《微課課件：電磁學(xué)的基本原理》

微課課件：電磁學(xué)的基本原理課程概述電磁學(xué)的重要性現(xiàn)代科技與日常生活的基礎(chǔ)課程內(nèi)容簡介從電荷到電磁波的完整理論體系學(xué)習(xí)目標電磁學(xué)的歷史發(fā)展1古代認識古希臘琥珀摩擦現(xiàn)象218世紀富蘭克林、庫侖電學(xué)實驗319世紀電荷的基本概念正電荷質(zhì)子帶正電荷傳統(tǒng)電流方向負電荷電子帶負電荷實際電子流方向電荷守恒孤立系統(tǒng)中電荷總量不變庫侖定律定律表述點電荷間力與電荷乘積成正比與距離平方成反比數(shù)學(xué)公式F=k·q?q?/r2k為庫侖常數(shù)應(yīng)用多電荷系統(tǒng)力計算電場的概念電場定義電荷周圍空間存在特殊狀態(tài)電場強度單位正電荷所受電場力矢量性質(zhì)電場線電場線概念電場可視化表示方法電場線方向指向正電荷移動方向電場線密度表示電場強度大小高斯定律高斯面任意閉合曲面電通量電場線穿過曲面數(shù)量數(shù)學(xué)表達∮E·dS=Q/ε?物理意義電場源于電荷靜電場中的導(dǎo)體1靜電平衡導(dǎo)體內(nèi)電場為零2電荷分布電荷分布于導(dǎo)體表面3表面電場垂直于導(dǎo)體表面電勢能和電勢電勢能電荷在電場中的位置能電勢單位電荷的電勢能計算方法V=-∫E·dl電容器Q儲存電荷電容器儲存電荷量C=Q/V電容定義儲存電荷與電壓比值C=ε?A/d平行板電容與極板面積成正比靜電場的能量電場能量密度電荷系統(tǒng)能量電容儲能電介質(zhì)極化現(xiàn)象分子電偶極矩排列減弱外部電場介電常數(shù)表征極化能力影響電容大小極化電荷束縛電荷出現(xiàn)于介質(zhì)表面電流的基本概念1電流定義單位時間通過的電荷量2電流方向正電荷移動方向3電流密度單位面積上的電流4連續(xù)性方程電荷守恒的表現(xiàn)形式歐姆定律焦耳定律焦耳熱定義電流通過電阻產(chǎn)生熱量能量轉(zhuǎn)換過程數(shù)學(xué)表達Q=I2Rt與電流平方成正比應(yīng)用電熱設(shè)備照明裝置基爾霍夫定律電流定律節(jié)點流入流出電流相等電壓定律閉合回路電壓代數(shù)和為零計算方法解線性方程組磁場的基本概念磁場定義磁性物質(zhì)周圍空間特殊狀態(tài)磁感應(yīng)強度磁場強弱的物理量磁場方向小磁針N極指向磁力線直導(dǎo)線磁場同心圓形磁力線螺線管磁場內(nèi)部均勻平行磁力線磁鐵間磁場N極出S極入閉合曲線畢奧-薩伐爾定律定律表述電流元產(chǎn)生的磁場計算數(shù)學(xué)公式dB=(μ?/4π)·(Idl×r)/r3應(yīng)用舉例圓電流環(huán)、直導(dǎo)線磁場計算安培環(huán)路定理定理內(nèi)容閉合路徑磁場環(huán)量與電流關(guān)系1數(shù)學(xué)表達∮B·dl=μ?I2應(yīng)用場景計算高度對稱磁場3限制條件僅適用穩(wěn)恒電流4洛倫茲力F=qvBsinθ力的大小與速度、磁感應(yīng)強度、正弦值成正比F⊥v,B力的方向垂直于速度和磁場平面F=q(E+v×B)完整表達式包含電場和磁場霍爾效應(yīng)效應(yīng)原理導(dǎo)體中的載流子受洛倫茲力偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生橫向電勢差霍爾電壓VH=IB/(nqd)應(yīng)用測量磁場霍爾傳感器確定載流子類型磁介質(zhì)抗磁性物質(zhì)略微減弱外磁場順磁性物質(zhì)略微增強外磁場鐵磁性物質(zhì)顯著增強外磁場磁化強度單位體積磁矩電磁感應(yīng)現(xiàn)象法拉第定律閉合回路中感應(yīng)電動勢等于磁通量變化率楞次定律感應(yīng)電流方向阻礙磁通量變化產(chǎn)生條件閉合回路中磁通量變化導(dǎo)體切割磁力線自感和互感自感概念電流變化引起自身磁通變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢互感概念一線圈電流變化引起另一線圈感應(yīng)電動勢計算公式自感：ε=-L(dI/dt)互感：ε=-M(dI/dt)磁場能量位移電流麥克斯韋修正安培定律不適用變化電場位移電流電場變化產(chǎn)生等效電流重要性電磁波理論基礎(chǔ)麥克斯韋方程組高斯電場定律?·E=ρ/ε?高斯磁場定律?·B=0法拉第定律?×E=-?B/?t安培-麥克斯韋定律?×B=μ?J+μ?ε??E/?t電磁波產(chǎn)生條件加速電荷輻射傳播速度真空中等于光速波動性質(zhì)電場磁場相互垂直振蕩能量傳輸坡印廷矢量描述能流電磁波譜無線電波通信廣播應(yīng)用微波雷達和加熱設(shè)備紅外線熱成像和遙控器可見光人眼可見波段紫外線殺菌和熒光分析X射線醫(yī)學(xué)成像技術(shù)伽馬射線高能量射線靜電場的應(yīng)用靜電發(fā)電機產(chǎn)生高電壓設(shè)備靜電除塵器工業(yè)廢氣凈化裝置靜電噴涂工業(yè)涂裝技術(shù)電容器的應(yīng)用電流的應(yīng)用電熱器件利用焦耳熱效應(yīng)照明設(shè)備燈絲發(fā)光原理醫(yī)療設(shè)備心電圖和電療裝置電子電路信號處理和控制系統(tǒng)磁場的應(yīng)用電動機原理通電線圈在磁場中轉(zhuǎn)動電能轉(zhuǎn)化為機械能磁懸浮技術(shù)超導(dǎo)體排斥磁場磁共振成像強磁場中原子核共振醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)電磁感應(yīng)的應(yīng)用發(fā)電機原理機械能轉(zhuǎn)化為電能變壓器工作原理電磁感應(yīng)實現(xiàn)電壓變換感應(yīng)加熱金屬在變化磁場中感應(yīng)發(fā)熱無線充電電磁感應(yīng)實現(xiàn)非接觸能量傳輸電磁波的應(yīng)用無線通信信息傳輸載體微波爐水分子吸收微波能量產(chǎn)熱雷達系統(tǒng)電磁波反射探測物體3無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)電磁學(xué)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用核磁共振成像強磁場中氫原子共振心電圖技術(shù)記錄心臟電活動電療技術(shù)電流刺激組織修復(fù)電磁學(xué)在工業(yè)中的應(yīng)用1電磁加熱感應(yīng)電流產(chǎn)生熱量2電磁泵無機械部件輸送導(dǎo)電液體3電磁分離分選磁性與非磁性物質(zhì)4電磁成型利用脈沖磁場加工金屬電磁學(xué)在交通中的應(yīng)用電動汽車電動機驅(qū)動系統(tǒng)電磁制動能量回收磁懸浮列車電磁懸浮與推進電磁導(dǎo)航地磁場定位技術(shù)無人駕駛引導(dǎo)系統(tǒng)電磁學(xué)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用核聚變裝置磁約束等離子體技術(shù)太陽能電池光電轉(zhuǎn)換材料風(fēng)力發(fā)電電磁感應(yīng)發(fā)電原理電磁屏蔽屏蔽原理導(dǎo)體表面感應(yīng)電荷抵消外電場渦流抵消外磁場屏蔽方法法拉第籠結(jié)構(gòu)高導(dǎo)磁率材料應(yīng)用領(lǐng)域電子設(shè)備防干擾醫(yī)療儀器保護電磁兼容性電磁干擾設(shè)備產(chǎn)生的電磁噪聲影響其他設(shè)備正常工作電磁抗擾度設(shè)備抵抗外部干擾能力保證正常工作性能測試標準輻射發(fā)射測試傳導(dǎo)發(fā)射測試抗擾度測試靜電場的實驗驗證庫侖定律扭秤測量電荷間力等電位面測量電位計測量點電勢靜電感應(yīng)實驗觀察電荷分布現(xiàn)象電路實驗R=V/I驗證歐姆定律測量電壓電流關(guān)系R?+R?測量電阻串并聯(lián)電路規(guī)律驗證P=VI功率測量驗證電功率計算公式磁場實驗電磁感應(yīng)實驗驗證法拉第定律線圈中移動磁鐵測量自感系數(shù)電流變化產(chǎn)生反電動勢測量互感系數(shù)原線圈電流變化影響副線圈電磁波實驗測量電磁波速度駐波法確定波長和頻率電磁波的偏振偏振片證明電磁波橫波性質(zhì)電磁波反射實驗金屬板反射電磁波干涉與衍射證明電磁波波動性電磁學(xué)中的數(shù)學(xué)工具矢量分析微分方程復(fù)變函數(shù)線性代數(shù)電磁學(xué)與相對論洛倫茲變換不同慣性系間坐標變換電磁場的相對性電場磁場相互轉(zhuǎn)換長度收縮運動物體長度變短時間膨脹運動鐘表走得慢量子電動力學(xué)簡介光電效應(yīng)光子與電子相互作用能量量子化傳遞康普頓散射光子與電子碰撞光子理論電磁場量子化光子作為場量子超導(dǎo)電性零電阻臨界溫度下電阻消失1邁斯納效應(yīng)完全排斥外磁場2約瑟夫森效應(yīng)超導(dǎo)隧道電流3應(yīng)用領(lǐng)域強磁場、精密測量、量子計算4電磁學(xué)前沿研究高溫超導(dǎo)體室溫超導(dǎo)研究拓撲絕緣體表面導(dǎo)電內(nèi)部絕緣特性超材料負折射率人工電磁材料電磁學(xué)與納米技術(shù)納米電子學(xué)量子點和單電子器件納米磁學(xué)自旋電子學(xué)與量子磁性納米存儲超高密度磁存儲技術(shù)電磁學(xué)與等離子體物理1受控核聚變磁約束等離子體裝置2等離子體診斷電磁探測等離子體參數(shù)3等離子體推進電磁加速等離子體噴射電磁學(xué)與天體物理地球磁場地核發(fā)電機效應(yīng)地磁極變化太陽磁場太陽黑子與太陽風(fēng)宇宙電磁現(xiàn)象脈沖星磁場宇宙微波背景輻射電磁學(xué)與粒子物理加速器原理電磁場加速帶電粒子粒