大学物理-电磁学课件.pptx
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- 大学物理 电磁学 课件
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1、 带电体所带电荷的多少用电荷量电荷量或电量电量表示,记为q。单位:库仑(C)。质子或电子所带电荷量的绝对值为最小的电荷量(元电荷量):带电体带电体:正负电荷量的代数和不为零。电中性电中性:正负电荷量的代数和为零。在导体导体中,电荷可以从一个地方自由移动到另一个地方。在绝缘体绝缘体或电介质电介质中,电荷不能从一个地方移动到另一个地方。电荷守恒定律电荷守恒定律:在一个与外界没有电荷交换的系统内,正负电荷的代数和在任何物理过程中保持不变。Ce1910602.12 2、库仑定律、库仑定律 点电荷点电荷:忽略带电体的形状和大小,将所带总电荷量看成集中在一个几何点上。库仑定律库仑定律:在真空中,两个静止点
2、电荷之间相互作用力(常称为库仑力或静电力)的大小与这两个点电荷的电荷量q1和q2的乘积成正比,而与这两个点电荷之间的距离r12的平方成反比,作用力的方向沿着这两个点电荷的连线,同号电荷相斥,异号电荷相吸。其中称为真空介电常数真空介电常数或 真空电容率真空电容率。123122101241rrqqF)/(108542.822120mNC 实验表明:两个静止点电荷之间的相互作用力是独立的,并不会因为第三个点电荷的存在而改变。静电力的叠加原理静电力的叠加原理:当真空中有两个以上的点电荷同时存在时,作用在某个点电荷上的总静电力等于其他各点电荷单独存在时对该点电荷所施静电力的矢量和。8-2 电场电场 电场
3、强度电场强度1 1、电场、电场 近代物理的观点认为:点电荷在其周围空间激发电场电场,该电场对处于其中的任何电荷都有作用力,该作用力称为电场电场(性性)力力。电荷 电场 电荷 相对于观察者静止的电荷所产生的电场,称为静电场静电场;分布随时间变化或运动电荷激发的电场为交变电场交变电场;交变的电场可以激发交变的磁场,交变的磁场又可以激发交变的电场,交变电磁场可以在空间传播,传播速度为光速,交变电磁场甚至可以脱离电荷或 电流而存在。nFFFF0020102 2、电场强度、电场强度 试探电荷试探电荷:尺寸很小、电量q0很少的电荷。实验表明:在空间的同一点,尽管电量q0不同的试探电荷所受的作用力 不同,但
4、比值 却相同,该比值反映了电场在该点的特性,将其定义为该点处的电场强度电场强度,简称场强场强,是一矢量,用 表示:单位为:伏特/米(V/m)。空间不同的点具有不同的电场强度,故电场强度是空间坐标的函数,即 电量为q的电荷处于电场中所受的电场力为:0qFE0qFEF),(zyxEE),(tzyxEqF 3 3、场强的计算、场强的计算(1)点电荷的场强:(2)场强叠加原理 如果电场是由n个点电荷q1,q2,.,qn共同激发的,根据静电力叠加原理:两边除以q0得:按场强的定义,就是:nFFFF0020100000200100qFqFqFqFnnEEEE21rrqE3041 上式表明:点电荷组在空间任
5、一点所激发的总场强等于各 个点电荷单独存在时在该点各自激发的场强的矢量和,这就是 场强叠加原理场强叠加原理。(3)点电荷组的场强 点电荷组各个点电荷在场点P处单独激发的场强分别为:按场强叠加原理,点电荷组在场点P处激发的总场强为:两个等量异号,相距很近的点电荷所组成的点电荷组称为电偶极子电偶极子。称为电偶极矩电偶极矩。利用场强叠加原理可计算出电偶极子轴线的延长线上和中垂线上任一点的场强分别为:nnnnrrqErrqErrqE302320221310114,4,4nnnnrrqrrqrrqEEEE30232021310121444 eerqp 304ypEeB30241xpEeA(4)连续分布电
6、荷的场强 在电荷连续分布的情形下,电荷元dq激发的元场强为:根据场强叠加原理,可用积分代替求和计算出总场强:线分布:电荷线密度 ,总场强面分布:电荷面密度 ,总场强体分布:电荷体密度 ,总场强dldqrrdlE3041dSdqrrdSE3041dVdqrrdVE3041rrdqEd3041dldqdVdqdSdqrrdqEdE3041例例:均匀带电直线线外任一点处的场强。电荷线密度:电荷元:元场强:在x轴和y轴的分量(投影):由几何关系可知:又有于是LqdxLqdxdqrrdxLqEd304sin4sincos4cos2020rdxLqdEdErdxLqdEdEyx,cot)cot(ddxdd
7、dx2csc 222csc ,csc)csc(drddrdLdqdEdLdqdEyxsin4 ,cos400积分得:矢量表达式为:场强的大小为:与x轴的夹角为:若直线为无限长,则 ,于是可见,无限长均匀带电直线线外某点的场强,方向垂直于直线,大小反比于该点到直线的距离。)cos(cos4sin4)sin(sin4cos4210012002121LdqdLdqdEELdqdLdqdEEyyxxjLdqiLdqjEiEEyx)cos(cos4)sin(sin4 21012022yxEEExyEEarctan21 ,0jdE02例例:均匀带电圆盘轴线上一点的场强。电荷元:元场强:和 大小相等,方向相
8、反,两两互相抵消,总场强只有x分量,而)(rddrdSdq2222020)(41 cos41 cosxrxxrrdrdddSdEdExdSSd Ed ydEyEd 2041ddSdEydEyEd 所以矢量表达式为:(1)对无限大均匀带电圆盘,即 ,有这表明,在无限大均匀带电平面一侧,各点场强大小相等,方向都与带电平面垂直。这种大小相等方向相同的电场称为均匀电场均匀电场或匀强电场匀强电场。另一侧也是匀强电场,但电场方向相反。)1(2 12 )()(2124 )(422002200232222002322200|xRxxrxxrxrdxxrrdrdxERRRxixRxiEEx)1(2 220RiE
9、02(2)若xR,利用泰勒级数展开并忽略高次项可得:于是,相当于一个在圆盘圆心处,集中了圆盘所有电荷的点电荷所产生的场强。这表明当所考虑的场点到带电体的距离远大于带电体本身的尺寸时,带电体可看作是一个点电荷。已知电荷分布计算场强的一般步骤已知电荷分布计算场强的一般步骤:先任取电荷元dq,写出dq 在待求点处场强的矢量式,再选取适当的坐标系,将这场强分 别投影到坐标轴上,然后进行积分,最后写出总场强的矢量表 达式,并算出总场强的大小和方向角。在计算过程中,注意利 用电荷分布的对称性。22212222211)1(xRxRxRxixqixRixRE20202202444 4 4、电力线、电力线 电力
10、线电力线上每一点的切线方向与该点处的场强 的方向相同。电力线的密疏与场强的大小相对应。静电场电力线的性质静电场电力线的性质:(1)电力线起自正电荷(或来自无限 远处),终止于负电荷(或伸向 无限远处),不会在没有电荷的 地方中断。(2)电力线不能形成闭合曲线。(3)任何两条电力线不会相交。E 8-3 高斯定理高斯定理1 1、电场强度通量、电场强度通量 在均匀电场中取一面积为S且与电力线垂直的平面,乘积称为通过该面积S的电场强度通量电场强度通量,简称电通量电通量或E通量通量。如果平面的法线单位矢量 与成 角,则电通量为:电通量 取值可正可负。对一般曲面,取一小面元dS,其法线单位矢量为 ,则将称
11、为面元矢量面元矢量,通过该面元的电通量为:ESEneEnnESESEEeScosEnenedSSddSEdSESdEdnEcos通过整个曲面的电通量为:若曲面是闭合曲面闭合曲面,则通过整个闭合曲面的电通量为:对闭合曲面,面元矢量通常取外法向外法向方向,即自内向外的方向为面元矢量的正方向。这样,电力线从曲面之内向外穿出处电通量电力线从曲面之内向外穿出处电通量为正;反之,电力线从外部穿入曲面处电通量为负为正;反之,电力线从外部穿入曲面处电通量为负。2 2、高斯定理、高斯定理 在静电场中,通过任一闭合曲面的电通量等于该曲面在静电场中,通过任一闭合曲面的电通量等于该曲面 所包围所包围的所有电荷电量的所
12、有电荷电量 的代数和除以真空介电常数的代数和除以真空介电常数 ,与闭合曲面,与闭合曲面外的电荷无关外的电荷无关。SSSEEdSESdEdcosSSEdSESdEcosSq0)(01内SiiSqSdE1)通过以点电荷q为球心的同心球面的电通量都等于q/0;点电荷在以其自身为球心的球面上产生的场强为:通过该闭合球面的电通量为:rrqE304020304 4qdSrqSdrrqSdESSSE 2)通过包围点电荷q的任意闭合曲面的电通量都等于q/0;在由点电荷产生的电场中,通过面元dS的电通量为:其中dS为dS在半径为r的球面上的投影(或dS 为dS的边缘与q点的连线在半径为r的球面上截出的面元),d
13、称为dS 或dS对q点所张的立体角立体角。同一面元dS在不同半径的球面上截出的面元对q点所张的立体角相等,即有故通过dS、dS 和dS0的电通量都相等。dqrSdqrrdSqrSdrqSdEdE020303044cos440dS0RdRdSrSd2002 通过包围点电荷q的整个闭合曲面的电通量为:020200200020444 4qRRqRdSqrSdqdSSSEE0R 3)通过不包围点电荷的任意闭合曲面的电通量恒为零;当点电荷q位于闭合曲面S之外时,由于dS1和dS2对q点所张的立体角相等,故通过dS1和dS2的电通量大小相等,但符号相反(通过dS1的电通量为负,通过dS2的电通量为正),代
14、数和为零。通过闭合曲面S的电通量是通过一对对类似dS1和dS2的面元的电通量之和,显然恒等于零。4)多个点电荷的电通量等于它们单独存在时的电通量的代数和。设n个点电荷单独存在时产生的场强分别为 ,按场强叠加原理,总场强为 ,这时,通过电场中任一闭合曲面S的电通量为:设第1个到第k个点电荷位于闭合曲面S内,第k+1个到第n个点电荷位于闭合曲面S外,则nEEEE21nEEE,21 )(212121EnEESnSSSnSESdESdESdESdEEESdE当电荷连续分布时:当闭合曲面内的净电荷为正时,表示有电力线从+q处 发出并穿出闭合曲面;当闭合曲面内的净电荷为负时,表示有电力线穿入闭合曲面并汇集
15、到-q处;当闭合曲面内的净 电荷为零时,表示从某处穿入闭合曲面的电力线又从 另一处穿出闭合曲面,所以,电力线起于正电荷,止于负电荷,不会在没有电荷处中断。闭合曲面外的电荷虽然对通过闭合曲面的总电通量没有贡献,但对闭合曲面上的场强却有贡献,会影响闭合曲面上场强的 分布和大小。在电荷分布具有某种对称性,因而电场分布也具有一定的对称 性时,用高斯定理可方便地求出场强的分布。kSiikEqqqq)(0002011 00内0E0E0E内SSdVSdE01 3 3、高斯定理的应用、高斯定理的应用例例:均匀带电球壳产生的电场。对称性分析:电场强度方向沿矢径方向,同一球面上各点的电场强度的大小相同。因此,取一
16、半径为r的同心球面作为高斯面,按高斯定理:于是 在球内(r R),可得 或 可见:均匀带电球壳外的场强与均匀带电球壳外的场强与 将球壳将球壳 所带电量集中于球所带电量集中于球 心的点电荷产生的场强一样心的点电荷产生的场强一样。例例:无限长均匀带电圆柱体壳产生 的电场。对称性分析:与圆柱轴线距离相等的各点,场强的大小相等,方向垂直柱面呈辐射状。取一半径为r,高度为h的共轴圆柱面作为高斯面,则通过圆柱两底面的电通量为零,按高斯定理有:iiqq204rqErrqE304 在圆柱内(r R),可得于是 8-4 静电场的环路定理静电场的环路定理 电势电势1 1、静电场的环路定理、静电场的环路定理 试探电
17、荷q0在点电荷q产生的电场中移动元位移 ,电场力对q0所作的功为:02iiSSqrhEdSESdEiiq0iihq02hrhErrErE2002 2或l ddrrqqrdlrqql drrqql dEql dFdA20030030004cos44 试探电荷q0从A点移动到B点,电场力所作的总功为:上式表明:在静止点电荷q产生的电场中,电场力对试探电荷q0所作的功与路径无关,只与起点和终点位置有关。若试探电荷q0在点电荷组产生的电场中移动,则其所受电场力为:从A点移动到B点,电场力所作的总功为:)11(4 14002000BArrBABAABrrqqdrrqql dEqdAABAnnEqEqEq
18、EEEqEqF020102100)(BAnoBAoBAoBAABl dEql dEql dEql dFA21 也与路径无关。对电荷连续分布的情形,不难得出相同的结论。这就是说:试探电荷在任何静电场中移动时,电场力所做的功只与试探电荷试探电荷在任何静电场中移动时,电场力所做的功只与试探电荷的大小以及路径的起点和终点的位置有关,而与路径无关的大小以及路径的起点和终点的位置有关,而与路径无关。即静静电场力为保守力,静电场为保守力场电场力为保守力,静电场为保守力场。考察试探电荷在静电场中绕闭合路径L移动一周回到原位置的过程中电场力所作的功:)11(4)11(4)11(4)11(400002202011
19、010iBiAiinBnAnBABArrqqrrqqrrqqrrqqABL0 00000BABAABBALl dEql dEql dEql dEql dEqA1L1L2L2L由于 ,故有称为静电场的环路定理静电场的环路定理。如果静电场的电力线可以形成闭合曲线,则沿该电力线的线积分 ,这与静电场的环路定理矛盾,故静电场的电力线不可能形成闭合曲线。2 2、电势、电势 既然静电力为保守力,作功与路径无关,静电场为保守力场,就可以引进一电势能电势能函数W,它是试探电荷q0的电量和位置(坐标)的函数,定义为:其中WA和WB分别是A点和B点的电势能,而AAB则是试探电荷q0从A点移动到B点的过程中静电场力
20、对试探电荷所作的功。常将无穷远点的电势能选定为零,即 ,于是即静电场中任一点的电势能等于将试探电荷从该点移到无穷远处静电场中任一点的电势能等于将试探电荷从该点移到无穷远处电场力所作的功电场力所作的功。Ll dE000qBAABBAl dEqAWW00WAAAl dEqAW00l dE 电势能与试探电荷的电量有关,不能直接描述电场中某给定点处电场的性质,有鉴于此,定义另一标量函数:它只是位置(坐标)的函数,称为A点的电势电势(电位电位)。按照定义可以看出,静电场中某点的电势在数值上等于单位静电场中某点的电势在数值上等于单位正电荷放在该点处的电势能,也等于单位正电荷从该点经任意路正电荷放在该点处的
21、电势能,也等于单位正电荷从该点经任意路径移到无穷远处电场力所作的功径移到无穷远处电场力所作的功。电势的单位为伏特伏特,符号:V,可取正值或负值。静电场中任意两点A和B的电势差电势差(电位差电位差或电压电压)为:可利用电势差来计算试探电荷q0从A点移到B点的过程中静电力所作的功:AAAl dEqWV0BABAABl dEVVV)(00BAABABVVqVqA 3 3、电势的计算、电势的计算1)点电荷电场的电势 点电荷的电场P点的电势略去下标,可写为2)点电荷组电场的电势 rrqE3041PrPqrPPrPrqrdrql dEVP144020rqrV04)(PnPPnnPnPPPVVVrqrqrq
22、l dEl dEl dEV21020210121 444 电势叠加原理电势叠加原理:在点电荷组的静电场中,某点的电势等于各个点电荷单独存在时在该点激发的电势的代数和。3)连续分布电荷电场的电势 8-5 等势面等势面 电场强度与电势梯度的关系电场强度与电势梯度的关系1 1、等势面、等势面 电势值相等的各点连起来所构成的曲面称为等势面等势面。点电荷电场的等势面是以点电荷为中心的一系列同心球面。等势面与电力线处处正交,电力线的方向指向电势降低的方向。设试探电荷q0在等势面上由P点移动一元位移 到Q点,电场力所作的元功为:另一方面,由于P点和Q点的电势相同,故于是 ,所以rdqVP04l dPQcos
23、0Edll dEqdA0)(0QPVVqdA0cosEdl2/几种带电体的电力线和等势面,实线表示电力线,而虚线表示等势面。2 2、电场强度与电势梯度的关系、电场强度与电势梯度的关系 P1点处电势沿任一方向的空间变化率为:其中 为电势沿法线方向的空间变化率,取值最大。定义P1点处的电势梯度矢量电势梯度矢量为:即电势梯度的方向就是电势空间变化率最大的方向,电势梯度的大小就等于沿法线方向的电势空间变化率。P1点处电场强度 的方向与法线 方向相反,当单位正电荷从电势为V的P1点沿法线方向dll dedndVdndVdldVncosdndVnedndVVEne移动到电势为V+dV的P2点时,电场力对单
24、位正电荷作的功为:于是写为矢量形式 即静电场各点的场强等于该点的电势梯度的负值静电场各点的场强等于该点的电势梯度的负值。在直角坐标系中,类似地,于是 即梯度在直角坐标系中可写成:dVdVVVdnEdneEnn)(dndVEnVedndVEnxVdndViedndViViEEnxcosyVEyzVEzkzVjyVixVkEjEiEEzyx kzVjyVixVV 8-6 带电粒子在静电场中的运动带电粒子在静电场中的运动 设质量为m,电量为q的带电粒子在场强为 的静电场中运动,根据牛顿第二定律,其运动方程(忽略重力)为:下面只考虑带电粒子在匀强电场中的运动,分两种情况:(1)带电粒子的初速度 与匀强
25、电场场强 同向;在恒力 的作用下,带电粒子将沿 方向作匀加速直线运动,加速度的大小为:它移动路程S后速度 的大小可由下式计算:而ES是路程S的起点与终点的电势差V,于是EdtvdmamEqF0vEEqEmqEa vSmqEaSvv22202qVmvmv2022121这表明:带电粒子在静电场中行经电势差为带电粒子在静电场中行经电势差为V的两点后,其动能的的两点后,其动能的增量为增量为qV。实际上,由于静电场作功与路径无关,故不管沿什么路径,只要带电粒子在静电场中行经电势差为V的两点,电场力对其所作的功都是qV,而根据能量守恒定律,电场力所作的功将转换为带电粒子动能的增量。所以,上述结论适用于任何
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