电磁学Electromagnetics教学课件

电电 磁磁 学学 Electromagnetics温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院主讲教师：主讲教师：李士本李士本 副教授副教授副教授副教授郑亦庄郑亦庄 教教教教 授授授授静电的基本现象和基本规律静电的基本现象和基本规律 课程体系与课程内容课程体系与课程内容 课程意义与学习方法课程意义与学习方法 静电基本现象与规律静电基本现象与规律 例题分析与课堂小结例题分析与课堂小结温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院课程体系与课程内容课程体系与课程内容u 课程体系课程体系课程体系课程体系温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院电电 磁磁 学学力力 学学热热 学学高等数学高等数学前前导导课课程程光光 学学电动力学电动力学电电 工工 学学电子技术电子技术原子物理原子物理固体物理固体物理物理专业类物理专业类关联课程关联课程后续课程后续课程量子力学量子力学静电场静电场恒磁场恒磁场电磁感应电磁感应非物理专业类非物理专业类电磁介质电磁介质电电 路路麦克斯韦麦克斯韦电磁理论电磁理论l l 电磁学与电动力学是电磁学与电动力学是电磁学与电动力学是电磁学与电动力学是电磁现象的理论分析，电磁现象的理论分析，电磁现象的理论分析，电磁现象的理论分析，而电工学和电子技术相而电工学和电子技术相而电工学和电子技术相而电工学和电子技术相对而言属于实践课程对而言属于实践课程对而言属于实践课程对而言属于实践课程l l 电磁学从实验提炼理电磁学从实验提炼理电磁学从实验提炼理电磁学从实验提炼理论，而电动力学注重于论，而电动力学注重于论，而电动力学注重于论，而电动力学注重于数学语言表达定理规律数学语言表达定理规律数学语言表达定理规律数学语言表达定理规律u 课程内容课程内容课程内容课程内容课程体系与课程内容课程体系与课程内容温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院l l 章节结构章节结构章节结构章节结构课程体系与课程内容课程体系与课程内容温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院l l 章节结构章节结构章节结构章节结构l l学时分配学时分配学时分配学时分配课程体系与课程内容课程体系与课程内容温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院章章 节节标标 题题学时数学时数第一章第一章 静电场静电场16第二章第二章 恒磁场恒磁场12第三章第三章 电磁感应电磁感应 电磁场的相对论变换电磁场的相对论变换8第四章第四章 电磁介质电磁介质10第五章第五章 电路电路20第六章第六章 麦克斯韦电磁理论麦克斯韦电磁理论 电磁波电磁波 电磁单位制电磁单位制6合计合计72u 课程意义课程意义课程意义课程意义课程意义与学习方法课程意义与学习方法温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院l l 电磁学发展过程电磁学发展过程电磁学发展过程电磁学发展过程法拉第及其夫人法拉第及其夫人电场和电场线电场和电场线 课程意义与学习方法课程意义与学习方法温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院麦克斯韦方程组和电磁波麦克斯韦方程组和电磁波麦克斯韦方程组和电磁波麦克斯韦方程组和电磁波某一时刻的电磁波图像某一时刻的电磁波图像课程意义与学习方法课程意义与学习方法温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院l l 电磁学应用举例电磁学应用举例电磁学应用举例电磁学应用举例这些这些“脚印脚印”烟花弹，烟花弹，也不是靠普通的引线也不是靠普通的引线点燃，而是通过电子点燃，而是通过电子打火装置引燃的。这打火装置引燃的。这些烟花弹也被叫做些烟花弹也被叫做“芯片烟花弹芯片烟花弹”，每一，每一颗烟花弹的内部都安颗烟花弹的内部都安装了一枚电子芯片。装了一枚电子芯片。这些芯片通过微波接这些芯片通过微波接收电脑的讯号，在由收电脑的讯号，在由电脑程序指定的时间电脑程序指定的时间爆炸，从而在空中组爆炸，从而在空中组成一幅精确而灿烂的成一幅精确而灿烂的画面。画面。脚印烟花脚印烟花脚印烟花脚印烟花课程意义与学习方法课程意义与学习方法温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院电磁轨道炮电磁轨道炮电磁轨道炮电磁轨道炮20082008年年1 1月月3131日上午，美国海军在达尔格伦水面作战研究中心日上午，美国海军在达尔格伦水面作战研究中心试验了一种号称试验了一种号称“世界上威力最大的电磁轨道炮世界上威力最大的电磁轨道炮”。课程意义与学习方法课程意义与学习方法温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院飞行中的电磁轨道炮弹丸飞行中的电磁轨道炮弹丸 课程意义与学习方法课程意义与学习方法温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院即将命中目标即将命中目标 课程意义与学习方法课程意义与学习方法温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院命中目标瞬间命中目标瞬间课程意义与学习方法课程意义与学习方法温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院u 学习方法学习方法学习方法学习方法l l 学习要求学习要求学习要求学习要求l l 参考书籍参考书籍参考书籍参考书籍课堂要求课堂要求课堂要求课堂要求课后作业课后作业课后作业课后作业课外练习课外练习课外练习课外练习考研试题考研试题考研试题考研试题教材类：教材类：电磁学电磁学第二版第二版 贾起民贾起民 郑永令郑永令 陈暨耀编陈暨耀编 高等教育出版社高等教育出版社 2001年年 电磁学及其应用电磁学及其应用第第5版，版，Kraus Fleisch 清华大学出版社，清华大学出版社，2001年年习题类：习题类：物理学大题典物理学大题典-电磁学与电动力学电磁学与电动力学第第1版，张永德主编，版，张永德主编，科学出版科学出版 社社，2005年年静电基本现象与规律静电基本现象与规律温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院u 两种电荷两种电荷两种电荷两种电荷l l 摩擦起电摩擦起电摩擦起电摩擦起电静电基本现象与规律静电基本现象与规律温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院所有实所有实所有实所有实验结论验结论验结论验结论:自然界中只存在两种电荷；而且，同种电荷相自然界中只存在两种电荷；而且，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引互排斥，异种电荷相互吸引静电基本现象与规律静电基本现象与规律温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院l l 电荷检验存储与起电机电荷检验存储与起电机电荷检验存储与起电机电荷检验存储与起电机验电器验电器范德格拉夫起电机范德格拉夫起电机静电基本现象与规律静电基本现象与规律温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院u 静电感应与电荷守恒定律静电感应与电荷守恒定律静电感应与电荷守恒定律静电感应与电荷守恒定律l l 现象现象现象现象l l 结论结论结论结论电荷既不能被电荷既不能被创造也不能被创造也不能被消灭，它们只消灭，它们只能从一个物体能从一个物体转移到另一物转移到另一物体，或者从物体，或者从物体的一部分转体的一部分转移到另一部分移到另一部分电荷守恒定律电荷守恒定律电荷守恒定律电荷守恒定律静电基本现象与规律静电基本现象与规律温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院u 导体、绝缘体和半导体导体、绝缘体和半导体导体、绝缘体和半导体导体、绝缘体和半导体l l 现象现象现象现象l l 结论结论结论结论导体：电荷能迅速导体：电荷能迅速转移的物体转移的物体绝缘体：电荷只能绝缘体：电荷只能停留在产生的地方停留在产生的地方的物体的物体半导体：介于两者半导体：介于两者之间的物体之间的物体静电基本现象与规律静电基本现象与规律温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院l l 砷化镓砷化镓砷化镓砷化镓 砷化镓（砷化镓（GaAs）半导）半导体材料与传统的硅材料体材料与传统的硅材料相比，它具有很高的电相比，它具有很高的电子迁移率、宽禁带、直子迁移率、宽禁带、直接带隙，消耗功率低的接带隙，消耗功率低的特性，电子迁移率约为特性，电子迁移率约为硅材料的硅材料的5.7倍。因此，倍。因此，广泛应用于高频及无线广泛应用于高频及无线通讯中制做通讯中制做IC器件。所器件。所制出的这种高频、高速、制出的这种高频、高速、防辐射的高温器件，通防辐射的高温器件，通常应用于激光器、无线常应用于激光器、无线通信、光纤通信、移动通信、光纤通信、移动通信、通信、GPS全球导航等全球导航等静电基本现象与规律静电基本现象与规律温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院u 物质的电结构物质的电结构物质的电结构物质的电结构l l 现象现象现象现象l l 结论结论结论结论导体半导体导体半导体导电粒子导电粒子电荷量子化电荷量子化静电基本现象与规律静电基本现象与规律温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院u 库仑定律库仑定律库仑定律库仑定律(Coulombs Law)(Coulombs Law)l l 现象现象现象现象静电基本现象与规律静电基本现象与规律温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院l l 探究过程探究过程探究过程探究过程提出问题：提出问题：Franklin 首先发现金属小杯内的软木小首先发现金属小杯内的软木小球完全不受杯上电荷的影响球完全不受杯上电荷的影响;在在Franklin的建议下，的建议下，Priestel做了实验做了实验 提出问题提出问题猜测答案：猜测答案：现象与万有引力有相同规律现象与万有引力有相同规律由牛顿力学可知球壳对放置在壳外的由牛顿力学可知球壳对放置在壳外的物体有引力，而放置在球壳内任何物体有引力，而放置在球壳内任何位置的物体受力为零。位置的物体受力为零。类比电力与距离平方成反比类比电力与距离平方成反比设计实验：设计实验：1769年年Robison首先用直接测量方首先用直接测量方法确定电力定律，得到两个同法确定电力定律，得到两个同号电荷的斥力号电荷的斥力 1772年年Cavendish遵循遵循Priestel的思想设计了实验的思想设计了实验验证电验证电力平方反比律力平方反比律，如果实验测定带电的空腔导体的内，如果实验测定带电的空腔导体的内表面确实没有电荷，就可以确定电力定律是遵从平表面确实没有电荷，就可以确定电力定律是遵从平方反比律的即方反比律的即他测出不大于他测出不大于 0.02（未发（未发表，表，100年以年以 后后Maxwell整整理他的大量手稿，才将此理他的大量手稿，才将此结果公诸于世。结果公诸于世。静电基本现象与规律静电基本现象与规律温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院库仑实验：库仑实验：精精度度与与十十三三年年前前Cavendish的的实实验验精精度度相相当当库库仑仑是是扭扭称称专专家家;只只测测电电斥斥力力扭扭称称实实验验，数数据据只只有有几几个个，且且不不准准确确（由由于于漏电），不是大量精确的实验；漏电），不是大量精确的实验；与万有引力类比得与万有引力类比得静电基本现象与规律静电基本现象与规律温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院定律表达：在定律表达：在真空中真空中，两个，两个静止静止的的点电点电荷荷q1和和q2之间的相互作用力大小和之间的相互作用力大小和q1 与与q2的乘积成正比，和它们之间的距离的乘积成正比，和它们之间的距离r平平方成反比；作用力的方向沿着他们的联方成反比；作用力的方向沿着他们的联线，同号电荷相斥，异号电荷相吸。线，同号电荷相斥，异号电荷相吸。l 讨论讨论静电基本现象与规律静电基本现象与规律温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院注意：注意：k k是引进单位制后引入的常数是引进单位制后引入的常数上述公式并非都是大量实验的结果，是上述公式并非都是大量实验的结果，是事实基础上理性思维的结果。事实基础上理性思维的结果。如力的方向：分析点电荷受力：只能沿如力的方向：分析点电荷受力：只能沿联线，否则空间旋转联线，否则空间旋转180就不对称了就不对称了点电荷点电荷：忽略了带电体形状、忽略了带电体形状、大小以及电荷分布情况的电荷。大小以及电荷分布情况的电荷。静电基本现象与规律静电基本现象与规律温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院l 适用条件和范围精度适用条件和范围精度问题：已经学过的理想模型还问题：已经学过的理想模型还有哪些？有哪些？静止静止：点电荷相对静止，且相对于观察者也静止点电荷相对静止，且相对于观察者也静止真空：真空：为了除去其他电荷的影响，使两个点电荷只受对方作用。为了除去其他电荷的影响，使两个点电荷只受对方作用。答：不仅只有两个电荷；总作用力比真空时复杂些，但由于力的答：不仅只有两个电荷；总作用力比真空时复杂些，但由于力的独立作用原理，两个点电荷之间的力仍遵循库仑定律。因此可以独立作用原理，两个点电荷之间的力仍遵循库仑定律。因此可以推广到介质、导体推广到介质、导体问题：真空条件破坏结果会如何？问题：真空条件破坏结果会如何？范围精度：范围精度：静电基本现象与规律静电基本现象与规律温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院l 电量单位电量单位MKSA国际标准单位国际标准单位1库仑：当导线中通过库仑：当导线中通过1安培稳恒电流时，一秒钟内通过导安培稳恒电流时，一秒钟内通过导线某一给定截面的电量为线某一给定截面的电量为 1C=1As若若F=N,q1=q2=C,r=m 则则 k=8.9880109Nm2/C2 9.00109Nm2/C2 例题分析与课堂小结例题分析与课堂小结温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院u 例题分析例题分析例题分析例题分析 例题例题例题例题1:P72 1-41:P72 1-4两个小球质量都是两个小球质量都是两个小球质量都是两个小球质量都是m,m,都用长度为都用长度为都用长度为都用长度为l l的细线挂在同一点，如图的细线挂在同一点，如图的细线挂在同一点，如图的细线挂在同一点，如图所示。若它们带上相同的电量，平衡时两线夹角为所示。若它们带上相同的电量，平衡时两线夹角为所示。若它们带上相同的电量，平衡时两线夹角为所示。若它们带上相同的电量，平衡时两线夹角为2 .2 .设小设小设小设小球的半径可以忽略不计，求每个小球上的电量。球的半径可以忽略不计，求每个小球上的电量。球的半径可以忽略不计，求每个小球上的电量。球的半径可以忽略不计，求每个小球上的电量。解：解：解：解：受力分析如板书受力分析如板书受力分析如板书受力分析如板书重力、拉力和库仑力平衡，根据平衡条件，如板书得重力、拉力和库仑力平衡，根据平衡条件，如板书得作业：作业：作业：作业：P72 P72 习题习题习题习题1-1,1-2,1-31-1,1-2,1-3例题分析与课堂小结例题分析与课堂小结温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院u 课堂小结课堂小结课堂小结课堂小结1.1.理解电磁学课程体系与课程内容及其学习要求理解电磁学课程体系与课程内容及其学习要求理解电磁学课程体系与课程内容及其学习要求理解电磁学课程体系与课程内容及其学习要求2.2.库仑定律的建立过程、定律应用库仑定律的建立过程、定律应用库仑定律的建立过程、定律应用库仑定律的建立过程、定律应用谢谢大家！谢谢大家！温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院温州大学物理与电子信息学院静电的基本现象和基本规律静电的基本现象和基本规律