静电场的基本规律-(2)PPT课件

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1、课程中文名称：电磁学课程英文名称：Electromagnetics课程代码：总学时数：64学时 总学分数：4授课对象：物理学教育、光信息与技术专业课程性质：专业必修课 课时安排、作业及考试： 周二： 56节 Z125 周四： 56节 Z125 中考： 30%（出勤10%、作业20%） 期考： 70% 研究物质的电与磁的基本规律和应用的一门学科它包括：（1）磁场规律； （2）物质的电学性质； （3）物质的磁学性质，或者说是电场与磁场、 场与带电粒子之间的相互作用的基本规 律的学科。一.电磁学研究的内容具体的说：它是将客体抽象为物理模型，从物理模型出发，如 “点电荷”模型来研究静电场的分布，从而建

2、立起基本的场的理论，由电场、磁场到电磁场的统一，建立起完整的电磁场理论Maxwell方程组。二.电磁学发展简史 （1）公元前585年，希腊哲学家泰勒斯已记载了用木块摩 擦过的琥珀吸引碎草等轻小物体，以及天然矿石吸 引铁的现象。 （2）春秋战国时期（公元前770221年），已有“山 上有慈石者，其下有铜金”，“慈石名铁，或引之也” 等磁石吸铁的记载。东汉已有指南针的前身司南勺。 1、人类对于电磁现象表面性质的认识（1）1600年，英国的吉尔伯特的磁石论对于磁石的 各种基本性质作了系统的定性描述。把经摩擦的琥 珀等能吸引轻小物体的性质称为“电的（electric)”。 他制作了第一只验电器。大约在

3、1660年马得堡的盖利 克发明了第一台摩擦起电机。在静电实验研究中起着 重要作用，直到十九世纪霍耳兹和特普勒分别发明 感应起电机后才被取代。2、人类对于电磁现象本质的认识 1745年荷兰莱顿的穆欣布罗克为了避免电在空气中逐渐 消失，试图寻找一种保存电的方法。从而发明了电容器 的原形莱顿瓶。这种贮存电的方法同时也被德国的克 莱斯特独立地发现。（2）十八世纪电的研究迅速发展起来 1729年英国的格雷研究琥珀的电效应是否可传递给其 它物体时，发现导体和绝缘体的区别。 1733年法国的杜费把电区分为“玻璃的”和“树脂的”两种，他得到：带相同电的物体互相排斥，带不同电的物体彼此吸引。他把电想象为二元流体

4、，当它们结合在一起时，彼此中和。 1747年美国的夫兰克林认为，在正常条件下电是以一 定的量存在于所有物体中的一种元素；电象流体一样可 以流动。这种电的一元流体理论。在今天看来并不正确， 但他使用的正电和负电的术语至今仍被采用。他观察到导 体的尖端易于放电等等。他最著名的实验是风筝实验。 他还建议用避雷针来防护建筑物免遭雷击。1754年首先由狄维施实现，这是迄今所知的电的第一个实际应用。 a. 1769年罗宾逊由实验第一次直接测定得到验证； b. 1773年卡文迪许由实验推出方次与2相差不超过 2%，1879年由麦克斯韦整理公诸于世。 c. 1785年库仑由“库仑扭秤”直接测定了两个静止点电

5、荷的作用力的库仑定律。从此电学的研究开始进入 科学行列。 d. 1811年泊松把万有引力基础上发展起来的势论用于 静电学，发展了静电学的解析理论。(3) 十八世纪后期，开始电作用的定量研究1766年普里斯特利由实验猜测电力与万有引力有相似的平方反比律； 意大利物理学家伏打发明电池（1799年） a.1800年尼科耳森和卡莱色耳用低压电流分解水 b.1807年戴维电解得到多种金属，1811年制成碳极电弧灯 c.1839年卡尔雅可比和西门子发展了电镀业 1820年丹麦自然哲学家奥斯特发现了电流的磁效应，开 拓了电学研究的新纪元 安培、毕奥和萨伐尔对载流导线进行了研究，得出电流 元之间作用力的规律（

6、4）十八世纪后期电学的另一个重大发展 a.1825年斯图金发明了电磁铁 b.1833年高斯和韦伯制造了第一台简陋的单线电报机 c.1837年惠斯通和莫尔斯独立地发明了电报机；莫尔斯 还发明了一套电码 d.1855年威廉汤姆孙解决了水下电缆传输慢的问题， 1866年大西洋电缆铺设成功 e.1876年美国的贝尔发明了电话机 f.1826年安培研究电路得出安培定律 g.1848年基尔霍夫澄清了电位差、电动势、电 场强度等概念，解决了电路分支问题 电流磁效应的发现打开了电应用的新领域 1831年法拉第发现了电磁感应定律，其方向由楞次于1834年给出；其数学公式由诺埃曼于1845年给出 诺埃曼1845年

7、制出第一台发电机；1821年发现电动机原理，并制成最初的电动机 a.1833年成功地证明了摩擦起电和伏打电池产生的电相 同b.1834年发现电解定律；c.1845年发现磁光效应 麦克斯韦接受了法拉第力线的思想，他认为的磁场在其周围空间激发涡旋电场，并引入“位移电流”的概念，变化电场引起媒质电位移的变化，电位移的变化在其周围空间激发涡旋磁场。并用数学公式表示出来，从而得到了今天以他的姓氏命名的电磁场的普遍方程组麦克斯韦方程组，预言光是电磁波，并由赫兹于1888年在实验中证实。 麦克斯韦电磁理论开辟了一个全新领域电磁波的应用和研究。 a.1895年波波夫和马可尼分别实现了无线电信号传输； b.19

8、01年马可尼建立了横跨大西洋的无线电联系； c.1904年弗莱明发明了电子管，1906年福雷斯特将其用于线 路中； d.1896年洛仑兹提出“电子论”将麦克斯韦方程组应用到微观 领域，将麦克斯韦电磁理论向前推进了一步； e.1905年爱因斯坦引入狭义相对论，由洛仑兹变换从电场得 到磁场，使电力和磁力得到统一。 至此，电磁学已发展成为经典物理学中相当完善的一个分支。可以解释宏观领域内的各种电磁现象。 物质的电结构是物质的基本组成形式 电磁场是物质世界的重要组成部分 磁作用是物质的基本相互作用之一 电过程是自然界的基本过程。教科书：梁灿彬等电磁学(第三版)高等教育出版社，2012年参考书：1赵凯华

9、、陈熙谋, 新概念物理教程电磁学， 高等教育出版社, 2003 2E.M.Purcell, Electricity and Magnetism, 2end., New York: McGraw-Hill, 1985第一版有中译本, E. M. 珀塞尔，电磁学（伯克利物理学教程）， 第二卷, 科学出版社, 19801.1 电荷 ( Electric Charge)一、电 荷第一章 静电场的基本规律实验证明 , 自然界只存在两种 电荷，分别称为正 电荷和负电荷。 同种电荷互相排斥， 异种电荷互相吸引。验电器导体允许电荷通过的物体。绝缘体（电解质）不允许电荷通过的物体。半导体导电性介于导体与绝缘体之

10、间的特殊物体。二、电荷守恒定律 (Conservation of Electric Charge ) 在一个与外界没有电荷交换的系统内，无论进行怎样的物理过程，系统内正、负电荷量的代数和总是保持不变。 - 电荷守恒定律 物理学中的基本定律之一 物体所带的电荷量不可能连续地取任意量值，而只能取电子或质子电荷量的整数倍值电荷量的这种只能取分立的、不连续量值的性质，称为电荷的量子化。一个电子电荷量为：一个电子电荷量为：e =1.60218924610 19 库仑三、电荷的量子化 1906-1917年，密立根用液滴法首先从实验上测定了电子电荷，证明微小粒子带电量的变化不连续，它只能是元电荷e的整数倍，

11、即粒子的电荷是量子化的。 在具体问题中，当带电体的形状和大小与它们之间的距离相比允许忽略时，可以把带电体看作点电荷.1.2 库仑定律(Coulomds Law) 库 仑 (1736 - 1806) 法国工程师、物理学家、点电荷真空中的库仑定律带电体能否被看做点电荷，不仅取决与本身的大小，而且取决与它们之间的距离.1785年，库仑通过扭称实验总结出点电荷之间相互作用的静电力所服从的基本规律-库仑定律 1773年发表有关材料强度的论文，所提出的计算物体上应力和应变分布情况的方法沿用到现在。 1777年开始研究静电和磁力问题，发明扭秤。 1779年对摩擦力进行分析，提出有关润滑剂的科学理论。1785

12、-1789年，用扭秤测量静电力和磁力，导出著名的库仑定律。扭秤扭秤库仑(1736 1806)法国工程师、物理学家。(Charlse-Augustin de Coulomb)1.2.1 库仑定律1.大小相等方向相反，并且沿着它们的连线：同号电荷相斥，异号电荷相吸.2.两个静止点电荷之间相互作用力的大小与这两个点电荷的电荷量乘积成正比，而与这两个点电荷之间距离的平方成反比.其数学表达形式 : 大大 小小包括如下两个内容：1.2.2 电荷的单位高斯制 CGS ，由力学的厘米.克.秒制发展而来。电荷单位叫“静库 ”，简记SC。 此时K=1，当q1=q2=1时,r=1,F=1dyne(达因) 1牛顿=1

13、05达因国际单位制 SI 米.千克.秒制，力学和电磁学部分为MKSA制，电荷单位叫“库仑 ” 记作C 此时：也就是说两个电荷相等的点带电体，相距1厘米时，静电力为1达因 （1）电量的单位 电流强度的单位等于单位时间内通过导体横截面的电量。库仑的定义：1秒内通过导体横截面的电量为1库仑 MKSA单位制是国际单位制（SI）的一部分，国际单位制中，有四个基本物理量：长度L（m）、温度T（K）、电流I（A）、时间t （S）。 依据物理公式导出的其它物理量的单位称为导出单位。(2) 在库仑定律中，电量的单位由上述导出用库仑、距离及力的单位分别为米和牛顿（导出），由于其中所有物理量的单位已选定，故k的大小

14、则只能由实验测量.1库仑=1安培.秒相应的常量库仑定律的大小应写为： 库仑定律的矢量形式真空电容率或真空介电常数或写成: 异种电荷异种电荷: :q q1 1q q2 2 0 0q1q21.2.4 叠加原理 作用于每一电荷的总静电力等于其它点电荷单独存在时作用于该电荷的静电力的矢量和。静电力的叠加原理：一、电场(electric field)的物质性：1. 电荷之间的相互作用是通过电场传递的，或者说电荷周围存在有电场，引入该电场的任何带电体，都受到电场的作用力，这就是所谓的近距作用。2.场的物质性体现在：a.给电场中的带电体施以力的作用。b.当带电体在电场中移动时，电场力作功. 表明电场具有能量

15、。c.变化的电场以光速在空间传播，表明电场具有动量电荷 电场 电荷电场具有动量、质量、能量，体现了它的物质性. 1.3 静电场3.电场与实物之间的不同在于它具有叠加性。(同类实物具有可加性)静止电荷产生的场叫做静电场(electrostatic field)2.电场力 ( Electric Field Force) 即：电场对处在其中的其他电荷的作用力。两个电荷之间的相互作用力本质是: 一个电荷的电场，作用在另一个电荷上产生电场力 1.3.1 电场强度( Electric Field Strength )1.试探电荷q0 (Test Charge)静电场的最基本特征: 对引入电场中的其他电荷产

16、生电作用力 试探电荷： A.其电量很小，以便它引入电场后不会导 致产生电场的电荷分布发生变化； B.这个电荷的几何线度很小，以致于可将 其视为点电荷+Bq0q0q0CA+q0nq0+试探电荷q0 感受到的力大小和方向电场中某点的电场强度: 大小 等于单位电荷在该点受力的大小, 方向 为正电荷在该点受力的方向2. 电场强度 ( Electric Field Strength )描述场中各点电场的强弱的物理量。我们发现比值 与试探电荷 无关，仅与该点处电场性质有关1.3.2 场强的计算(1)点电荷的场强qq0+q+qq0箭头来描绘一个正电荷产生的电场分布，箭头指向该点场强方向。描绘电场的分布不能靠单个矢量，而是空间每点都要有一个矢量。这些矢量的总体，叫做矢量场。即空间坐标函数关系。-q-qq0(2)点电荷系的场强qnqiq3q2q1r2rirnr1r3q0电场中任何一点的总场强等于各个点电荷在该点各自产生的场强的矢量和。这就是场强叠加原理。(3) 连续带电体电场中的的场强(电荷分布宏观抹开)根据场强迭加原理，对场源求积分，得总场强：把带电体看作是由许多个电荷元dq 组成，先求出它在任意场点