第八章电磁学概述 大量实验事实证明，物件间相互作用不是超距发生的，而是由场传递的。电磁力就是由电 大离客的路者东用新风整用布紧振过的筑用能级引轻横物体。“电 (electricity)这个词就是来源于希腊文琥珀。 我国，战国时期《韩非子》中有关“司南”的记载：《吕氏春秋》中有关“慈石召铁”的 记载东汉时期王充所著《论衡》一书记有“顿牟缀芥，磁石引针”字句 电和磁现象的系统研究 英国的威廉·吉尔伯特在1600年出版的《论磁、磁体和地球作为一个巨大的磁体》一书 中描述了对电现象所做的研究，把琥珀、金刚石、蓝宝石、硫磺、树脂等物质摩擦后会吸引轻 物体的作用称为“电性 也止是他的造”电 这个词。吉尔伯特第 明确区分了以前 常被人混在起的电和这两种吸引。他指出这两种吸引之间有深刻的差异。 开究形成静电场以及 法拉第等人发 现了关于电流的定律。1820年爽斯特发现了电流的磁效应，一两年内，毕奥、萨伐尔、安培 拉普拉斯等作了进一步定量的研究。1831年法拉第发现了有名的电磁感应现象，并提出了场 和力线的概念，进一步揭示了电与磁的联系。在这样的基础上，麦克斯韦集前人之大成，再加 上他极富创见的关于感应电场和位移电流的假说，建立了以一套方程组为基础的完整的宏观的 电磁场理论。 电磁学内容按性质来分，主要包括“场”和“路”两部分。大学物理偏重于从“场”的观 点来进行阐述。“场”不同于实物物质，它具有空间分布，但同样具有质量、能量和动量，对 朱绿场健括静电场和磁场》的精达通常用到“通量”和·环流”两个概之及相应的通量定型 静电场，相对于观察者静止的电荷所激发的电场
第八章 电磁学概述 大量实验事实证明，物件间相互作用不是超距发生的，而是由场传递的。电磁力就是由电 磁场传递的。正是场与实物间的相互作用，才导致了实物间的相互作用。电磁学研究物质间电 磁相互作用，研究电磁场的产生、变化和运动的规律。 关于电磁现象的观察记录 公元前约 585 年希腊学者泰勒斯观察到用布摩擦过的琥珀能吸引轻微物体。“电” （electricity）这个词就是来源于希腊文琥珀。 我国，战国时期《韩非子》中有关“司南” 的记载；《吕氏春秋》中有关“慈石召铁”的 记载东汉时期王充所著《论衡》一书记有“顿牟缀芥，磁石引针”字句 电和磁现象的系统研究 英国的威廉·吉尔伯特在 1600 年出版的《论磁、磁体和地球作为一个巨大的磁体》一书 中描述了对电现象所做的研究，把琥珀、金刚石、蓝宝石、硫磺、树脂等物质摩擦后会吸引轻 小物体的作用称为“电性”，也正是他创造了“电”这个词。吉尔伯特第一次明确区分了以前 常被人混在一起的电和磁这两种吸引。他指出这两种吸引之间有深刻的差异。 电磁现象的定量研究 从 1785 年库仑定律的建立开始，其后通过泊松、高斯等人的研究形成了静电场（以及静 磁场）的（超距作用）理论。伽伐尼于 1786 年发现了电流，后经伏特、欧姆、法拉第等人发 现了关于电流的定律。1820 年奥斯特发现了电流的磁效应，一两年内，毕奥、萨伐尔、安培、 拉普拉斯等作了进一步定量的研究。1831 年法拉第发现了有名的电磁感应现象，并提出了场 和力线的概念，进一步揭示了电与磁的联系。在这样的基础上，麦克斯韦集前人之大成，再加 上他极富创见的关于感应电场和位移电流的假说，建立了以一套方程组为基础的完整的宏观的 电磁场理论。 电磁学内容按性质来分，主要包括“场”和“路”两部分。大学物理偏重于从“场”的观 点来进行阐述。“场”不同于实物物质，它具有空间分布，但同样具有质量、能量和动量，对 矢量场（包括静电场和磁场）的描述通常用到“通量”和“环流”两个概念及相应的通量定理 和环路定理。 静电场，相对于观察者静止的电荷所激发的电场
第八章静电场 静电场一相亚用、导体、电介质 相互影响 生的均匀金感应电荷极化电荷 基本定理的特殊应用 电荷重新分布 影响 原有电场 静电平衡状态◆ 电场重新分布 图91介质中的静电场 二、本章重点和难点 1.重点 (1)导体的静电平衡性质： (2)空腔导体及静电屏敲： (3)电容、电容器： 2.难点 导体静电平衡下电场强度矢量、电势和电荷分布的计算： 8.1电荷电场强度 一、电荷 用它方法可物体带电。 把带电休所 的电称为电荷。 3.正电荷和负电荷 电荷有两种：正电、负电。17S0年，美国物理学家富兰克林(B.FrankLin)首先命名。 同性电荷相斥，异性电荷相吸。 带电体所带电荷的多少叫电量。单位：库仑(C)
2 第八章 静电场 图 9-1 介质中的静电场 二、本章重点和难点 1．重点 （1）导体的静电平衡性质； （2）空腔导体及静电屏蔽； （3）电容、电容器； 2．难点 导体静电平衡下电场强度矢量、电势和电荷分布的计算； 8.1 电荷 电场强度 一、电荷 1．带电 用摩擦或其它方法可使物体带电。 2．电荷的概念 把带电体所带的电称为电荷。 3．正电荷和负电荷 电荷有两种：正电、负电。1750 年，美国物理学家 富兰克林（B.FrankLin)首先命名。 同性电荷相斥，异性电荷相吸。 带电体所带电荷的多少叫电量。单位：库仑（C）
4.物质的电结构理论 质由原子组成，原子由原子核和核外电子组成，原子核又 由中 子和 子组成。中子不带电，质 王电，电子带负电。质 中子数相等， 原子呈电中性。电荷是实物粒子的一种属性， 体带电的本质是两种物体间发生了电子的转移。即一物体 失去电子带正电，另 物体得到电子带负电。 图81原子核 二、电荷的量子性 1.实验证明，在自然界中，电荷总是以一个基本单元的整数倍出现，即 为123. 电有的这种只能取分立的？不注经量的特在电有的量子 1800年 电子所带电 的 1913年密立根设计了有名的油滴试验，直接测定了此基元电荷的量 元电荷的粒子。 许多基本粒子都带有正的或负的基元电荷。微观粒子所带的基元电荷数常叫做它们各自的 电荷数，都是正整数或负整数。 近代物理从理论上预言基本粒子由若干种夸克或反夸克组成，每一个夸克或反夸克带有 ±或±的电量。至今尚未从实验中直接发现单独存在的夸克或反夸克，仅在一些间接的 实验中得到验证。 三、电荷守恒定律 当一种电荷出现时 的代数和保持不 电荷同时 守恒定律 现代物理研究己表明，在粒子的相互作用过程中，电荷是可以产生和消失的。然而电荷守 恒并未因此而遭到破坏。 例如，电子对的“产生”Ye+e:电子对的“湮灭”e+e→2y 四、电荷的运动不变性 一个电荷的电量与它的运动状态无关，即系统所带电荷与参考系的选取无关。 五、库仑定律 1、点电荷的概念 当一个带电体本身的线度比所研究的问题中所涉及的距离小得多时，该带电体的形状与电 荷在其上的分布状况均无关紧要，该带电体就可看作为一个带电的点，叫做点电荷
3 4．物质的电结构理论 物质由原子组成，原子由原子核和核外电子组成，原子核又 由中子和质子组成。中子不带电，质子带正电，电子带负电。质 子数和中子数相等，原子呈电中性。电荷是实物粒子的一种属性， 它描述了实物粒子的电性质。 物体带电的本质是两种物体间发生了电子的转移。即一物体 失去电子带正电，另一物体得到电子带负电。 图 8-1 原子核 二、电荷的量子性 1．实验证明，在自然界中，电荷总是以一个基本单元的整数倍出现，即 q = ne . n 为 1, 2, 3, . 2．电荷的这种只能取分立的、不连续量值的特性叫做电荷的量子性。 3．电荷的基本单元就是一个电子所带电量的绝对值为 19 1.602 10− e = C . 1890 年斯通尼引入了“电子”（electron）这一名称来表示带有负的基元电荷的粒子。 1913 年密立根设计了有名的油滴试验，直接测定了此基元电荷的量值。 许多基本粒子都带有正的或负的基元电荷。微观粒子所带的基元电荷数常叫做它们各自的 电荷数，都是正整数或负整数。 近代物理从理论上预言基本粒子由若干种夸克或反夸克组成，每一个夸克或反夸克带有 e 3 1 或 e 3 2 的电量。至今尚未从实验中直接发现单独存在的夸克或反夸克，仅在一些间接的 实验中得到验证。 三、电荷守恒定律 由摩擦生电的实验可见，当一种电荷出现时，必然有相等量值的异号电荷同时出现；一种 电荷消失时，必然有相等量值的异号电荷同时消失。因此，在孤立系统中，不管其中的电荷如 何迁移，系统的电荷的代数和保持不变——电荷守恒定律。 现代物理研究已表明，在粒子的相互作用过程中，电荷是可以产生和消失的。然而电荷守 恒并未因此而遭到破坏。 例如，电子对的“产生” + − → e + e ；电子对的“湮灭” + → + − e e 2 . 四、电荷的运动不变性 一个电荷的电量与它的运动状态无关，即系统所带电荷与参考系的选取无关。 五、库仑定律 1、点电荷的概念 当一个带电体本身的线度比所研究的问题中所涉及的距离小得多时，该带电体的形状与电 荷在其上的分布状况均无关紧要，该带电体就可看作为一个带电的点，叫做点电荷
2、库仑定律 ),表述 在真空中，两个静止的点电荷之间的相互作用力，其大小与它们电荷的乘积成正比，与它 们之间距离的二次方成反比：作用力的方向沿着两点电荷的连线，同号电荷相斥，异号电荷相 （2.表达式=4 _,其中6=8.85x10CNm2=885x10pm称为真空 电容 说明】(1)在库仑定律表示式中引入真空电容率和“4真”因子的作法，称为单位制的 有理化 2)从式子可见，当g1和g2同号时，F>0,即表现为排斥力：当q1和g2异号时，F<0, 即表现为吸引力。静止电荷间的电作用力，又称为库仑力。 (3)两静止点电荷之间的库仑力遵守牛顿第三定律。 (4)两个以上的静止的点电荷之间的作用力遵循电力的叠加原理：即两个以上的点电荷 对一个点电荷的作用力等于各个点电荷单独存在时对该点电荷的作用力的矢量和。 (5)库仑定律是直接由实验总结出来的规律，它是静电场理论的基础，以它为基础将导 出其他重要的电场方程 (6)库仑定律为实验定律，r从105.10m,广大范围内正确有效，且服从力的矢量合成 法则 六电场强度 引言：场的基本概念 按字义理解，所谓“场”是指某种物理量在空间的一种分布。例如温度场，速度场而 温度和速度(x,y,:,)就称为相应的场量 标量场矢量场均匀场静场稳恒场 在物理 种特殊形态。实物和场是物质的两种存在形态 它们 ,特征 律。 现在 实物是由为 所反 种弥漫在空的特殊物。它从赛性，古 发生影响。 实物之间的各种相互作用总是通过各种场来传递的， 标量场的场量在空间各点只有大小，没有方向。为描述场的整体分布的特征，通常采用等 值面和等值线的方法。常常引入标量场的梯度。 矢量场的场量在空间不同点上既可能有不同的量值也可能有不同的方向。为了描述矢量场 的性质，总是通过它的场线、通量和环流来进行研究的。 (一)、静电场 1,超距作用和近距作用（场的观点） 璃论整体之的和作用是不可能发生的。 2.场陀观品 法拉弟
4 2、库仑定律 （1）．表述 在真空中，两个静止的点电荷之间的相互作用力，其大小与它们电荷的乘积成正比，与它 们之间距离的二次方成反比；作用力的方向沿着两点电荷的连线，同号电荷相斥，异号电荷相 吸。 （2）．表达式 3 12 12 1 2 0 12 4 1 F r r q q = ，其中 12 1 2 12 1 0 8.85 10 C N m 8.85 10 F m − − − − − = = 称为真空 电容率。 【说明】（1）在库仑定律表示式中引入真空电容率和“4π”因子的作法，称为单位制的 有理化。 （2）从式子可见，当 q1 和 q2 同号时，F>0 ，即表现为排斥力；当 q1 和 q2 异号时，F<0 ， 即表现为吸引力。静止电荷间的电作用力，又称为库仑力。 （3）两静止点电荷之间的库仑力遵守牛顿第三定律。 （4）两个以上的静止的点电荷之间的作用力遵循电力的叠加原理：即两个以上的点电荷 对一个点电荷的作用力等于各个点电荷单独存在时对该点电荷的作用力的矢量和。 （5）库仑定律是直接由实验总结出来的规律，它是静电场理论的基础，以它为基础将导 出其他重要的电场方程。 （6）库仑定律为实验定律，r 从 10-15 -107m，广大范围内正确有效，且服从力的矢量合成 法则。 六 电场强度 引言：场的基本概念 按字义理解，所谓“场”是指某种物理量在空间的一种分布。例如 温度场， 速度场 而 温度 和速度 v(x,y,z,t) 就称为相应的场量。 标量场 矢量场 均匀场 静场 稳恒场 在物理学中，“场”是指物质的一种特殊形态。实物和场是物质的两种存在形态，它们具 有不同的性质、特征和不同的运动规律。场的物质性表现在场是一种客观实在，不依赖人们的 意识而存在着，为人们的意识所反映，而且与实物一样，场也有质量、能量、动量和角动量。 实物是由原子分子组成的，一种实物占据的空间，不能同时被其他实物所占据，而场是一 种弥漫在空间的特殊物质，它遵从叠加性，即一种场占据的空间，能为其他场同时占有，互不 发生影响。 实物之间的各种相互作用总是通过各种场来传递的。 标量场的场量在空间各点只有大小，没有方向。为描述场的整体分布的特征，通常采用等 值面和等值线的方法。常常引入标量场的梯度。 矢量场的场量在空间不同点上既可能有不同的量值也可能有不同的方向。为了描述矢量场 的性质，总是通过它的场线、通量和环流来进行研究的。 （ 一）、静电场 1．超距作用和近距作用（场的观点） 2．场论观点（法拉第） 没有物质，物体之间的相互作用是不可能发生的。 根据场论观点：
电合电 图82特殊媒介物质一电场 图83电场力 1.静电场 相对于察者静止的电荷周围所在在 的场称为静电场（该电荷称为场源电荷）。 能量、动量等 产生它的电荷己消失。 (4)电磁场可同时在空间叠加 (5)场和实物虽然都是物质，但又有区别。是物质存在的两种不同形式 (6)近代观点：两个点电荷是通过交换场量子而相互作用的，电磁场的场量子就是光子。 2.静电场的重要表现 引入电场的任何带电体都将受到电场的作用力：当带电体在电场中移动时，电场力将对带 电体作功。 (二)、电场强度 1.如何描述电场对电荷的作用？ 引入试探电荷q：是点电荷：所带电量足够小，以致在电场中不会影响原有的电场的分 布。 舞a聚 场中不同 ,受力F的大小 方向均不同 (3)比值F/q卵与0无关，仅由电场本身的性质决定。 3.定义电场强度（简称场强）E=即电场强度定义为：电场中某点的电场强度在量值 上等于放在该点的单位正试验电荷所受的电场力，其方向与正试验电荷受力方向一致。 4,说明 (1)单位：N·C或V·m 、2)是空间坐林 数 其方向与正试验电荷所受力F的方向相同。 (3)在已知电场强度分布的电场中，电荷在场中某点处所受的力为F-gE. (三)、电场强度的计算 1.点电荷电场强度 男车仑定，有E一从上式可得结论
5 电荷 电荷 电场 相互作用 电荷 电场 电荷 激发 作用 图 8-2 特殊媒介物质—电场 图 8-3 电场力 1．静电场 相对于观察者静止的电荷周围所存在的场称为静电场（该电荷称为场源电荷）。 （1）静电场仅是电磁场的一种特殊形态。 （2）电磁场与实物物质一样具有质量、能量、动量等。 （3）电磁场一经产生就能单独存在，即使产生它的电荷已消失。 （4）电磁场可同时在空间叠加。 （5）场和实物虽然都是物质，但又有区别。是物质存在的两种不同形式。 （6）近代观点：两个点电荷是通过交换场量子而相互作用的，电磁场的场量子就是光子。 2．静电场的重要表现 引入电场的任何带电体都将受到电场的作用力；当带电体在电场中移动时，电场力将对带 电体作功。 （二）、电场强度 1．如何描述电场对电荷的作用？ 引入试探电荷 q0 ：是点电荷；所带电量足够小，以致在电场中不会影响原有的电场的分 布。 2．实验事实 （1）q0 在场中不同点，受力 F 的大小、方向均不同； （2）不同 q0 在场中确定点其受力的方向确定，大小与 q0 成正比 F q0 ； （3）比值 F / q0 与 q0 无关，仅由电场本身的性质决定。 3．定义电场强度（简称场强） q0 F E = 即电场强度定义为：电场中某点的电场强度在量值 上等于放在该点的单位正试验电荷所受的电场力，其方向与正试验电荷受力方向一致。 4．说明 （1）单位：N·C -1 或 V·m-1 . （2） 是空间坐标的一个矢量点函数，其方向与正试验电荷所受力 F 的方向相同。 （3）在已知电场强度分布的电场中，电荷 在场中某点处所受的力为 F=qE . （三）、电场强度的计算 1．点电荷电场强度 根据库仑定律，有 e F E 2 0 4 0 1 r Q q = = 从上式可得出结论： -q q0 r E P -q q0 r E P