最新中科大电磁学课件--第三章教学讲义PPT

第三章静电能§3.1 真空中点电荷间的相互作用能§3.2 连续电荷分布的静电能§3.3 电荷体系在外电场中的静电能§3.4 电场的能量和能量密度§3.5 非线性介质及电滞损耗§3.6 利用静电能求静电力能量的基本概念一、引入的目的：1. 能量是物质的共同属性;2. 能量是物质运动的普遍量度;3. 便于研究不同形式能量的转换。

二、特点：1. 是状态的单值函数, 属于整个系统;2. 能量差才有意义;3. 用做功来量度能量。

三、描述的方法：要引入状态参量，规定零点能，然后用做功来计算能量。

对一个带电系统而言，其带电过程总伴随着电荷相对运动。

在这个过程中，外力必须克服电荷间的相互作用而作功。

外界作功所消耗的能量将转换为带电系统的能量，该能量定义为带电系统的静电能。

显然，静电能应由系统的电荷分布决定。

点电荷在外电场中的电势能就是静电能。

定义§3.1 真空中点电荷间的相互作用能设想空间中有多个点电荷, 其带电量用q i 表示, 相应的位置用ri表示, 任意两个点电荷间的距离可以由rij=|rij|=|ri-rj|给出,所谓点电荷之间的相互作用能，指的是与点电荷间的相对位置有关的静电能。

状态量取为rij（i, j = 1,2,…,N），时，它们之间的静电相互作用消失，很自然地取这时的相互作用能为零。

我们用一种类似于数学归纳法的办法来计算由N个点电荷组成的静电体系的静电能.ijr→∞一个点电荷q在电场U中的电势能W=qU当两个点电荷12212,4W q U r πε==W=3122113312332 2,24N i i i ji W q U U U rπε===∑∑∑其中§意味着电场空间中只允许导体和介电常量恒等元，ρ= a。

可求得电荷密度为、半径为a的均匀带电e2. 为荷元，它在自身产生的电势不会大于σ()dS σr3. 线电荷分布的情况1()()e W l U l dl λ=∫或11()()e e W l U l dl λ=∫N个带电体，体积分别为间的总电势U(r)分为两部分可写成：其中，例3.1]球的静电能（带电体的介电常量设为[解]0θϕ5. 对带电导体导体的特点是势体。

大学物理电磁学PPT课件•电磁学基本概念与定律•静电场与高斯定理•恒定电流与磁场目录•电磁感应与交流电路•电磁波辐射与传播•电磁学实验方法与技巧电磁学基本概念与定律电荷的基本性质电场的概念电场的描述电场强度与电势电流的形成磁场的概念磁场的描述磁场对电流的作用电磁感应现象楞次定律互感与自感法拉第电磁感应定律电磁感应定律电磁波及其传播电磁波的产生01电磁波的性质02电磁波的应用03静电场与高斯定理静电场基本概念静电场静止电荷周围空间存在的一种特殊形态的物质，对放入其中的电荷有力的作用。

电场强度描述电场强弱的物理量，与试探电荷无关，反映电场本身的性质。

电势描述电场中某点电势能的物理量，与零电势点的选取有关。

电场线与电通量电场线电通量描述电场中穿过某一曲面的电场线条数的物理量，反映该曲面与电场的相对关系。

高斯定理及其应用高斯定理应用静电场中导体与绝缘体导体绝缘体导体与绝缘体的区别恒定电流与磁场电流的定义恒定电流电阻和电阻率030201恒定电流基本概念磁场线与磁通量磁场线磁通量磁感应强度安培环路定律和毕奥-萨伐尔定律安培环路定律毕奥-萨伐尔定律应用举例磁场对电流作用力和霍尔效应磁场对电流的作用力霍尔效应应用举例电磁感应与交流电路电磁感应定律和楞次定律电磁感应定律楞次定律动生和感生电动势动生电动势感生电动势自感和互感现象自感现象互感现象交流电路基本概念及分析方法交流电路基本概念交流电路是指电流、电压和电动势的大小和方向都随时间作周期性变化的电路。

与交流电相对应的是直流电，其电流、电压和电动势的大小和方向均不随时间变化。

交流电路分析方法交流电路的分析方法主要包括相量法、复数表示法、有效值法等。

其中，相量法是一种将正弦量表示为复数形式的方法，可以简化交流电路的计算和分析；复数表示法则是将正弦量表示为实部和虚部的形式，便于进行加减运算；有效值法则是将交流电的有效值与直流电进行等效替换，从而简化计算过程。

电磁波辐射与传播电磁波是由变化的电场和磁场相互激发而形成的，具有波动性和粒子性。

4A的(图3-1a)。

这种电流叫做感应电流。

图3-151.1电磁感应现象当磁棒插在线圈内不动时,电流计的指针就不再偏转,这时线圈中没有感应电流。

再把磁棒从线圈内拔出,在拔出的过程中,电流计指针又发生偏转,偏转的方向与插入磁棒时相反,这表明感应电流与前面相反(图3-1b)。

在实验中，磁棒插入或拔出的速度越快，电流计指针偏转的角度就越大，就是说感应电流越大。

如果保持磁棒静止，使线圈相对磁棒运动，那么可以观察到同样的现象。

图3-1电磁感应现象在上一章中曾经说过，一个通电线圈和一根磁棒相当。

那么,使通电线圈和另一个线圈作相对运动，是否也会产生感应电流呢？这需要通图3-171.1电磁感应现象实验二如图3-2，另一个线圈A ’与直流电源相连。

用这个通电线圈A ’代替磁棒重复上面的实验，可以观察到同样的现象。

在通电线圈A ’和线圈A 相对运动的过程中，线圈A 中产生感应电流；相对运动的速度越快，感应电流越大；相对运动的方向不同(插入或拔出)感应电流的方向也不同。

图3-2电磁感应现象如图3-3，把线圈A ’跟开关K和直流电源插在线圈A 内。

图3-291.1电磁感应现象在这个实验里，线圈A ’和线圈A 之间并没有相对运动。

这个实验和前两个实验的共同点是，在实验中线圈所在处的磁场发生了变化。

A 图3-3如果用一个可变电阻代替开关K ，那么当调节可变电阻一改变线圈A ’中电流强度的时候，同样可以看到电流计的指针发生偏转,即线圈A 中产生感应电流。

调节可变电阻的动作越快,线圈中的感应电流就越大。

101.1电磁感应现象在前两个实验中，是通过相对运动使线圈A 处的磁场发生变化的；在这个实验中，是通过调节线圈A ’中的电流(即激发磁场的电流)使线圈A 处的磁场发生变化的。

因此,综合这三个实验就可以认识到：不管用什么方法,只要使线圈A处的磁场发生变化,线圈A 中就会产生感应电流。

这样的认识是否完全了呢？我们再观察一个实验。

A图3-3如图3-4，把接有电流计的导体图3-4边滑动时，线框所边的移动只是使线框的面积由此可见，把感应电流的起因从直接引起的效果看，磁场的变图3-4实验四的结论：把感应电流的起因只归结成磁场2内穿过回路的磁通量的变化是1.0m/s.求线框中感应电动势的大小。