绪论 电磁学课件

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1、HUBEI NORMAL UNIVERSITY绪 论 电磁学讲义电磁学讲义Electromagnetism Teaching materialsHUBEI NORMAL UNIVERSITY绪 论 电磁学的研究对象及发展简史： v电磁学是经典物理学的一部分。它主要研究电荷、电 流产生电场、磁场的规律，电场和磁场的相互联系，电 磁场对电荷、电流的作用，以及电磁场对物质的各种效 应等。电磁现象是自然界存在的一种极为普遍现象，它 涉及到很广泛的领域，电的研究和应用在认识客观世界 和改造客观世界中展现了巨大的活力。因此，电磁学课 程是理科和技术学科的一门重要基础课。 v任何一门科学都有其发展史，都是人

2、类长期实践活动 和理论思维的产物。回顾科学发展的历史可以使我们看 清楚，在荒漠的知识原野上如何建造起庄严的科学大殿 ，从而获得科学方法论上的教益。HUBEI NORMAL UNIVERSITY绪 论 v人类有关电磁现象的认识可追溯到公元前600年。v公元前585年，希腊哲学家泰勒斯（Tahales）就知 道摩擦过的琥珀能吸引小物体以及磁石相互吸引。现 在西方拼音文字中“电”一词，如英文electricity等都是 由希腊文的 （琥珀）一词转化而来；现在 西方文字中“磁学”一词，如英文的magnetism的来源 ，有人认为是古希腊色萨利的麦格尼西亚地方出产的 一种石头，能互相吸引，人们把这种石头

3、叫做麦格尼 西亚，后来人们把这种石头叫做麦格尼特。HUBEI NORMAL UNIVERSITY绪 论 v我国古代人民对电磁现象的认识曾有过重要贡献 。春秋时代的管子地数（公元前600多年） 中有“上有慈石者，其下有铜金”是我国最早关于 磁石的记载；东汉已有指南针的前身司南勺；比欧 洲更早，在北宋时，我国已有利用地磁场进行人工 磁化制作指南鱼或用磁石麽针尖制作指南针，并用 于航海；南宋，文天祥在扬子江一诗中写道： “臣心一片磁针石，不指南方不肯休。”后来（也 在1276年），他就把他的诗集命名为指南录， 可见在当时，磁针指南在我国知识界已是普通常识 了；晋朝（公元三世纪）还有关于摩擦起电引起放

4、 电现象的详细记载，“今人梳头，解著衣，有随梳 解结，有光者，亦有咤声”。HUBEI NORMAL UNIVERSITY绪 论 v1269年发现磁石有两极， v仿照地理学，把球形磁石上的两极分别叫N和S极 v1646年英文里的electricty一词出现 v1733年 迪费（Du Fay ,1698-1739）发现电有两种 v1736年 导体（conductor）一词的出现 v1785年 库仑（C.A. Coulomb）定律 v1821年安培（A.M. Ampere）分子电流假说，认为 物质的 磁性来源于它的分子磁性，而分子磁性则 来源于分子内部有一种永远流动的电流分子电流 （也有人把它叫做安

5、培电流） v1820年毕奥-萨伐尔（J.B.Biot F.Savart）定律， 电流产生磁场的基本规律HUBEI NORMAL UNIVERSITY绪 论 v1826年 欧姆（G.S.Ohm）定律，在我们今天看来， 欧姆定律是电学里最简单的定律，可是，在历史上， 它的建立和被接受，确是很不容易的事，在欧姆创立 欧姆定律时，不仅没有测量电位差和电阻等物理量的 仪器，而且连这些物理量的概念都不清楚，所以困难 是很大的，物理学上的开创性工作往往是这样的。 v1828年 格林（G.Green）定律，他是一位自学成才的 数学家，发展了泊松关于电学和磁学的理论。格林是 用泊松用过的位函数来处理问题的，他把

6、这个函数取 名为“位函数”（potential function）.HUBEI NORMAL UNIVERSITY绪 论 v1831年 法拉第（M.Faraday）发现电磁感应，他得 知奥斯特发现电流磁效应的消息后，就想到，既然电 能够产生磁，反过来，磁也应当能够产电。他感到， 既然电荷能在导体上产生感应电荷，电流也应该能在 导体上产生感应电流，他就是本着这种信念从事实验 研究的。 v1834年 楞次（H.F.E.Lenz）定律 v1839年 高斯(K.F.Gauss)定律，把库仑定律提到了新 的高度，成为后来麦克斯韦方程的基础之一。 v1840年焦耳（J.P.Joule）定律 v1843年电

7、荷守恒定律HUBEI NORMAL UNIVERSITY绪 论 v1864年麦克斯韦（J.C.Maxwell）方程组和电磁波， 1864年12月8日 Maxwell在英国皇家学会宣读了他的 总结性论文电磁场的动力学理论（A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field）这篇文章总结了 他十年间的研究成果。其中包括了我们今天熟悉的麦 克斯韦方程组的分量形式。18世纪初，英吉利海峡两 岸的自然哲学家们都以极大热情在电学这片未被开垦 的处女地里辛勤耕耘，但研究的风格却迥然不同。英 国学者偏重于实验和应用，法国学者更倾向于电现象 理论的探索。 HUBEI

8、NORMAL UNIVERSITY绪 论 v这与当时英国正在进行工业革命而法国酝酿着启蒙 运动有关。从1785年（我国清代乾隆五十年），到 1864年（我国清朝同治三年）麦克斯韦方程出世，人 类花了七十九年的时间，终于发现了电磁现象的基本 规律。HUBEI NORMAL UNIVERSITY绪 论 怎样学好电磁学： 1.电磁学的研究对象和主要内容：它是研究电磁 场以及它和带电粒子之间的相互作用。主要内容 大致可归纳成两部分：场（电场和磁场）和路（ 直流电路和交流电路）。在中学物理中对直流电 路已有较多的讨论，交流电路已有一定的介绍， HUBEI NORMAL UNIVERSITY绪 论 作为大

9、学物理课程，除普遍而系统的介绍处理电路问题 的基本概念和方法外，从场的观点来理解电路（特别是 交流电路）中发生的过程，掌握场和路之间的内在联系 ，是提高的一个重要方面。有关电磁场的内容，初学者 在中学虽已接触到一些有关电场和磁场的概念，但在中 学是作为一种手段而引进的，在大学中，场是作为研究 对象引入的，它有着丰富的内容，对初学者而言，从概 念到方法都还是新的，并且有一定的难度，电磁学中涉 及的场有静止电荷产生的静电场，电流产生的磁场，变 化磁场产生电场以及变化的电场产生磁场，这些场当然 有不同性质，但有相当多的共性。HUBEI NORMAL UNIVERSITY绪 论 若能对其中一种场从多方

10、面剖析，集中精力去认识 和掌握它，然后通过类比，弄清各种场之间的区别 和共同之处，则可较好地掌握其它的场。静电场是 学习电磁学中遇到的第一个场种，我们认为，学好 静电场是学好整个电磁学的关键。 HUBEI NORMAL UNIVERSITY绪 论 基本概念清楚才能牢 固地掌握知识，做题也并不困难，概念不清楚，虽然把 题目做出来了，对于学习能力的提高不会有太大的帮助 ，对于这点同学们应特别要注意。 （1）从定义开始准确掌握概念，为什麽要这样定 义？换一种说法行不行？有什麽要注意的问题等等； （2）结合基本定律和定理深入掌握概念（如通量 概念理解）； （3）通过对一些似是而非的问题的解决来巩固概

11、念。2.要在掌握基本概念上多下功夫：HUBEI NORMAL UNIVERSITY绪 论 电磁学的研究对象是场，描述 场的物理量，如电位和场强，完整的描述电场，必 须给出空间每一点的电位和场强。一般说来，不同 空间点上电位的数值或场强矢量的大小和方向都不 同，用数学语言来讲，我们面对的是一个空间位置 的标量函数或矢量函数，这就是数学意义下的“标 量场”或“矢量场”，当然它们还可能随时间变化，用 U(x.,y,z,t)或E(x.,y,z,t)表示。3.描述场的方法:HUBEI NORMAL UNIVERSITY绪 论 其实“场”的概念并非电磁学所独有，力学体 系和热学体系也有标量场和矢量场的例子

12、，例 如：大气其中各点的压力和温度经常是不 同的，这就构成二个标量场：压力场和温度场 ；大气中各点还有不同的风向和风速，这就构 成一个矢量场：流速场，对于气象工作者来讲 ，他们每天都在和这些“场”打交道。HUBEI NORMAL UNIVERSITY绪 论 既然场是空间位置的函数，则空间位置的描述（ 要取一定的坐标）就成为描述场分布的先决条件 ，所以我们在处理这类问题时，应养成习惯，先 考虑如何选取适当的坐标系，并在图中和文字叙 述中明确给出你所选取的坐标系。由于数学工具 的限制，电磁学课程中往往只要求计算某些特殊 位置（特殊点、特殊线、特殊平面）上的场或场 分布，在选取坐标系时，应充分考虑体

13、系的对称 性，自觉地锻炼自己分析对称性的能力，这对今 后学习物理学是大有好处的。 HUBEI NORMAL UNIVERSITY绪 论 近似计算在实际工作中相当重要，实际的 问题常常相当复杂，因此，严格的计算也相当 复杂。在许多情况下作复杂的严格计算并不必 要，根据实际的要求作必要的近似计算也是应 该注意培养的一种能力，教材中有示范（不小 心就会导致零结果或错误的答案）。计算出最后的结果来，从计算的任务而言 是结束了，但是从认识场的分布而言尚欠完善 ，我们还应该考查结果中有关场源的参量或坐 标变动时，场的分布是如何变化的，即考察场 的渐近行为，例题中有许多示范。HUBEI NORMAL UNI

14、VERSITY绪 论 物理量按其性质分为矢 量和标量（算术量、代数量），矢量虽复杂，但 有专门论述，算术量很简单，因为它只有正值， 代数量可正可负，在运算中常常出错（如电荷、 电位差、电流、电动势、电通量等）。所以在学 习电磁学时，必须对这些代数量的正、负由来和 所代表的意义给予充分的重视，我们结合具体内 容再进行分析和讨论。4.关于代数量的运用:HUBEI NORMAL UNIVERSITY绪 论 这个问题 是学习每一门课程都需要的，把它提出来望引 起大家重视。 一大堆杂七杂八的材料零乱地堆砌在一起， 一定会觉得索然无味，令人厌恶，而如果将它 们按照一定的构思拼搭出一定的结构，就会觉 得面目

15、一新，耐人寻味，你还会体验到其中的 某些奥妙，领略其中的和谐美。此外知识的掌 握也会更牢固，难于遗忘。5.掌握每章乃至全书的结构体系:HUBEI NORMAL UNIVERSITY绪 论 讲完一章或一部分内容后，把这部分内容 整理一下形成知识结构体系（包括课外学习的 知识、解题获得心得、思考问题的体会），刚 开始时，有些困难，或总结的不太好，没有抓 住要点，这里有一个锻炼过程。 HUBEI NORMAL UNIVERSITY绪 论 参考书目： 1.赵凯华，陈熙谋 .电磁学 . 上册 下册， 北 京：高等教育出版社，1985 2.梁绍荣等.普通物理学第三分册.北京：高等教 育出版社，1988 3.梁绍荣，王雪君.电动力学基础.北京：北京师 范大学出版社，1982