电磁学第一讲

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1、电磁学电磁学 讲课教师：张 洁西华师范大学物理与电子信息学院学习心得n确立奋斗目标n树立自信心n低调做人 高调做事如何学好电磁学n请跟我走n变化在个人n人类早期：摩擦生电、雷电、天然磁石的指向人类早期：摩擦生电、雷电、天然磁石的指向n对电磁现象的系统研究始于对电磁现象的系统研究始于1616世纪世纪n1919世纪中期，描述电场、磁场的性质以及电、磁世纪中期，描述电场、磁场的性质以及电、磁场相互关系的场相互关系的库仑定律库仑定律、高斯定律高斯定律、安培定律安培定律、法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律已相继建立，法拉第关于力已相继建立，法拉第关于力线和场的概念已经提出。线和场的概念已经提出。n18

2、47-18531847-1853年间，年间，W.W.汤姆逊汤姆逊提出了铁磁质内磁场提出了铁磁质内磁场强度强度H H和磁感应强度和磁感应强度B B的定义并且于的定义并且于18511851年提出了年提出了磁的数学理论磁的数学理论。n18651865年，年，麦克斯韦麦克斯韦创立电磁场理论创立电磁场理论电磁学发展简史MAXWELL（1831-1879）简介）简介 麦克斯韦麦克斯韦18311831年年6 6月出生于英国爱丁月出生于英国爱丁堡，他的父亲是一位律师，但对研究科学堡，他的父亲是一位律师，但对研究科学问题有强烈爱好，这对麦克斯韦的一生有问题有强烈爱好，这对麦克斯韦的一生有深刻影响。深刻影响。 麦

3、克斯韦麦克斯韦1010岁进入爱丁堡中学，岁进入爱丁堡中学， 1414岁在中学时期就发表岁在中学时期就发表了第一篇科学论文了第一篇科学论文论卵形曲线的机械画法论卵形曲线的机械画法，反映了他在几，反映了他在几何和代数方面的丰富知识。何和代数方面的丰富知识。1616岁进入爱丁堡大学学习物理，三岁进入爱丁堡大学学习物理，三年后，他转学到剑桥大学三一学院。在剑桥学习时，打下了扎年后，他转学到剑桥大学三一学院。在剑桥学习时，打下了扎实的数学基础，为他以后把数学分析和实验研究紧密结合创造实的数学基础，为他以后把数学分析和实验研究紧密结合创造了条件。了条件。 18791879年年1111月月3 3日日，麦麦克

4、克斯斯韦韦逝逝世世，时时年年49 49 岁岁，在在他他的的一生中共写了一生中共写了100100多篇有价值的论文。多篇有价值的论文。 他精心研究了法拉第的他精心研究了法拉第的电学的实验研究电学的实验研究，以法拉，以法拉第的力线概念为指导，透过这些似乎杂乱无章的实验记录，第的力线概念为指导，透过这些似乎杂乱无章的实验记录，运用场论的观点，以演绎法建立了系统的电磁场理论。于运用场论的观点，以演绎法建立了系统的电磁场理论。于1873年出版的年出版的电学和磁学论电学和磁学论一书。这是一部可以同牛一书。这是一部可以同牛顿的顿的自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理、达尔文的、达尔文的物种起源物种起源和和赖尔

5、的赖尔的地质学原理地质学原理相媲美的里程碑式的著作。相媲美的里程碑式的著作。从从出出生生地地来来说说他他属属于于爱爱丁丁堡堡，从从功功绩绩上上来来说说他他属于全世界。属于全世界。 普朗克普朗克 1.1.电荷电荷摩擦起电摩擦起电点电荷点电荷可以简化为点电荷的条件可以简化为点电荷的条件: :Q1rddr1018eVc. 电荷守恒定律电荷守恒定律 1.1.电荷电荷 小结小结电荷的基本性质：电荷的基本性质：a. 电荷有两类电荷有两类: 正电荷、负电荷。正电荷、负电荷。b. 电荷量子性。电荷量子性。d. 电荷相对论不变性电荷相对论不变性（1）库仑定律的建立）库仑定律的建立n普普里里斯斯特特利利和和卡卡文

6、文迪迪许许认认为为: :电电荷荷之之间间的的相相互互作作用用力力与与万万有有引引力力的的相相似似性性不不是是偶偶然然的的; ;他他们们认认为为“平平方方反反比比定定律律”也也应应该该适适用用于于电电荷荷间的作用力。间的作用力。 2.2.库仑定律库仑定律库仑库仑(Coulomb 1736-1806)n库仑在前人工作的基础之库仑在前人工作的基础之上通过实验研究确认上通过实验研究确认： 真空真空中两个中两个静止静止的的点电荷点电荷之间的相互作用力，与它之间的相互作用力，与它们的电荷量乘积成正比，们的电荷量乘积成正比，与它们的距离的二次方成与它们的距离的二次方成反比，作用力的方向在它反比，作用力的方向

7、在它们的连线上。们的连线上。n库仑不确定度库仑不确定度 现在精度现在精度 2.2.库仑定律库仑定律库仑定律矢量式库仑定律矢量式库仑定律矢量式库仑定律矢量式 1785年，法国库仑（年，法国库仑（C.A.Coulomb) 适用于点电荷适用于点电荷叠加性叠加性q0q1q2r02F2r01F1F库仑定律库仑定律n库仑定律的成立条件库仑定律的成立条件 真空真空 静止静止 点电荷点电荷 2.2.库仑定律库仑定律例例1：太阳的热量的主要来源是氢的聚变反应，即太阳的热量的主要来源是氢的聚变反应，即n问问1.1.当两个氢核相距当两个氢核相距5.35.31010-11-11m m时，求此两粒子间的库仑力和万有时，

8、求此两粒子间的库仑力和万有引力各为多大？引力各为多大？ 物理参数物理参数: :氢核质量氢核质量 m mH H=1.7=1.71010-27-27kg, kg, 万有引力常数万有引力常数G=6.7G=6.71010-11-11Nm2kg-2， 介电常数介电常数e e0 0=8.85=8.851010-12-12C C2 2N-1m-24 H 4He + 2 e+ +2 ue +g解：解：库仑力大小库仑力大小万有引力大小万有引力大小可见：电磁力在原子、分子结构中起决定性作用，这种可见：电磁力在原子、分子结构中起决定性作用，这种作用力远大于万有引力引起的作用力作用力远大于万有引力引起的作用力 。 万

9、有引力与电磁力的比较万有引力与电磁力的比较电磁力和万有引力的传播子例：例：太阳的热量的主要来源是氢的聚变反应，即太阳的热量的主要来源是氢的聚变反应，即n问问2.2.氢核氢核聚变聚变的库仑势垒定义为：一个氢核从无穷处打入另一个氢的库仑势垒定义为：一个氢核从无穷处打入另一个氢核克服库仑力做的功。那么核克服库仑力做的功。那么聚变的聚变的库仑势垒多大？库仑势垒多大？ 物理参数物理参数: :氢核电量氢核电量q=1.61010-19-19C, C, 氢核半径氢核半径r r0 0=1.5fm=1.5=1.5fm=1.51010-15-15m m 解：解：4 H 4He + 2 e+ +2 ue +g考虑量子

10、效应，有效库仑势垒要小约考虑量子效应，有效库仑势垒要小约10001000倍，即倍，即贝特（Hans Albrecht Bethe，1906-2005） 例：例：太阳的热量的主要来源是氢的聚变反应，即太阳的热量的主要来源是氢的聚变反应，即n问问3. 3. 粒子热运动的能量约为粒子热运动的能量约为k kB BT T, , k kB B为玻尔兹曼常数。请估算氢核为玻尔兹曼常数。请估算氢核聚聚变需要的温度。变需要的温度。 物理参数物理参数: : 玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数k kB B=1.38=1.381010-23-23 J/K J/K 解：解：4 H 4He + 2 e+ +2 ue +g课外参考资

11、料课外参考资料:Liu Men-Quan, Zhang Jie，and Luo Zhi-Quan, Screening effect on electron capture in presupernova stars. A&A 2007 463(1) 261-264张洁,刘门全, 魏丙涛, 罗志全，强磁场中修正URCA过程的中微子产能率，物理学报2008，57 (09)：5448-5451Zhang Jie, Liu Men-Quan, Luo Zhi-Quan.Effect of high magnetic field on beta+ decay in the crusts of accr

12、eting neutron star，Commun. Theor. Phys.，2007, 47(4): 765-768.1952年11月1日 第一颗氢弹第一颗氢弹: Mike 爆炸图像爆炸图像 课后思考题n大质量恒星大质量恒星H H燃烧结束后会进行燃烧结束后会进行HeHe燃烧，请估算燃烧，请估算HeHe燃烧的点火温度。燃烧的点火温度。课后作业n1 按量子理论，在氢原子中，核外电子快速地按量子理论，在氢原子中，核外电子快速地运动着，并以一定的概率出现在原子核（质子运动着，并以一定的概率出现在原子核（质子的周围各处，在基态下，电子在半径的周围各处，在基态下，电子在半径0.52910-10的球面附

13、近出现的概率最大的球面附近出现的概率最大.试计算在基态下试计算在基态下,氢原子内电子和质子之间的静氢原子内电子和质子之间的静电力和万有引力电力和万有引力,并比较两者的大小并比较两者的大小.引力常数为引力常数为G=6.6710-11Nm2/kg2n2 设原子核中的两个质子相距设原子核中的两个质子相距4.010-15m,求此两个质子之间的静电力求此两个质子之间的静电力. 例例1 按按量量子子理理论论，在在氢氢原原子子中中，核核外外电电子子快快速速地地运运动动着着，并并以以一一定定的的概概率率出出现现在在原原子子核核（质质子子的的周周围围各各处处，在在基基态态下下，电电子子在在半半径径0.52910

14、-10的的球球面面附附近近出出现现的的概概率率最最大大.试试计计算算在在基基态态下下,氢氢原原子子内内电电子子和和质质子子之之间间的的静静电电力力和和万万有有引引力力,并并比比较较两两者者的的大大小小.引力常数为引力常数为G=6.6710-11Nm2/kg2 解解: : 按库仑定律计算按库仑定律计算, ,电子和质子之间的静电力为电子和质子之间的静电力为库仑定律库仑定律应用万有引力定律应用万有引力定律, , 电子和质子之间的万有引力为电子和质子之间的万有引力为由此得静电力与万有引力的比值为由此得静电力与万有引力的比值为库仑定律库仑定律 可可见见在在原原子子中中, ,电电子子和和质质子子之之间间的

15、的静静电电力力远远比比万万有有引引力力大大, ,由由此此, ,在在处处理理电电子子和和质质子子之之间间的的相相互互作作用用时时, ,只只需需考考虑虑静静电电力力, ,万万有有引引力力可可以以略略去去不不计计. . 而而在在原原子子结结合合成成分分子子, ,原原子子或或分分子子组组成成液液体体或或固固体体时时, ,它它们们的的结结合合力力在在本本质质上上也也都都属属于于电电性性力力. .库仑定律库仑定律例例8-2 设设原原子子核核中中的的两两个个质质子子相相距距4.010-15m,求求此此两个质子之间的静电力两个质子之间的静电力. 可可见见, ,在在原原子子核核内内质质子子间间的的斥斥力力是是很很大大的的。 质质子子之之所所以以能能结结合合在在一一起起组组成成原原子子核核, ,是是由由于于核核内内除除了了有有这这种种斥斥力力外外还还存存在在着着远远比比斥斥力力为为强强的的引引力力_核核力力的的缘缘故故。上上述述两两个个例例题题, ,说说明明了了原原子子核核的的结结合合力力远远大大于于原原子子的的结结合力合力, , 原子的结合力又远大于相同条件下的万有引力。原子的结合力又远大于相同条件下的万有引力。解解: :两两个个质质子子之之间间的的静静电电力力是是斥斥力力, ,它它的的大大小小按按库库仑定律计算为仑定律计算为库仑定律库仑定律