电磁学知识操作系统

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1、电磁学知识操作系统电磁学是研究电、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。电磁学从原来相互独立的两门学科（电学、磁学）发展成为物理学中一个完整的分支学科，主要基于两个重要的实验发现，即电流的磁效应和变化磁场的电效应，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。电 磁 运 动 是 物 质 的 又 一 种 基 本 运 动 形 式 ， 电 磁 相 互 作 用 是 自 然 界 已 知 的基本相互作用之一，也是人们认识得较深入的一种相互作用。在日常生活

2、和生产活动中，在对物质结构的深入认识过程中，都要涉及电磁运动。因此，理解和掌握电磁运动的基本规律在理论上和实际上都有极其重要的意义，电磁感应现象的应用在我们实际生活中随处可见，比如发动机、电话、音响、磁悬浮列车等等，这也就是我们为什么要深入研究电磁学，电磁理论的建立为人类获得巨大而廉价的能源开辟了有一条崭新的途径，为电工和电子技术的发展做出了无可估量的贡献。一 、 电 磁 学 的 发 展 史1、早期的电磁学研究早期的电磁学研究比较零散，首先是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，其次是1720年 格 雷 发 现 了 静 电 感 应 现

3、象，1733年 杜 菲 经 过 实 验 区 分 出 正 负 两 种 电 极 ， 随 后 就 是 欧 姆 发 现 了 欧 姆 定 律 。2、安培和法拉第奠定了动力学基础1820年 间 ， 奥 斯 特 在 给 学 生 讲 课 时 ， 意 外 地 发 现 了 电 流 使 小 磁 针 偏 转 的现 象同时还发现如果给两个螺旋线管通电流，它们会像两个磁铁一样相互吸引和排斥。到1822年安培在试验的基础上，以严密的数学形式表述了电流产生磁力的基本定律 安培定律。随后法拉第用实验证明了电不仅可以转化为磁，磁也可以转变为电，并于1831年用铁粉做实验，形象的证明了磁力线的存在。3、麦克斯韦的动力学1873年

4、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。二、电荷的相关定律自然界一切电磁现象都起源于物质具有电荷属性，电现象起源于电荷，磁现象起源于电荷运动，所以， “电荷”概念是电磁学中的第一个重要的概念。人类对电现象的认识开始于摩擦起电，经摩擦后的物体具有吸引轻小物体的性质，就说这物体带了电荷，1747年，美国科学家富兰克林把自然界中与丝绸摩擦过的玻璃棒上电荷性质相同的电荷称为正电荷，与毛皮摩擦过的橡胶棒上电荷性质相同的电荷称为负电荷。1、电荷守恒定律由摩擦起电和其他起电过程的

5、大量实验事实表明，一切起电过程其实都是使物体上正、负电荷分离或转移的过程中，在这种过程中，电荷既不能消灭，也不能创生，只能使原有的电荷重新分布。由此就可以总结出电荷守恒定律：一个孤立系统的总电荷(即系统中所有正、负电荷之代数和)在任何物理过程中始终保持不变。所谓孤立系统，就是指它与外界没有任何相互作用的系统，电荷守恒定律也是自然界中一条基本的守恒定律，在宏观和微观领域中普遍适用。2、 库 伦 定 律 1785年法国物理学家库伦用扭秤实验测定了两个带电球体之间的相互作用的电力。库伦在实验的基础上提出了两个点电荷之间的相互作用的规律，即库仑定律：在 真 空 中 ， 两 个 静 止 的 点 电 荷

6、之 间 的 相 互 作 用 力 ， 其 大 小 和 他 们 电荷 的 乘 积 成 正 比 ， 与 他 们 之 间 距 离 的 二 次 方 成 反 比 ； 作 用 的 方 向 沿 着 亮 点 电荷 的 连 线 ， 同号电荷相斥，异号电荷相吸。公式表达式为： rqF4130这是电学以数学描述的第一步。虽 然 库 伦 定 律 描 述 电 荷 静 止 时 的 状 态 十 分 精 准 ， 单 独 的 库 伦 定 律 却 不容易，以静电效应为主的复印机，静电除尘、静电喇叭等，发明年代也在1960以后，距库伦定律之发现几乎近两百年。我们现在用的电器，绝大部份都靠电流，而没有电荷(甚至接地以免产生多余电荷)。

7、也就是说，正负电仍是抵消，但相互移动。三、电磁场的描述由库仑定律可以知道，两个相距一段距离的带电体之间存在着相互作用的电力，并且通过相关的实验我们还会看到相距一定距离的电流之间存在着相互作用的磁力，两个不相接触的物体间怎么会发生相互作用呢？或者说，两个彼此相隔一定空间距离的物体之间的相互作用是怎样传递的呢？关于这个问题，在物理学的发展史中曾有过长期的争论，最终人们认识到，任何带电体的周围空间都存在着由电荷激发产生的电场，而任何载流体的周围空间都存在着由电流激发的磁场，相隔一定距离的两带电体间的电相互作用，实际上是两带电体彼此都在对方电荷产生的电场里而受到的电场作用。需要指出的是，在电荷周围空间

8、引出电场和在电流周围空间引出磁场，并不是为了方便理解电相互作用和磁相互作用，也不是一种处理问题的方法，而是因为电场和磁场都是切切实实的客观存在。随时间振动变化的电磁场甚至会脱离产生它的源而独立存在。所以电场、磁场本身就是一种客观存在的物质，是与实体物质不同的一种物质存在形态。电磁场的基本性质是：对放入其中的电荷（不管是静止的还是运动的）有力的作用。四、静电场的基本性质和规律带电体上的电荷分布如果是不随时间变化的静止电荷，其周围空间的电场分布也是不随时间变化的电场，这种电场称为静电场。静电场是电磁场的一种特殊形式，是最简单的电磁场。有关静电场的基本规律是整个电磁场理论的基础，有关静电场的很多概念

9、和方法都可以移植到研究磁场及变化的电磁场中去。下来，我们就来讨论静电场中的各种性质及其规律。1、电场强度E任何带电体上的电荷都会在其周围空间产生电场，电场的最基本特征是对进入其在空间的其他电荷产生电作用力。为定量地研究电场，我们引入试探点电荷，其电量为 ，将试探点电荷置于所研究的电场，设试探点电荷在电场q0处受到的电场力为 ，则 应与 和反映 处电场性质的一个矢量rF00q0r有关，设 = ，则 是一个与试探点电荷无关，）（ rE0）（ rEr0)(）（完全反映 处电场本身性质的物理量，这个物理量称为电场强度，简称场强。电场强度是描述电场强弱及方向的物理量，它是反映电场本身的性质。电场强度的基

10、本性质有： 矢 量 性 ： 场 强 是 矢 量 ， 其 大 小 按 定 义 式 计算即可，其qFrE0)(）（方向规定为正电荷在该点的受力方向，负电荷受电场力方向与该点场强方向相反。 唯 一 性 ： 电 场 中 某 一 点 处 的 电 场 强 度 的 大 小 和 方 向 是 唯 一 的 ， 其 大E小 和 方 向 取 决 于 场 源 电 荷 及 空 间 位 置 。 是 客 观 存 在 的 ， 与 放 不 放 检 验 电 荷 以及 放 入 检 验 电 荷 的 正 、 负 电 量 的 多 少 均 无 关 ， 既 不 能 认 为 与 成 正 比 ， 也F不 能 认 为 与 成 反 比 。Eq0电 场

11、 强 度 的 基 本 计 算 方 法 ：点 电 荷 电 场 强 度 ：rqE3041电 场 强 度 叠 加 原 理 ： iNiNii1301连 续 分 布 电 荷 的 电 场 强 度 ： ， rdVE304，rdSEs3041 rdlE30412、 电 场 强 度 通 量 （ 电 通 量 ） e为 直 观 、 形 象 地 了 解 电 场 中 电 场 强 度 的 空 间 分 布 情 况 ， 仿 照 流 速 场 的 流 线 ，我 们 在 电 场 中 引 入 电 场 线 的 概 念 。 在 电 场 中 可 以 画 出 一 系 列 曲 线 ， 使 这 些 曲线 上 每 一 点 的 切 线 方 向 和

12、该 点 电 场 强 度 方 向 一 致 ， 这 些 曲 线 称 为 电 场 的 电 场线 。 事 实 上 ， 一 般 带 电 系 统 的 电 场 场 强 的 数 学 解 析 表 达 式 是 无 法 给 出 的 ， 人们 可 以 通 过 模 拟 实 验 实 验 给 出 其 电 场 线 分 布 ， 从 而 得 以 了 解 电 场 的 电 场 强 度分 布 情 况 。受 流 速 场 中 引 入 流 量 的 启 迪 ， 研 究 矢 量 场 的 性 质 需 要 引 入 一 个 通 量 物 理 量 。对 于 电 场 来 说 ， 电 场 强 度 通过小面元 的电通量定义为： ，ESSEe对于电场中有限大小的

13、曲面 S 的电通量 ， 定 义 为 曲 面 S 上 的 每 个 无 限 小 面e元 dS 的 电 通 量 之 和 ， 即 ： 。 对 于 通 过 有 限 大 小 曲 面 S 的 电 通Sdse量 ， 可 以 理 解 为 通 过 曲 面 S 的 电 场 线 数 目 。 不 过 ， 由 于 约 定 了 弯 曲 曲 面 S上 的 面 元 矢 量 的 方 向 取 指 向 曲 面 凸 侧 一 方 的 法 线 方 向 ， 所 以 这 个 通 过 曲面 S 的 电 场 线 数 ， 可 能 是 正 值 ， 也 可 能 是 负 值 。esdEN引 入 电 通 量 这 个 重 要 的 物 理 量 ， 它 不 是

14、仅 为 说 明 通 过 一 个 面 积 的 电 场 线 数目 ， 而 是 为 了 反 映 电 场 的 性 质 。3、 静 电 场 的 高 斯 定 理任 何 带 电 系 统 通 过 分 割 方 法 ， 最 后 总 能 将 其 分 割 成 许 多 宏 观 上 体 积 极 小 的点 电 荷 ， 也 就 是 说 ， 任 何 带 电 系 统 都 可 以 看 成 由 许 多 点 电 荷 组 成 的 。 因 此 ，对 电 场 基 本 性 质 的 研 究 ， 应 从 点 电 荷 的 电 场 入 手 。通 过 研 究 点 电 荷 电 场 中 一 个 闭 合 曲 面 的 电 通 量 问 题 ， 可 以 得 出 结

15、 论 ： 在 一个 静 止 点 电 荷 的 电 场 中 ， 任 何 一 个 包 围 该 点 电 荷 的 闭 合 曲 面 ， 不 管 其 形 状 、大 小 如 何 ， 其 电 通 量 都 等 于 所 包 围 点 电 荷 电 量 的 倍 ， 任 何 一 个 不 包 围q01该 点 电 荷 的 闭 合 曲 面 ， 不 管 其 形 状 、 大 小 如 何 ， 其 电 通 量 均 等 于 零 。 此 规 律的 数 学 表 达 式 为 ： ， 电 场 的 这 个 规 律 称 为 电 场 的 高（ 内 ）sse qSdE01斯 定 律 。上 面 我 们 讨 论 的 是 在 真 空 中 的 静 电 场 内 的

16、 高 斯 定 律 ， 那 静 电 场 与 电 场 中 放置 的 物 质 之 间 又 会 有 怎 样 的 相 互 作 用 呢 ？ 在 有 物 质 存 在 的 静 电 场 中 ， 我 们 碰到 的 基 本 问 题 不 是 预 先 知 道 电 荷 的 分 布 去 求 电 场 分 布 的 问 题 ， 因 为 在 电 场 作用 下 ， 物 质 上 将 出 现 预 先 无 法 知 道 其 分 布 的 电 荷 。 这 时 所 说 的 “物 质 ”， 就其 电 性 质 来 粗 略 划 分 ， 就 是 导 体 和 电 介 质 。 在 电 场 作 用 下 物 质 上 出 现 的 电 荷 ，就 是 指 导 体 表 面 上 出 现 的 感 应 电 荷 和 电 介 质 上 的 极 化 电 荷 。 在 导 体 情 况 下 ，虽 然 导 体 表 面 上 的 感 应 电 荷 也 是 预 先 无 法