绪论_第一章电磁学

WuhanUniversityofTechnology电磁学黄海军Mobile:18627820733Email:[e-mail]ology主要内容一．电磁学研究的对象二．电磁学发展简史三．电磁学的内容及结构四．电磁学课程的地位和作用五．参考书WuhanUniversityofTechnology主要内容一．电磁学研究的对象二．电磁学发展简史三．电磁学的内容及结构四．电磁学课程的地位和作用五．参考书WuhanUniversityofTechnology一、电磁学研究的对象•电磁学是经典物理学的一部分。它主要是研究电荷、电流产生电场、磁场的规律；电场和磁场的相互作用；电磁场对电荷、电流的作用；以及电磁场对物质的各种效应等。WuhanUniversityofTechnology主要内容一．电磁学研究的对象二．电磁学发展简史三．电磁学的内容及结构四．电磁学课程的地位和作用五．参考书WuhanUniversityofTechnology二、电磁学发展简史1.电磁学的建立1.1自然现象1.2早期电磁应用1.3电磁学的诞生2.电磁学的发展2.1经典电磁学的困难2.2目前仍未解决的问题2.3当前科研热点中的电磁学WuhanUniversityofTechnology1、电磁学的建立1.1自然现象雷电、摩擦起电、磁石春秋时代《管子地数》（公元前770年）“上有慈石者，其下有铜金。”东汉王充《论衡是应》“司南之杓，投之于地，其柢指南。”《论衡乱龙》“顿牟缀芥，磁石引针”公元前585年，古希腊哲学家泰勒斯（Thales）记载了摩擦起电，磁石引铁的现象。WuhanUniversityofTechnology1.2.早期电磁应用•司南•电池？1936年，考古学家在巴格达附近挖出了一些铜罐，罐中铺了沥青，沥青上插着铁条。在大约同一地点，还发掘出了一些镀金物品。有研究者认为这些铜罐是巴比伦人发明的电池，而镀金物（电镀）是这些东西确是电池的证据。而这些东西，其年代早到公元前2000年以前。WuhanUniversityofTechnology1.3电磁学的诞生•十三世纪，培根（RogerBacon）：“应当靠实验来弄懂自然科学。”•1269，马里古特（PierredeMaricourt）：磁学实验，发现磁极（N、S极）。•十六世纪，吉尔伯特（WilliamGilbert）：•《论磁、磁体和地球作为一个巨大的磁体》•对电、磁进行系统研究•电和磁的不同•验电器WuhanUniversityofTechnology•1660，盖利克（OttovouGuoricke）：摩擦起电机•1729，格雷（StephenGray）：导体和绝缘体•1733，杜费（CharlesFrancoisduFay）：•“玻璃电”、“树脂电”；•同性相斥，异性相吸；•二元电液理论•1745，穆欣布罗克（PietervanMusschenbrock）：莱顿瓶（电容器原形）WuhanUniversityofTechnology•富兰克林（BenjaminFranklin）•1747，正负电，单元电液理论•解释摩擦起电•孤立体系总电量不变•解释雷电现象，《论天空闪电和我们的电气相同》“想把上帝和雷电分家的狂人”•1752，放风筝1753年英国皇家学会Copley奖•1754，避雷针WuhanUniversityofTechnology•1750，埃皮诺斯（FranzUlrichTheoderAepinus）：发现电荷之间作用力随距离减小而增大；•1766，普里斯特利（JosephPriestley）：空心导体内壁不带电，类似万有引力，猜测平方反比；•1769，罗宾逊（JohnRobinson）：电斥力与重力平衡实验，f1/r2.06，推测f1/r2•1785，库仑（CharlesAugustedeCouloum）：•扭秤实验，电斥力平方反比•电单摆实验，电引力平方反比•库仑定律•1773，卡文迪许HenryCavendish示零实验，f1/r2，0.02WuhanUniversityofTechnology•奥斯特和电流磁效应的发现•在19世纪前，人们普遍认为电和磁之间没有什么关联。•自然哲学家谢林（F．Schelling，1775─1854）认为宇宙间具有普遍的自然力的统一。•1803年，奥斯特主张，物理学将不再是关于运动、热、光、电、磁等零散的汇总，它将把整个宇宙纳在一个体系之中。•1807年，奥斯特宣称正在研究电和磁的关系。•1812年，奥斯特提出应该检验电是否以其最隐蔽的方式对磁体有所影响。•1820年4月，在哥本哈根大学讲课时，用一根白金丝把伏打电堆的两极连起来，并将一枚小磁针放在它附近，观察到磁针的运动－电流磁效应的发现。•1820年7月21日，“关于磁体周围电冲突的实验”，发表于法国杂志《化学与物理学年鉴》。WuhanUniversityofTechnology•1820年•毕奥（JeanBaptisteBiot）和萨伐尔（FelixSavart）：载流长直导线对磁极作用力反比于距离的实验，拉普拉斯（PierreSimonLaplace）给出数学形式，即BSL定理•安培（AndreMarieAmpere）：右手螺旋法则电流元作用力平方反比关系－－安培定律分子电流假说WuhanUniversityofTechnology•1827，欧姆（GeorgSimonOhm）：欧姆定律•法拉第（MichaelFaraday）：•电磁感应•直流发电机•电的同一性……•力线，场•1854，麦克斯韦（JamesClerkMaxwell）：电磁理论麦克斯韦方程组WuhanUniversityofTechnology2、电磁学的发展2.1.经典电磁学的困难•电子质量发散困难和自加速困难•源于电荷做变速运动时受自身电磁场影响•质量发散困难：•电子是点粒子，在自身处产生的电场发散，导致电磁质量发散；•假设它不是点粒子（电子经典半径r0=2.8210-15m），怎样保持稳定？•自加速困难：•带电粒子在外场下加速，当外场突然撤离时，会得到两个解：恒定速度解和速度随时间指数增大解，后者即自加速困难。•原子轨道、黑体辐射、光电效应和Compton散射2034cUmmetecmev23002340WuhanUniversityofTechnology2.2目前仍未解决的问题•磁单极•Maxwell方程组中“源”缺乏对称性•Dirac解释电荷量子化•大统一理论•光子静止质量如果光子静止质量不为0，则：•规范不变性破坏•真空中的色散效应•平方反比律不成立•光子独立偏振态为3•大统一理论•电弱统一理论－－已由实验证实•电弱强统一理论－－尚未确认•超引力理论（四种相互作用力的统一）－－仍处于梦想阶段WuhanUniversityofTechnology2.3、当前科研热点中的电磁学1.表面等离激元当光波（电磁波）入射到金属与介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成的一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这种现象就被称为表面等离激元现象。WuhanUniversityofTechnology2.新材料金属合金超导体，铁基超导体，铜氧化物超导体、重费米子超导体、有机超导体缺点：缺乏柔韧性和延展性上；机械加工困难；可以负载的最大电流低。WuhanUniversityofTechnologyWuhanUniversityofTechnology主要内容一．电磁学研究的对象二．电磁学发展简史三．电磁学的内容及结构四．电磁学课程的地位和作用五．参考书WuhanUniversityofTechnology22三、电磁学的内容及结构静电场•第一章静电场中的导体和介质•第二章恒定电流•第三章恒定磁场•第四章电磁感应•第五章磁介质•第六章交流电路•第七章电磁波•第八章1、要求：理解电磁学，从实验出发→抽象→总结出基本规律、定理WuhanUniversityofTechnology23基本概念基本规律基本方法场：电场、磁场、似稳场、速变场路：直流电路（交流路）2、学习方法：教学工具｛微积分：作为工具解决具体问题分析：作为语言运用（力、热中很少用）学习电磁学比学力学、热学更困难一些。重点掌握：“场”（不是一点，而是连续分布的场）WuhanUniversityofTechnology主要内容一．电磁学研究的对象二．电磁学发展简史三．电磁学的内容及结构四．电磁学课程的地位和作用五．参考书WuhanUniversityofTechnology四、电磁学课程的地位和作用《电磁学》这门课程是应用物理的专业基础课。它是后续课程《电动力学》课程的基础。WuhanUniversityofTechnology主要内容一．电磁学研究的对象二．电磁学发展简史三．电磁学的内容及结构四．电磁学课程的地位和作用五．参考书WuhanUniversityofTechnology五、参考资料•MIT公开课：•费曼物理学讲义第二卷•赵凯华：《电磁学》•陈秉乾：《电磁学专题研究》•梁灿彬：《电磁学》WuhanUniversityofTechnology矢量与矢量的点乘：矢量与矢量的叉乘：大小：ABsin；方向与、成右手系A预备知识BABABcosxxyyzzABABABABABABBAˆˆˆxyzxyzxyzABAAABBBAB1、矢量运算WuhanUniversityofTechnology定义：运算规则：与矢量相同ˆˆˆyxzxyzxyzAAAAAxyzxyzAAAˆˆˆxyzxyz2、Nabla算符WuhanUniversityofTechnology第二类曲面积分：通量第二类曲线积分：做功FdlFdS3、第二类曲面积分与第二类曲线积分WuhanUniversityofTechnology坐标变换微分算符梯度、散度、旋度积分公式（线元、面元、体元）22ˆˆˆsinˆˆˆsinsindldrrrdrddldddzzdSrdddSddzdVdddzdVrdrdd4、坐标变换WuhanUniversityofTechnology第1章真空中的静电场静电现象：雷电WuhanUniversityofTechnology手扶金属楼梯扶手时经常会有被电击的感觉在脱衣服时，经常会有针扎屁股的感觉当你靠近电视屏时感到手上的汗毛会树立用塑料梳子梳头时，会发出噼啪乱响的声音WuhanUniversityofTechnology§1－1电荷守恒一切电磁现象都源于物质具有电荷的属性。电现象起源于电荷。磁现象起源于电荷运动。1、什么是电荷？2、电荷具有哪些特性？WuhanUniversityofTechnology一、电荷富兰克林富兰克林定义正、负电：丝绸摩擦过的玻璃棒所带电荷称为正电荷；毛皮摩擦过的橡胶棒所带电荷称为负电荷。WuhanUniversityofTechnology电荷是一些粒子的基本属性，如电子、质子、μ子、π介子等WuhanUniversityofTechnology二、电荷的性质1、电荷（电量）是量子化的•物体所带电荷的数量•测量电量的仪器：验电器，静电计•电子电量：e=1.60217733(49)×10-19CWuhanUniversityofTechnology与电子有关的三个重要实验•汤姆逊（J.J.Thomson）阴极射线实验