电磁学通论教学PPT（共8章）Chapter1静电场.pptxVIP

电磁学通论 电磁学课程导言 电磁学历史纪要经典电磁学理论2. 本课程的篇章结构第1章 静电场 第2章 静电场中的导体和电介质 第3章 恒定电流场直流电路 第4章 恒定磁场第5章 磁介质第6章 电磁感应第7章 交流电路第8章 麦克斯韦电磁理论3. 面对一种新的研究对象 ——空间分布的矢量场 作为电磁学理论研究的主要对象电场与磁场，是一种空间分布的矢量场，表示为 和 ，与先前学习过的力学研究对象是离散的质点或质点组或刚体相比较，它们是一种崭新的客体。 图0.1 两个典型的电场和磁场的空间图象 研究矢量场的理论目标，就是揭示该矢量场这9个变元的内在关系，从而由空间一处的场导出另一处的场。这反映在数学上：对应的微分方程为通量定理 环路定理 散度方程 旋度方程 对于磁场 我们依然去探求：4. 经典电磁学系宏观电磁学经典电磁学属于宏观电磁学，相对于量子电动力学而言 我们知道，带电体上荷电均来自组成物质的分子和原子内部的电性. 原子和分子的尺度为纳米 nm 量级. 故以 nm 尺度来审视，物质的荷电量是离散的不连续的.在经典电磁学中，在论述带电状态时，一直采用电荷连续分布的概念，这是怎么回事？宏观电磁学的一层含义，即，在宏观尺度上考量物质的荷电状态，相应地采用体电荷分布，面电荷分布等术语给予描述.宏观电磁学的另一层含义与带电粒子的波粒二象性相关电磁学要研究的基本问题有两方面研究电荷电流产生电磁场的规律研究电荷电流所受电磁力的规律及其运动的规律 对于电子这类轻粒子，当其运动范围在宏观尺度，比如 米量级，则其波动性是次要的，而粒子性是显要的，其行为可以用经典粒子的语言描述之 电磁场和电磁波，当其存在于宏观尺度的空间范围，则其粒子性即其光子性是次要的，而波动性是显要的，其行为可以用经典波动的语言描述之。总之，宏观电磁学采用经典粒子概念，来考量带电粒子在电磁场中的运动；采用经典波场概念，去看待电磁场和电磁波. 第1章 静电场本章概述由库仑定律得到点电荷的静电场，并将它选定为一般静电场的基元场；基于这基元场和场强叠加原理，确立了静电场的通量定理和环路定理，以及相应的静电场散度方程和旋度方程；求解了一系列典型电荷分布时的空间场强分布和电势分布，特别关注这些典型结果所显示的静电场的种种个性。本章最后，饶有兴趣地讨论了余弦型球面电荷的电场，由其内部的均匀场，应用静电场边值关系导出其外部为偶极场；本章是电磁场通论的首章，从中不仅学习到静电场的基本规律和众多典型结果，而且感悟到与场打交道时，应当具备的认识眼光、分析能力和相应的数理方法。1.1 物质的电性■ 物质的电性 电中性概念 ■ 几种起电方式物质的电性 电中性概念宏观物质的电性源于微观上原子的电性原子核带正电，其电量; 核外电子带负电，其电量; Z 为原子序数，只能取整数值e 为基元电量，一个电子的荷电量整个原子是电中性的，即： 物质，亦即电磁学中常说的介质，它是由大量的原子按一定秩序或规则凝聚而成的。以宏观的眼光看，在体积元 ΔV 中，含有正电量 Δq+ ，且含负电量 Δq- . 不妨在此引入体电荷密度 ρ + ， ρ - 来描述 ΔV 处介质的电性，若 (ρ + + ρ -)=0 ，呈电中性;若 (ρ + + ρ -)≠0 ，电中性遭到破坏，呈带电状态或荷电性.体积元 ΔV ，可以取在介质体内，也可以推移至介质表面层，宏观电磁学忽略这 nm 尺度的表面层厚度，随之以面电荷密度 替代体电荷密度 ρ ，来描述介质表面的带电状态.几种起电方式凡使物体或介质不再维持电中性而带电的手段，统称为起电. 摩擦起电——摩擦双方电子交换的不对等导体感应起电——自由电荷的重新分布介质极化起电——束缚电荷的有序取向空间电荷——不依附于导体或介质1.2 库仑定律■ 库仑定律 ■ 对库仑定律的进一步阐释■ 库仑定律成立条件和适用范围 ■ 四个重要物理常数库仑定律库仑扭秤实验装置 F12 ∝ q1, q2 ，与电量成正比； F12 ∝ 1 ∕ r2 ，与距离平方成反比——平方反比律； F12 ∕∕ r12，当 q1, q2 同号，即同号电荷相斥 F12 ∕∕ (- r12 )，当 q1, q2 异号，即异号电荷相吸.这些关系被概括为一个表达式，即库仑定律的数学表达式为在MKSA制中，库仑定律的表达式写成以下形式：，即在比例常数中竟引入一个无理数 π ，一时令人费解. 也许现今凭借电脑的巨大运算能力，人们对含 π 的数值演算也并不发怵了；若是联想到圆周长为 2πR ，圆面积为 πR2 ，球面积为 4πR2 ，闭合面对其内一点的立体角为 4π ，也许在与这些几何量相关的电学问题中，可能出现消 π 的结果. 称为真空介电常数或真空电容率，对