文科物理-第2章永恒的经典第4节电磁现象.

1第二章永恒的经典第四节电磁现象2一、电、磁现象二、电与磁的统一三、电磁场与电磁波第四节电磁现象3一、电、磁现象1、电现象2、磁现象3、场41、电现象早在公元前600年，古希腊人泰勒斯就发现:用毛皮或毛织物摩擦过的琥珀，能够吸引羽毛、头发等轻小的物品。后来人们把这种现象叫做“摩擦起电”。摩擦起电的现象虽然发现很早，但是在长达两千多年的时间里，一直停留在观察琥珀的摩擦起电上。5随着社会的进步，人们越来越想搞清楚琥珀为什么会有那种神气的吸引力，也使人们发现金刚石、水晶、硫磺、玻璃等物质在用呢绒、毛皮或丝绸摩擦过后，也像琥珀那样有神奇的吸引力。这使人们领悟到:这种现象并不是琥珀特有的。于是人们就想，可能一切物质中都蕴藏着一种看不见的流体，这种流体受到摩擦的时候会从物质中被挤出来。他们把这种看不见的特殊流体叫做“电”。从此，电产生了。6发现导体和绝缘体的区别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不仅摩擦可以使物体带电，别的方法比如传递也可以使物体带电.由此发现导体和绝缘体的区别：金属可导电，丝绸不导电。7能蓄电的莱顿瓶莱顿瓶的发明为科学界提供了一种贮存电的有效方法；为进一步研究电现象提供了一种新的强有力的手段；对电知识的传播和发展起了重要的作用。莱顿瓶因其发明地荷兰莱顿城而得名。8正电和负电1733年，法国科学家杜费发现了“玻璃电”（摩擦玻璃棒所得的电）和“琥珀电”（摩擦琥珀所得的电）有所不同，即存在两种电，并发现了同种电荷相斥、异种电荷相吸的规律。二流体论：杜费把电想象为二元流体．当它们结合在一起时彼此中和。单流体学说：美国著名政治家、科学家富兰克林通过实验，1749年提出了“单流体学说”，他认为：每个物体都有一定量的电，电只有一种。摩擦不能创造出电，只是使电从一个物体转移到另一个物体上，它们的总量不变。物体上带过量电的称为带正电，不足的称为带负电。9“天电”与“地电”的统一富兰克林著名的风筝实验；世界上第一个避雷针；还有人为了科学事业，以身殉职。10对电进行定量研究1785年法国物理学家库仑根据自己有关扭力方面的知识，设计制作了一台精巧的扭秤，通过扭秤可测量两带电小球之间静电力的大小。11静电力从扭秤实验得出真空中的库仑定律：真空中两个静止正点电荷间相互作用力的大小与它们的电量的乘积成正比，与它们间距离的平方成反比．作用力的方问沿两电荷的连线．同号电荷相斥．异号电荷相吸，静电力为1q2q12r12e121212212qqFker122、磁现象相传第一个发现天然磁石的是古希腊时代的一位牧羊人，他名叫玛格乃斯，一天他把羊群赶到艾达山坡，忽然，他拿着的铁棍被山石吸住了，钉了铁钉的靴子也被山石吸住了。这件事传开来，引起了古希腊“七贤”之一的泰勒斯的注意。他派了学生从那里找来了一些石头，仔细研究。泰勒斯本来就认为万物都充满了灵魂。所以他就用灵魂来解释这种磁石吸铁现象。他还给石头取了名字，叫玛格乃脱，这是按矿石产地的地名（土耳其、麦克纳西亚）的读音转化而来的，现在英文中就用这个字magnetite作为磁石。132、磁现象天然磁石相互吸引或相互排斥。中国人用天然磁石制作司南指示方向。以后又研发了鱼形铁片的高温加热→南北取向→蘸火这种制作指南鱼的技术。接着又研发了用磁石打磨钢针制作指南针的技术。从而使指南针成为航海技术的重要设备。14磁极指向北方的叫北极，指向南方的叫南极。磁力同名的磁极相互排斥，异名的磁极相互吸引，我们把这种力叫做磁力。SN15地球的磁性地球是有磁性的，好像有一条形磁铁蕴含其中。地磁的影响向太空绵延50000km，形成了一个泪珠形状的气泡保护在地球表面，从而对地球上的生物形成保护膜，避免它们受到来自太阳的高能辐射。地球磁极逆转现象。地磁偏角地磁的南北极与地理上的南北极不重合16磁荷人们曾经设想在磁棒的两极分别聚集有两种不同性质的磁荷:“正磁荷”和“负磁荷”.但要证明磁荷的存在，得将磁棒的两极分开，实验都以失败告终。结论：不存在磁荷。SN+-173、场历史上的两种观点观点1：超距作用电荷间的相互作用不需要借助介质，也不需要传递的时间。即电荷间的相互作用可以超越空间和时间，直接地、瞬时地实现。观点2：法拉第的场论带电体周围存在着传递电荷间相互作用的物质——电场，磁体周围存在着传递磁体间相互作用的物质——磁场，相互作用的传递不是瞬时完成，需要传递时间，场是物质存在的另—种形式。18“场”的概念流线与力线法拉第类比于流体场，对电场和磁场的物理图景作了直观的描述。他提出，场是由力线组成的，许多力线组成一个力管，就像流体中许多流线组成一个流管一样(如图)。力线上任一点的切线方向就是该点的场强方向，力线的疏密程度表示不同点场强的大小。19电场力线将相反的电荷联系起来20磁场但由于数学水平不够、法拉第无法把他从类比引发的丰富的想像提高到定量理论。21二、电与磁的统一1、电生磁——电流的磁效应2、磁生电——电磁感应221、电生磁电流的磁效应奥斯特实验奥斯特实验表明，长直载流导线使与之平行放置的磁针受力偏转。这种电流对磁针的作用，称为电流的磁效应。奥斯特还发现磁铁也能使通电导线发生偏转。23毕奥-萨伐尔-拉普拉斯定律法国实验物理学家毕奥、萨伐尔和数学家拉普拉斯合作，找到了电流元在空间激发磁场的规律。20sindπ4drlIB02dd4πrIleBrIP*lIdBdrlIdrBdre24安培右手定则法国数学家安培在奥斯持实验基础上，发现绕成螺线管的导线通电时，各方面的作用如同一根条形磁铁，还在这个实验中发现磁性方向与电流方向的关系服从右手定则，后人称它为安培右手定则。25安培定律：当两根平行导线的通电方向相同时，彼此吸引，当通电方向相反时，彼此相斥。两根载流导体之间的力的大小，与导线中电流的乘积成正比，与导线的长度成正比，但与导线间的距离成反比。26物质磁性的本源安培从通电螺线管的磁效应与条形磁铁完全等效得到启发，思考磁铁和电流是否是一致的？据此提出一个假说：组成磁铁的最小单元就是环形电流，现在称为分子电流。若分子电流定向地排列，在宏观上就会显示出南极和北极，从而产生磁现象，27无论是导线电流还是磁铁，它们磁性的来源都是电荷的运动。磁现象的本质是运动电荷之间的相互作用。无论电荷运动还是静止，它们之间都存在库仑相互作用力，但是只有运动着的电荷之间才存在着安培相互作用（磁相互作用）。物质磁性的本源282、磁生电电磁感应实验29电磁感应实验发现电磁感应的是英国物理学家、化学家法拉第。1831年他发现通电线圈在接通和断开的瞬间能在邻近线圈中产生感应电流。紧接着又作了一系列实验：磁棒相对于线圈运动时，线圈中产生感应电流；当导体在磁铁之间运动时，导体内也产生感应电流。30电磁感应法拉第经过归纳提炼，逐步掌握了问题的实质：“①正在变化的电流；②正在变化的磁场；③稳恒电流的运动；④导体在磁场中运动，都会产生感应电流。”他为电磁感应定律的建立奠定了实验基础。31楞次定律闭合回路中感应电流的方向，总是使得它所激发的磁场来阻止引起感应电流的磁通量的变化(增大或减小)。或者，也可以表述为：感应电流的效果，总是反抗引起感应电流的原因。32电磁感应定律德国物理学家纽曼给出感生电动势的公式德国物理学家韦伯给出动生电动势的公式纽曼做了一点假设，导出了感生电动势公式韦伯发展了安培理论，推导出动生电动势公式dSBStεdddSBStε其中曲面不随时间改变其中磁感强度不随时间改变33电磁感应定律英国物理学家麦克斯韦总结出感应电动势公式dddSBStε其中曲面和磁感强度都可以随时间改变感应电动势的严密规律d()dSlBSBltεv但是此公式有瑕疵，当导体回路由于运动而有出现断口趋势的情况下，它不成立。34电磁感应的应用电磁感应定律，犹如一把打开电能宝库的金钥匙，发动机、电动机、变压器，以及交流电的利用等等，都以此为基础，对人类社会有着划时代的贡献。35三、电磁场与电磁波1、电磁场2、电磁波361、电磁场电磁场理论的基础——麦克斯韦的两条创新假说：涡旋电场：变化的磁场在空间激发出涡旋电场。无论空间中是否存在导体或导体回路，无论有无介质存在，变化的磁场激发的涡旋电场总是客观存在的。涡旋电场是无源场，用于形象地描写涡旋电场的电力线是闭合曲线。涡旋电场是非保守场。位移电流：变化的电场在空间激发出涡旋磁场，这个磁场也好像是由一个电流激发的，这个电流称为位移电流。37电磁场的概念电场和磁场既互相联系，而且在一定的条件下可以互相激发，即可以互相转化，电场和磁场所形成的统一体，叫做电磁场。前面提到的静电场和稳恒磁场都只不过是电磁场的两种特殊形式。38BEtDHJtD0B其中，E和D是描述电场性质的物理量电场强度和电位移，B和H是描述磁场性质的物理量磁感应强度和磁场强度，J和ρ分别表示自由电流密度和自由电荷体密度。电磁场的基本方程——麦克斯韦方程组392、电磁波电磁波的提出根据麦克斯韦方程组导出的一个重要结果是电磁场以波动的方式运动，这种波动叫做电磁波。麦克斯韦首先从理论上预言电磁波的存在。麦克斯韦的理论如此新颖、深刻、完美，以致在问世后的相当长时间内不为人所理解。40证明电磁波存在的实验赫兹用实验证明了电磁波的存在，以后，电磁波不断被实验所证实，麦克斯韦的理论才被接受，电磁波的存在没有人再怀疑了。检波器接感应圈赫兹设计的一个电磁波发生器41电磁波的传播电磁波是指电磁场的运动，电磁能的输运。电磁波受导体或介质的引导，循规定的路径传播，就是通常所说的“电路”，或叫做电磁波的有线传输。电磁波通过天线辐射在空间的传播，叫做无线电波。无线电波是与广播、电视、通讯、雷达等实际应用相联系而形成的术语，其频率约为数十千Hz至1012Hz。42电磁波的速率赫兹在暗室的墙上覆盖一块锌板，用来反射电磁波。当入射波和反射波迭加后将产生驻波，他用检波器在离发生器不同距离的地方测出驻波，赫兹计算了发生器的振荡火花频率，并量出驻波的波长，两者相乘即得电磁波的速率。计算出来的数值和麦克斯韦预料的完全相同，电磁波的速度等于光速。麦克斯韦之前曾经断言：光波也是一种电磁波，电磁波的速度就等于光速。43电磁波的性质赫兹进一步做实验证实电磁波具有光波的一切性质，能产生反射、折射、衍射、干涉等现象。光的电磁理论的确立，丰富了人们对电磁波的理解。