，古 希腊学者泰勒斯第 一次记载电磁现象 1820年，丹麦学 者奥斯特发现电 流对磁针的作用 1831年，英国物 理学家法拉第发 现电磁感应现象
2
1865年，英国物 理学麦克斯韦提 出电磁场理论
1905年爱因斯坦 建立狭义相对论
3
11
电池的诞生 通过用各种金属进行实验，意大利帕维亚大学教授伏打证明 了锌，铅，锡，铁，铜，银，金，石墨这个系列中的两种金 属相互接触时，系列中排在前面的金属带正电，排在后面的 金属带负电。他把铜和锌做为两个电极置于稀硫酸中，从而 发明了伏打电池。电压的单位“伏特”就是以他的名字命名 的。
二、学习电磁学的重要性
电磁理论的研究是自然科学中的重要组成部分 电能是应用最广泛的能源 电磁波是最重要的信息传递媒介 电磁理论是工程技术各领域的重要支撑
电磁学导论
磁感应线：磁感应强度B的矢量线， 表示磁场的方向和强弱
添加标题
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磁感应强度：描述磁场强弱的物 理量，与电流、导磁材料等有关
磁通量：穿过某一面积的磁感应 线的数量，与磁感应强度和面积 有关
03
电磁感应与暂态过程
法拉第电磁感应定律
定律内容：当磁场发生变化时， 会在导体中产生电动势。
02
静电场与恒定磁场
电场强度与电位
电场强度是描述电场中力的性质 的矢量，其定义式为E=F/q。
电场强度的大小与电位的高低无 关，但它们的梯度成正比。
添加标题
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添加标题
电位是描述电场中能的性质的标 量，其定义式为V=E/q。
在静电场中，电场强度与电位的 关系可以用高斯定理和环路定理 来描述。
电子技术中的应用
无线通信：电磁波用于传输信号 雷达技术：电磁波用于探测目标 电子显微镜：电磁场用于观察微小物体 磁存储技术：磁场用于存储数据
磁悬浮列车与磁力应用
磁悬浮列车：利用磁力排斥 原理实现列车与轨道的分离， 减少摩擦力，提高运行速度
磁力应用：在工业、医疗、 航空航天等领域，磁力常被 用于实现各种设备与器件的 精确操控和高效运作
04
磁场与物质的相互作用
磁场对载流导体的作用
洛伦兹力：磁场对运动电荷的作用力，使电荷在磁场中发生偏转
安培力：磁场对通电导线的作用力，使导线在磁场中发生运动
电磁感应：当导体在磁场中运动时，导体中会产生感应电流，同时感应电流也会产生磁场， 与原磁场相互作用
磁畴结构：物质内部的磁畴结构会受到磁场的影响，改变物质的磁畴结构可以改变物质的 磁性
磁场对运动电荷的作用
电 磁 学 概 述
1
x
2
dx
a
E
b
1
解：取 dx
dF Edq
1
2 0 x
a b
2 d x
M l F q l E
M PE
F F q E
电偶极子在均匀外电场中 所受的合外力
F 0
l
F
+q
F
–q
E
0, 时 ,
M 0
以上关于电偶极子的讨论在下一章电介 质分子在外电场作用下产生极化现象的 分析中至关重要！
d Ey
x
dE
r a csc .
2 2 2
dE
4 0 a
dLeabharlann d E x d E sin
d E y d E cos( ) d E cos
14
y
dE
4 0 a
2
d
dl L l
r
dE x
d Ey
4 0 a
dq 4 0 r
2
E L d E x L cos 4 0 r
2
cos
L
dq
L d q
qx 4 0 ( R x )
2 2 3 2
R
0
x
z
dE
E
cos q 4 0 r
2
讨论：x R
E
q 4 0 x
2
当dq 位置发生变化时，它所激发 的电场矢量构成了一个圆锥面。
解: 按库仑定律计算,电子和质子之间的静电力为
F 1 e
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电磁学概论
12级物理系物理学皮潇潇
摘要：经典电磁学的形成和发展，大致经历了四个阶段。
从十六世纪到十九世纪，终于建成了经典电磁学的理论大厦，并成为经典物理学理论体系中的一个重要组成部分。
本文根据有关资料分析做一概述。
关键词：经典；电磁学；发展；概论
一.早期的电磁学研究
早期的电磁学研究比较零散，下面按照时间顺序将主要事件列出如下：1650年，德国物理学家格里凯在对静电研究的基础上，制造了第一台摩擦起电机。
1720年，格雷研究了电的传导现象，发现了导体与绝缘体的区别，同时也发现了静电感应现象。
1733年，杜菲经过实验区分出两种电荷，称为松脂电和玻璃电，即现在的负电和正电。
他还总结出静电相互作用的基本特征，同性排斥，异性相吸。
1745年，荷兰莱顿大学的穆欣布罗克和德国的克莱斯特发明了一种能存储电荷的装置－莱顿瓶，它和起电机一样，意义重大，为电的实验研究提供了基本的实验工具。
1752年，美国科学家富兰克林对放电现象进行了研究，他冒着生命危险进行了著名的风筝实验，发明了避雷针。
1777年，法国物理学家库仑通过研究毛发和金属丝的扭转弹性而发明了扭秤。
1785－1786年，他用这种扭秤测量了电荷之间的作用力，并且从牛顿的万有引力规律得到启发，用类比的方法得到了电荷相互作用力与距离的平反成反比的规律，后来被称为库仑定律在早期的电磁学研究中，还值得提到的一个科学家是大家都已经在中学物理课本中学过的欧姆定律的创立者－欧姆。
二.安培和法拉第奠定了电动力学基础
1820年间，奥斯特在给学生讲课时，意外地发现了电流的小磁针偏转的现象。
当导线通电流时，小磁针产生了偏转。
这个消息传到巴黎后，启发了法国物理学家安培。
他思考，既然磁与磁之间、电流与磁之间都有作用力，那么电流与电流之间是否也存在作用力呢？他重复了奥斯特的实验，几天后向巴黎科学院提交了第一篇论文，提出了磁针转动方向与电流方向的关系，就是大家在高中学习过的右手定则。
再一周后，他向科学院提交了第二篇论文，在该文中，他讨论了平行载流导线之间的相互作用问题。
同时，他还发现如果给两个螺线管通电流，它们就会象两个条形磁铁一样相互吸引或者排斥。
1822年，安培在实验的基础上，以严密数学形式表述了电流产生磁力的基本定律，即安培定律。
该定律表明，两个电流元的作用力与它们之间距离的平方成反比，与库仑定律很类似，但是它们作用力的方向却要由右手定则来判断。
安培通过研究电流和磁铁的磁力情况，他认为磁铁的磁力在本质上和电流的磁力是一样的，提出了著名的安培分子电流假说。
该假说认为在物体内部的每个微粒都有一个环形电流，它们实际上就相当于一个小磁针，当这些小磁针的磁性排列一致时，就体现出宏观磁性。
这一假说在当时不被人们看重，一直到了70年后人们才真的发现了这种带电粒子，证明了安培假说的正确性。
既然电流有磁效应，那么磁是否也会有电流效应呢？根据物理的相互作用原理，这个结果应该是显然的，因此不少人为此做了很多实验，试图发现磁的电流效应。
但是这个现象直到奥斯特发现电流磁效应的10多年后，才被英国物理学家法拉第和美国物理学家亨利发
现。
法拉第，1791年9月22日生在一个手工工人家庭，家里人没有特别的文化，而且颇为贫穷。
法拉第是一个伟大的实验物理学家，他在电磁学方面的主要贡献就是现在称之为法拉第电磁感应定律，并且提出了力线和场的概念。
前面提到的安培和奥斯特等人的工作说明了电和磁之间存在着必然的联系，法拉第发现的电磁感应定律比他们前进了一大步。
他用实验证明了电不仅可以转化为磁，磁也同样可以转变为电。
运动中的电能感应出磁，同样运动中的磁也能感应出电。
法拉第的发现为大规模利用电力提供了基础，后来人们利用法拉第电磁感应定律制造了感应发电机，从此蒸气机时代进入了电气化时代。
1831年，法拉第用铁粉做实验，形象地证明了磁力线的存在。
他指出，这种力线不是几何的，而是一种具有物理性质的客观存在。
从这个实验说明，电荷或者磁极周围空间并不是以前那样认为是一无所有的、空虚的，而是充满了向各个方向散发的这种力线。
他把这种力线存在的空间称之为场，各种力就是通过这种场进行传递的。
三.麦克斯韦的电动力学
1850年，麦克斯韦考入了剑桥大学三一学院，主攻数学和物理。
1854年以优异的成绩毕业。
1871年回到了母校担任实验物理教授。
法拉第精于实验研究，麦克斯韦擅长于理论分析概括，他们相辅相成，导致了科学上的重大突破。
1855年，24岁的麦克斯韦发表了他的论文《论法拉第的力线》，对法拉第的力线概念进行了数学分析。
1862年，他继续发表了《论物理的力线》。
在这篇论文中，他不但解释了法拉第的实验研究结果，而且还发展了法拉第的场的思想，提出了涡旋电场和位移电流的概念，初步提出了完整的电磁学理论。
1873年，麦克斯韦完成了电磁理论的经典著作《电磁学通论》，建立了著名的麦克斯韦方程组，以非常优美简洁的数学语言概括了全部电磁现象。
这一方程组有积分形式和微分形式。
其积分形式有四个等式组成。
，就是说通过任意闭合曲面的电通量等于它包围住的自由电荷的代数和，说明在任何电场中电场强度沿着任意闭合曲线的积分等于通过此闭合曲线包围面积的磁通量随时间变化律的负值。
，即在任何磁场中，通过任意封闭曲面的磁通量等于零。
，说明任何磁场中磁场强度沿着任意闭合曲线的积分等于通过此闭合曲线所包围面积内的全电流。
麦克斯韦方程组把电荷、电流、磁场和电场的变化用数学公式全部统一起来了。
从该方程组可以知道，变化的磁场能够产生电场，变化的电场能产生磁场，它们将以波动的形式在空间传播，因此麦克斯韦预言了电磁波的存在，并且推导出电磁波传播速度就是光速，因此他也同时说明了光波就是一种特殊的电磁波。
这样，麦克斯韦方程组的建立就标志着完整的电磁学理论体系的建立，《电磁学通论》的科学价值可以与牛顿的《自然哲学的数学原理》相媲美。
由于没有实验的验证，麦克斯韦理论当时得不到大多数科学家的理解。
物理学家劳厄说：“象赫尔姆赫兹和玻尔兹曼这样有异常才能的人为了理解它也需要花几年的力气。
”因此，支持他理论的科学家就更加少了。
1883年，赫兹注意到一个有关的新研究，有人提出，如果电磁波存在，那么莱顿瓶在振荡放电的时候，应该产生电磁波。
1886年，赫兹在进行放电实验时，发现近傍一个没有闭和的线圈也出现了火花，他得到启发，很快制出了可以检测电磁波的电波环。
电波环的结构非常简单，在一根弯成环状的粗铜线两端，安上两个金属球，小球间的距离可以进行调整。
赫兹经历了无数次失败，不断改变实验设计和装置，反复调整实验仪器。
终于观察到，调节电波环的两个金属球之间的间隙，当感应圈两极的金属球之间有火花跳过时，可以使在电波环的间隙处也有火花跳过，这样，他就终于检测到了电磁波。
这也就是电磁学在19世纪的发展简史。
电磁学后来的发展在前人的基础上可谓突飞猛进，到今天，生活中很多地方都运用到了它。
作为一名物理学的学生，电磁学在我们的专业
中占有极其重要的地位，我要好好学习，将电磁学更好地运用到实际中，为人们造福。
参考文献
[1]谢邦同主编，世界经典物理学简史[M].辽宁教育出版社，1988
[2]马文蔚等主编。
物理学发展史上的里程碑[M].江苏科学技术出版社出版，1992
[3]李艳平，申先甲主编.物理学史教程[M].科学出版社出版.2003
[4]郭奕玲，沈慧君编著.物理学史[M].清华大学出版社出版，1993
[5]李佩珊，许良英主编.20世纪科学技术简史[M].科学出版社，1999。