(3.4)-第4章 电磁运动规律与电磁学

科技进步的根本是电磁规律的发现电磁规律改变了人类生活的世界24.1电磁运动规律的逻辑体系4.2电磁运动规律的发展历程4.3电磁运动规律的应用实例第4章电磁运动规律与电磁学Electromagneticmotionlawandelectromagnetism主要内容

MAINCONTENT4.1.1电磁运动规律的相关概念Relatedconceptsofelectromagneticmotionlaw

电磁学是研究有关电荷、电场、磁场、电磁波的现象及相互作用的动力学规律和应用的物理学分支学科。电磁学从原来互相独立的两门科学(电学、磁学)发展成为物理学中一个完整的分支学科，主要是基于两个重要的实验发现，即电流的磁效应和变化的磁场的电效应。这两个实验现象，加上麦克斯韦关于变化电场产生磁场的假设，奠定了电磁学的整个理论体系，发展了对现代文明起重大影响的电工和电子技术。

电子的发现，使电磁学和原子与物质结构的理论结合了起来，洛伦兹的电子论把物质的宏观电磁性质归结为原子中电子的效应，统一地解释了电、磁、光现象。电磁学（electromagnetism）

电动力学（electrodynamics）是研究电磁现象的经典的动力学理论，它主要研究电磁场的基本属性、运动规律以及电磁场和带电物质的相互作用。迄今人类对自然界认识得最完备、最深入且应用也最为广泛的是电磁相互作用，因而研究电磁相互作用的基本理论-电动力学有其特殊的重要性，它渗透到物理学的各个分支。它比电磁学研讨的问题立足点更高，应用到的数学基础更艰深，理论性更强，论述也更深入和普遍。电动力学（electrodynamics）4.1.2电磁运动规律的逻辑体系Alogicalsystemoflawsofelectromagneticmotion电磁运动规律的逻辑体系电磁理论电路规律恒定电路电场的能量公式、环路公式磁场的通量公式、环路公式基于实验发现的理论总结交变电路库仑定律毕奥－萨伐尔定律安培定律法拉弟电磁感应定律麦克斯韦方程组电磁场的产生、性质、的实验规律电磁场对带电粒子施加的作用（洛伦兹力）两个静止点电荷之间的相互作用力遵从距离平方反比律，可导出电场的高斯定律和环路定理恒定电流产生的磁场强度公式，可导出磁场的能量定理和环路定理变化的磁场产生电场的公式，有动生电动势和感生电动势之分电磁波的辐射规律电磁波的传播规律时空结构、力学与电磁学规律的四维表示引入标势和矢势转化为标势和矢势方程标势方程矢势方程波动方程狭义相对论欧姆定律、基尔霍夫方程组（电流、电压、阻抗之间的关系方程）位移电流假说、涡族电场假说库仑规范条件、洛仑兹规范条件…………标势与矢势的联合方程解决给定电磁性质的物质内电磁场的分布、以及电磁波传播等实际问题电动力学电磁学4.1.3电磁运动规律的相关研究Researchonthelawofelectromagneticmotion电磁学电学静电学静磁学电动力学电磁学其它学科无线电物理电磁波物理量子无线电物理微波物理学超高频无线电物理统计无线电物理无线电物理物理电子学量子电子学电子离子与真空物理带电粒子光学电子物理学其他学科电磁相关的研究领域07理学0702物理学070201理论物理070202粒子物理与原子核物理070203原子与分子物理070204等离子体物理070205凝聚态物理070206声学070207光学070208无线电物理授予博士、硕士学位和培养研究生的学科、专业目录（2008版）与电磁相关的学科08工学0808电气工程080801电机与电器080802电力系统及其自动化080803高电压与绝缘技术080804电力电子与电力传动080805电工理论与新技术0809电子科学与技术080901物理电子学080902电路与系统080903微电子学与固体电子学080904电磁场与微波技术0810信息与通信工程081001通信与信息系统081002信号与信息处理授予博士、硕士学位和培养研究生的学科、专业目录（2008版）电磁相关的学科体系课程性质课程代码课程名称总学分总学时理论学时实践学时开课学期考核方式必修07010001*电磁学46464

3考试07210178电磁学实验118

183考试07210279电动力学23232

5考试07210006*电工学46448164考试选修15110022电子技术46448166考试07210031单片机原理与应用34832166考试物理学专业与电磁相关的课程13

《传感技术学报》（月刊）创刊于1988年，是由国家教育部主管、中国微米纳米技术学会和东南大学联合主办发行的学术性月刊，她是我国在介绍传感器理论和应用领域方面较为全面的惟一的学术性刊物，是中国科技核心期刊，中文核心期刊。目前巳被以下一些核心刊物检索和收录：美国《化学文摘》（ＣＡ）、英国《科学文摘》（ＳＡ）、英国INSPEC、中国期刊网、中国学术期刊（光盘版）、中国科技论文统计源期刊、中国科学引文数据库来源期刊、《万方数据—数字化期刊群》、《中国核心期刊数据库》和重庆维普数据库等。

《传感技术学报》以马列主义、毛泽东思想、邓小平理论和“三个代表”重要思想为指导，全面贯彻党的教育方针和“双百方针”，理论联系实际，开展教育科学研究和学科基础理论研究，交流科技成果，促进学院教学、科研工作的发展，为教育改革和社会主义现代化建设做出贡献。

《传感技术学报》的地址：南京市四牌楼2号东南大学。/14/ch/index.aspx15/CN/volumn/home.shtml16/txxb/CN/1000-436X/home.shtml17/CN/volumn/home.shtml18/Jwk_dzxb/CN/volumn/current.shtml19/hwyhmb/hwyhmbcn/ch/index.aspx20

《天线学报》（JournalofAntennas），是汉斯出版社一本关注天线学领域最新进展的国际中文期刊。《天线学报》属于汉斯出版社的中文期刊，创刊于2012年，旨在开放存取。

期刊定位：一本关注天线研究领域最新进展的国际中文期刊，本刊支持思想创新、学术创新，倡导科学，繁荣学术，集学术性、思想性为一体，旨在为了给世界范围内的科学家、学者、科研人员提供一个传播、分享和讨论天线研究领域内不同方向问题与发展的交流平台。

期刊栏目：振子天线，行波线天线，相控阵天线，单脉冲天线，合成孔径雷达天线，超宽带和多波段天线技术研究，智能天线技术，双极化天线，等离子体天线与纳米天线，mimo多天线通信系统，天线抗干扰技术，反射面天线技术，微带天线技术，移动通信天线技术，天线设计与仿真技术物理与工程技术学院「物理学专业导论」214.2电磁运动规律的发展历程Thedevelopmentofthelawofelectromagneticmotion分段历史发展历程中提及的科学家静电场规律吉尔伯特、富兰道克林、库仑伏打、毕奥、安培、奥斯特、萨伐尔、洛伦兹运动的电荷产生磁场规律电磁现象的统一理论麦克斯韦、赫兹、欧姆、基尔霍夫变化的磁场产生电场规律法拉弟、楞次年代1600－1800年1800－1820年1820－1831年1865年以后电磁现象规律的重要历史发展阶段静电荷电磁场电流电磁波动态静态电流电场磁场电磁波用了什么样的方法？

获得什么样的启示？具有什么样的意义？4.2.1静电与静磁规律的建立过程Establishmentprocessofelectrostaticandmagnetostaticlaws公元前585年希腊哲学家泰勒斯天然矿石吸引磁铁希腊人把琥珀叫做“elektron”在东方公元前三世纪战国时期发明司南（指南针）天然的磁石“以为母也，故能引其子”此后的2000多年中静电的研究静磁的研究没有找到恰当的方式来产生和测量静电进展甚少相对较多13、14世纪，罗盘在航海中辨别方位到了1600年英国医生吉尔伯特(1540-1605)《论磁》在伦敦出版第一只验电器系统总结和阐述对磁、电的研究成果；提出了质量、力等新概念；主张真正的研究应该以实验为基础并付诸实践；近代科学研究方法的开创者；开创了电学和磁学的近代研究。1663年盖里克摩擦起电机1708年沃尔雷是由静电而产生的1720年格雷电的传导现象1729年格雷感应起电方法1733年杜非松脂电和玻璃电1745年马森布洛克发明了莱顿瓶1746年富兰克林正电负电概念1752年富兰克林统一了“天电”“地电”以上研究，都是对电荷如何产生、如何区分、作用特性的有关定性认识！摩擦起电导体绝缘体静电感应静电作用特性尖端放电雷电现象电荷守恒原理电的储存雷电性质1766年普里斯特利提出了电吸引力与距离成反比的设想1769年罗比生进行了第一次电力测量1773年卡文迪许实验验证了普利斯特利预言1785年库仑设计库仑扭秤实验测量同种电荷的斥力。设计单摆实验测量异种电荷的引力。——库仑定律库仑定律电磁学进入了定量的研究电磁学真正成为一门科学高斯定理环路定理奥斯特电流磁效应实验安培分子环流假说电流的磁效应类比的研究方法的重要作用电场的平方反比力及保守力的性质磁荷没有发现磁单极的存在，磁荷的概念仅用于磁场计算的简便性物理与工程技术学院「物理学专业导论」324.2.2运动电荷产生磁场的规律Thelawofmagneticfieldproducedbymovingcharge静电荷产生静电场同种电荷相斥异种电荷相吸如何让电荷在导体中运动起来形成电流？运动的电荷将会产生什么现象？电流产生条件动物电1780年电生理学1800年意大利贾法尼意大利伏打伏打电堆从静电走向动电电流的磁效应1820年丹麦奥斯特电可以产生磁“场”的思想的开端磁场起源问题磁场性质问题磁电作用规律毕奥-萨伐尔定律1820年法国毕奥和萨伐尔1820年法国物理学家安培安培右手螺旋定则安培定律1826年德国欧姆电流的作用力电流、电阻、电势差热流、热阻、温度差欧姆定律分子环流假说通电导线周围磁针发生偏转1892年荷兰物理学家洛伦兹洛伦兹公式单个运动电荷在磁场中的受力情况物理与工程技术学院「物理学专业导论」354.2.3变化的磁场产生电场的规律Thelawofelectricfieldproducedbychangingmagneticfield运动电荷（电流）周围存在磁场！磁是否也能产生电？磁铁在螺线管中移动1825年没想到效应的暂态性1830年瑞士科拉顿美国亨利发现电磁感应现象未立即发表实验结果1832年俄国楞次发现感生电流方向的规律1831年英国法拉弟奥斯特实验伏打电感应磁电感应电与磁应是一对和谐的对称现象法拉第电磁感应定律场的概念力线思想磁生电条件瞬时性变化性运动性1832年美国享利发现线圈自感电流现象享利自感生电1833年俄国楞次《关于用电动力学方法决定感生电流方向》楞次定律手摇式直流发电机1832年法国的毕克西自励式直流发电机1866年德国的西门子环形电枢发电机比利时的格拉姆1869年两相式巨型发电机美国的戈登1882年两相交流发电机投入营运美国的特斯拉1896年俄勒冈州建设了发电厂美国的西屋公司1889年由电磁铁构成的直流电动机1834年俄罗斯的雅可比用作印刷的直流电动机1836年美国的文波特英国的戴比德逊两相感应电动机计划启动1887年美国的特斯拉制成了感应电动机1897年美国的西屋公司法拉第电磁感应定律、亨利自感、楞次定律的建立，宣告了电气时代的到来。4.2.4电磁运动规律的统一理论Unifiedtheoryofelectromagneticmotionlaw19世纪中期库仑定律高斯定理安培定律法拉第电磁感应定律力线和场条件已趋成熟电磁场理论德国物理学家欧姆《电路的数学研究》欧姆定律电路的基本规律德国物理学家基尔霍夫1827年1845年基尔霍夫方程组复杂的电路规律英国物理学家麦克斯韦坚信法拉第的新理论包含着真理清晰准确的数学形式表示1855年至1856年《论法拉第的力线》《论物理的力线》《电磁场的动力学理论》1861年至1862年1864年12月8日涡旋电场位移电流麦克斯韦方程组预言电磁波电磁波的速度等于光速光是电磁波的一种形式1873年《电磁学通论》1888年德国物理学家赫兹完整的电磁理论体系奠定了现代的电力工业、电子工业和无线电工业的基础4.3电磁运动规律的应用案例Applicationcasesofelectromagneticmotionlaw基本原理应用实例物质的电结构、静电学原理、物质的发光原理电离层、臭氧层、雷电、极光、避雷针、静电除尘、静电屏蔽、心电图磁悬浮列车变压器、电磁炉、磁记录仪无线电通信高压作业运动的电荷（电流）产生磁场变化的磁能量产生电场运动的电荷产生磁场变化的磁通量产生电场的耦合作用涡旋电场与位移电流欧姆定律发电机电动机运动的电荷（电流）在磁场中受力4.3.1静电学原理的应用案例Applicationsoftheprinciplesofelectrostatics物质呈现电中性同性电荷相排斥异性电荷相吸引导体的电荷分布在表面,导体内部电场为零。带电粒子在磁场中的运动规律是：带电粒子不能垂直磁感线运动，而只能沿着磁感线方向运动。自发辐射与共振吸收太阳是如何持续发光的日冕光环是如何形成的电离层、臭氧层等的产生避雷针静电除尘器静电屏蔽装置心电图仪静电学原理物质的电结构解释应用太阳是如何持续发光的高温下氢的同位素聚变成氦元素的热核反应太阳自身的万有引力平衡状态持续发光辐射各种频率的光子辐射一些带电的粒子高能粒子流太阳直径为地球直径的109倍热核反应产生的热压力a粒子（两正电氦原子核）β粒子（e-电子）高度电离的等离子体其它带电粒子日冕光环是如何形成的日冕层太阳风的出口高能粒子从太阳表面延伸到几个太阳半径外冕洞密度较低的区域（如南北极）辐射光球辐射禁戒跃迁轫致辐射回旋加速辐射同步加速辐射静电振荡辐射日全食时观测到的光环X射线紫外线可见光连续光谱地球电离层是如何形成的？形成冕洞出射的高能粒子—太阳风使地球高层大气的分子和原子电离，产生自由电子和正、负离子，形成等离子体区域！分布从离地面约50公里开始一直伸展到约1000公里影响能使无线电波改变传播速度，发生折射、反射和散射，产生极化面的旋转并受到不同程度的吸收地——空通信产生影响地球的臭氧又是如何形成的？臭氧层∶距地表面约20至50公里阻挡太阳紫外线，防伤害。紫外线转化为热，加热大气，温室气体。形成作用太阳发生的短波紫外线照射+比重大于氧气→逐渐降落→再次与紫外线作用长波紫外线照射→短波紫外线照射+具有强氧化性：少量使人感到清爽（雷电）;多量有伤害地球的雨雷电中如何产生的？地面水汽蒸发上升，随高度增加，温度降低，水汽凝结成小水滴，天空形成云，距地表面约6000米以下！上升热气使小水滴向上聚集，形成积雨云（距地1000米）小水滴碰撞形成大雨滴，合外力向下时，使上升热气流变冷，转向地面流动，下落的水滴形成雨！地球的雨雷电中如何产生的？云底分布负电荷地面高端感应正电荷电荷放电云体内部、云与云、云与地雷鸣释放电能，形成爆炸，冲击波，向四周传开，雷鸣电闪巨大电流击穿空气，产生出明亮夺目闪光光速=30万千米/秒声速=331米/秒云顶分布正电荷下降的雨滴与上升的热气摩擦产生正负电荷分离电闪雷鸣！地球两极的极光怎么产生的？高能粒子在地球极地两极钻入地球冕洞出射的高能粒子（太阳风）地表表面南北极附近与高空大气层中的氧和氮构成的分子相遇吸收发光，氧发绿、红色的光，氮发紫、蓝、深红光，形成壮观的极光！地球上的负氧离子怎么来的？形成宇宙射线、紫外线、微量元素辐射、雷击闪电等+寿命洁净空气中几分钟、灰尘中几秒钟！存在情况存在于地表表面：晴天比阴天多、夏季比冬季多、中午比早晚多！环境保护易被烟雾、尘埃、病菌、汽车尾气等污染物吸附！用于除尘价值空气维生素：调整大脑皮层功能，镇静、催眠、降压郊外运动能使人体的脑、肾、肝、等组织的氧化过程加强郊区田野海滨森林公园瀑布避雷针是什么原理？物体尖端部分电荷分布密度大！避雷针就是利用这一规律制作的。静电除尘器是什么原理设计的静电屏蔽服是如何屏蔽的？电荷分布在导体表面，内部电场为零，这就是静电屏蔽原理。心电图仪是怎么设计出来的？当心肌细胞静止的时候，两端的电位差是零。当心脏在收缩过程中，心肌细胞膜两端就会产生电位差，从而产生电压。4.3.2电流学原理的应用案例Applicationsoftheprinciplesofelectrography闭合的纯电阻电路非纯电阻电路用类似欧姆定律的方法来讨论转为等效电路对半导体、电介质等为什么生活用电通常是交流电？电流具有热效应电流通过导体产生的热量，跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比。想有效地传输电能，应使电流尽量地小。当输出功率一定时，应使电压尽量地高。为什么可以高压带电作业？较大的电流流过人体会造成人体伤害人体各部位处于等电位时，再高的电位也不会在人体中