朱衛(wèi)華《大學(xué)物理》電學(xué)課件

電學(xué)概述電學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)重要分支,研究電荷和電磁現(xiàn)象。這些現(xiàn)象在日常生活和技術(shù)應(yīng)用中無(wú)處不在,從發(fā)光二極管到醫(yī)療成像,都離不開電學(xué)的支撐。讓我們一起探索電學(xué)的基本原理和廣泛應(yīng)用。電場(chǎng)電場(chǎng)是由帶電體產(chǎn)生的一種能夠作用于其他帶電體的物理場(chǎng)。它是一種向量場(chǎng),可以描述帶電體之間的相互作用。電場(chǎng)的特點(diǎn)包括力線和等勢(shì)面,反映了電場(chǎng)的空間分布情況。電場(chǎng)強(qiáng)度定義電場(chǎng)強(qiáng)度是描述電場(chǎng)的重要物理量,表示單位電荷在電場(chǎng)中受到的力的大小。用符號(hào)E表示。測(cè)量可以通過測(cè)量帶電粒子在電場(chǎng)中的受力大小來(lái)確定電場(chǎng)強(qiáng)度。電場(chǎng)強(qiáng)度的單位為牛頓每庫(kù)倫(N/C)。計(jì)算根據(jù)庫(kù)侖定律,電場(chǎng)強(qiáng)度等于作用在單位電荷上的力除以該電荷的大小。公式為:E=F/q。特點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度是一個(gè)矢量,既有大小也有方向。其方向指向電場(chǎng)力的方向。電場(chǎng)線電場(chǎng)線是一種描述靜電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的線性圖示。它們顯示了電場(chǎng)的方向和強(qiáng)度,可以幫助我們直觀地了解電場(chǎng)的結(jié)構(gòu)。電場(chǎng)線始于正電荷,終于負(fù)電荷,遵循"自正向負(fù)"的方向。電場(chǎng)線的密度反映了電場(chǎng)強(qiáng)度的大小,密集程度越高說明電場(chǎng)越強(qiáng)。靜電場(chǎng)中的電勢(shì)電勢(shì)概念電勢(shì)是描述靜電場(chǎng)中某一點(diǎn)的電能狀態(tài)，反映了該點(diǎn)的電能水平。通過電勢(shì)的大小可以了解該點(diǎn)受到的電場(chǎng)力的大小和方向。電勢(shì)與電場(chǎng)強(qiáng)度電勢(shì)和電場(chǎng)強(qiáng)度是相互關(guān)聯(lián)的物理量，電勢(shì)沿電場(chǎng)線的方向降低，電場(chǎng)強(qiáng)度的方向指向電勢(shì)降低的方向。電勢(shì)的計(jì)算可以通過電場(chǎng)強(qiáng)度的積分計(jì)算得到電勢(shì)分布，電勢(shì)的變化與電場(chǎng)線的分布有直接關(guān)系。電勢(shì)的計(jì)算1等電位面確定電場(chǎng)強(qiáng)度的方向和大小2高斯定理利用高斯定理計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度3算法步驟分析電場(chǎng)對(duì)稱性,利用公式計(jì)算要計(jì)算電場(chǎng)中任意點(diǎn)的電勢(shì),需要確定等電位面的形狀,并利用高斯定理計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度。通過分析電場(chǎng)的對(duì)稱性,可以選擇合適的公式,循序漸進(jìn)地計(jì)算出電勢(shì)分布。電勢(shì)能電勢(shì)能的定義電勢(shì)能是物體在電場(chǎng)中所具有的能量。它是物體被移動(dòng)到某一點(diǎn)所需要做的功。電勢(shì)能與電勢(shì)的關(guān)系物體在電場(chǎng)中的電勢(shì)能與該點(diǎn)的電勢(shì)成正比。電勢(shì)越高，電勢(shì)能越大。電容器中的電勢(shì)能電容器的電勢(shì)能存儲(chǔ)在其中的電場(chǎng)內(nèi)。電容越大，電勢(shì)能越大。導(dǎo)體中的靜電平衡導(dǎo)體表面電荷分布在靜電場(chǎng)中,導(dǎo)體表面電荷會(huì)均勻分布,內(nèi)部電場(chǎng)為零。這是因?yàn)殡姾蓵?huì)在表面重新排列,直到內(nèi)部電場(chǎng)消失為止。導(dǎo)體中的靜電場(chǎng)線靜電場(chǎng)線垂直于導(dǎo)體表面,進(jìn)入導(dǎo)體內(nèi)部的場(chǎng)線為零。這表明導(dǎo)體內(nèi)部沒有電場(chǎng),電荷僅分布在表面。法拉第籠效應(yīng)由于導(dǎo)體表面電荷的重新分布,可以屏蔽住外部靜電場(chǎng),這就是著名的法拉第籠效應(yīng)。這在電子設(shè)備中有廣泛應(yīng)用。靜電感應(yīng)靜電感應(yīng)是指當(dāng)導(dǎo)體靠近帶電體時(shí)，導(dǎo)體表面會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)電荷的現(xiàn)象。這是由于導(dǎo)體內(nèi)電子的自由移動(dòng)造成的。電荷會(huì)在導(dǎo)體表面重新分布,形成與帶電體相反的電荷。這種現(xiàn)象可用于電容器、靜電發(fā)電機(jī)等多種電子設(shè)備中。電容1存儲(chǔ)電荷電容器可以存儲(chǔ)正負(fù)電荷,用于儲(chǔ)存和調(diào)整電能。2電場(chǎng)能量電容器中存儲(chǔ)的能量取決于其電荷量和電壓差,可以應(yīng)用于各種電路中。3電容的計(jì)算電容值與電極面積、電極間距及介質(zhì)性質(zhì)有關(guān),可以通過公式計(jì)算。4電容器的應(yīng)用電容器被廣泛應(yīng)用于濾波、耦合、濾波、計(jì)時(shí)等電子電路中。電容的計(jì)算公式計(jì)算利用電容的基本公式C=Q/V來(lái)計(jì)算電容的大小,其中C為電容值,Q為電荷量,V為電壓。幾何尺寸對(duì)于特定形狀的電容器,如平板電容器、圓柱體電容器等,可以根據(jù)其幾何尺寸計(jì)算出電容值。測(cè)量?jī)x器使用電容表等儀器可以直接測(cè)量出電容值,這種方法更加精確便捷。電容器的形式平板電容器由兩個(gè)平行的金屬板組成,中間隔有絕緣物質(zhì)。當(dāng)施加電壓時(shí),一塊板上會(huì)積聚正電荷,另一塊板上積聚負(fù)電荷。這種電容器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,應(yīng)用廣泛。球形電容器由兩個(gè)同心的金屬球組成,中間有絕緣物質(zhì)。這種結(jié)構(gòu)有精確的幾何形狀,非常適用于標(biāo)準(zhǔn)電容器。球形電容器的電場(chǎng)分布也較為均勻。圓柱形電容器由一個(gè)內(nèi)圓柱和一個(gè)同軸的外圓柱構(gòu)成,中間填充絕緣物質(zhì)。這種設(shè)計(jì)比平板電容器更加緊湊,適合制作大容量電容器。真空電容器利用真空作為介質(zhì)的電容器。相比使用固體或液體介質(zhì),真空電容器具有更高的絕緣性能和更大的能量密度。電容器的串并聯(lián)1串聯(lián)電容器串聯(lián)電容器的總電容小于任何單個(gè)電容器的電容值。這可用于獲得小電容值或?qū)崿F(xiàn)電壓分壓。2并聯(lián)電容器并聯(lián)電容器的總電容等于所有單個(gè)電容器電容值的總和。這可用于獲得大電容值或?qū)崿F(xiàn)電流分流。3應(yīng)用場(chǎng)景串聯(lián)電容器常用于高壓設(shè)備,并聯(lián)電容器廣泛應(yīng)用于電源濾波、定時(shí)電路等。電流電流是指在導(dǎo)體內(nèi)電荷的定向有序運(yùn)動(dòng)。它是一種矢量量,具有大小和方向。電流的存在需要有電勢(shì)差的驅(qū)動(dòng),并通過導(dǎo)體或其他導(dǎo)電物質(zhì)進(jìn)行流動(dòng)。了解電流的特性和規(guī)律對(duì)于電磁學(xué)和電子學(xué)有著重要意義。電阻電阻的定義電阻是一種電子元件,可以阻礙電流的流動(dòng),使電流產(chǎn)生壓降。它是電路中重要的受動(dòng)元件之一。電阻的種類電阻按材質(zhì)可分為金屬電阻和半導(dǎo)體電阻,按形狀可分為固定電阻和可調(diào)電阻。常見的有碳膜電阻、金屬膜電阻等。電阻的作用限制和控制電路中的電流大小產(chǎn)生電壓降,用于調(diào)節(jié)電壓將電能轉(zhuǎn)換為熱能,用于加熱電阻的計(jì)算1電阻公式電阻值與導(dǎo)體材料、長(zhǎng)度和截面積有關(guān)2電阻率不同材料有不同的電阻率3計(jì)算步驟根據(jù)電阻公式和材料特性計(jì)算電阻值電路中電阻的計(jì)算需要考慮導(dǎo)體的材料、長(zhǎng)度和截面積等因素。通過使用電阻公式并查找材料的電阻率,可以準(zhǔn)確地得出電阻的值。這是理解電路行為和設(shè)計(jì)電路的關(guān)鍵步驟之一。歐姆定律1定義歐姆定律描述了電路中電壓、電流和電阻之間的關(guān)系。它表示電流與電壓成正比,與電阻成反比。2應(yīng)用歐姆定律廣泛應(yīng)用于各種電路分析和設(shè)計(jì)中,是理解電路行為的基礎(chǔ)。3局限性部分材料的電阻并非恒定,而是受溫度、磁場(chǎng)等因素的影響,這違背了歐姆定律的假設(shè)。4重要性歐姆定律為我們理解電路提供了簡(jiǎn)單直觀的理論基礎(chǔ),是電工電子學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。串并聯(lián)電路1串聯(lián)電路在串聯(lián)電路中,電流相同,但電壓會(huì)根據(jù)電阻大小而分布。這種電路通常用于控制電流大小或保護(hù)電子設(shè)備。2并聯(lián)電路在并聯(lián)電路中,電壓相同,但電流會(huì)根據(jù)電阻大小而分布。這種電路通常用于為多個(gè)設(shè)備提供獨(dú)立的電源。3混合電路現(xiàn)實(shí)中的電路往往是串并聯(lián)混合的,這種情況下需要綜合考慮電壓、電流和電阻的關(guān)系。合理設(shè)計(jì)很重要。電功和電功率電功電功是電流做功的能量表示，等于電壓與電荷積的乘積。電功率電功率是單位時(shí)間內(nèi)電路中電能的轉(zhuǎn)換速率，等于電壓與電流的乘積。計(jì)算電功和電功率的計(jì)算公式可以應(yīng)用于各種電路分析中。電能的轉(zhuǎn)換和利用多種轉(zhuǎn)換形式電能可以轉(zhuǎn)換成熱能、光能、機(jī)械能等多種形式,廣泛用于生產(chǎn)生活中。高效利用電能通過合理設(shè)計(jì)和管理,可以提高電能的利用效率,降低能源消耗。節(jié)能減排電能的清潔高效利用有助于減少溫室氣體排放,促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)是一種通過改變磁場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生電場(chǎng)的物理現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在電子設(shè)備和技術(shù)中廣泛應(yīng)用,對(duì)現(xiàn)代電子科技的發(fā)展起到了關(guān)鍵作用。法拉第電磁感應(yīng)定律法拉第實(shí)驗(yàn)過程通過不斷改變磁通量,可以在電磁線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。這就是法拉第電磁感應(yīng)定律的核心原理。數(shù)學(xué)表述法拉第電磁感應(yīng)定律可以用數(shù)學(xué)公式表示為：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于磁通量變化率的負(fù)值。廣泛應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律在發(fā)電機(jī)、變壓器和電磁感應(yīng)式傳感器等設(shè)備中都有廣泛應(yīng)用。自感和互感自感當(dāng)電流在一個(gè)線圈中變化時(shí),會(huì)在此線圈內(nèi)產(chǎn)生誘導(dǎo)電動(dòng)勢(shì),線圈對(duì)自身電流變化的感應(yīng)稱為自感。互感兩個(gè)相互耦合的線圈,一個(gè)線圈中的電流變化會(huì)在另一個(gè)線圈中產(chǎn)生誘導(dǎo)電動(dòng)勢(shì),這種相互感應(yīng)稱為互感。法拉第電磁感應(yīng)定律電磁感應(yīng)現(xiàn)象遵循法拉第電磁感應(yīng)定律,解釋了自感和互感的物理機(jī)制。電磁能量1電磁場(chǎng)的能量密度電磁場(chǎng)中存在著電場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能量，其能量密度可以用電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)表示。2電磁能量的轉(zhuǎn)換電磁能量可以在電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電流之間相互轉(zhuǎn)換，這是電磁學(xué)的基礎(chǔ)之一。3電磁波的能量傳輸電磁波攜帶著能量在空間傳播，這種能量傳輸方式為許多電磁應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。4電磁能量的利用電磁能量在工業(yè)、通信、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,是現(xiàn)代科技發(fā)展的重要?jiǎng)恿Αｋ姶挪姶挪ㄊ怯呻妶?chǎng)和磁場(chǎng)振蕩而產(chǎn)生的能量傳播形式,包括可見光、紅外、紫外、X射線和γ射線等。它們以波的形式在真空或介質(zhì)中傳播,展現(xiàn)出復(fù)雜而廣泛的應(yīng)用。電磁波的產(chǎn)生與傳播1電磁波的產(chǎn)生電磁波由振動(dòng)的電荷產(chǎn)生,當(dāng)電荷加速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)射出電磁波。2電磁波的傳播電磁波以光速在真空中傳播,也可以在其他介質(zhì)中傳播,只是傳播速度會(huì)有所不同。3電磁波的特點(diǎn)電磁波具有波動(dòng)性,包括波長(zhǎng)、頻率、振幅等特征參數(shù),能量以光子的形式傳播。電磁波的產(chǎn)生和傳播遵循麥克斯韋方程組,電磁波的傳播不需要介質(zhì),可以在真空中傳播。電磁波的性質(zhì)波動(dòng)性電磁波具有波動(dòng)的特性,包括波長(zhǎng)、頻率和傳播速度等性質(zhì)。電磁波能夠進(jìn)行干涉、衍射和反射等波動(dòng)現(xiàn)象。電磁特性電磁波由電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互垂直的振蕩組成,兩者相互依存,形成電磁振蕩。電磁波能夠在真空中以光速傳播。能量傳遞電磁波能夠攜帶能量,并以能量流的形式在空間傳播。電磁波的能量與波幅平方成正比,可以用波動(dòng)功率表示。偏振性電磁波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)振蕩方向可以是任意的,這種振蕩方向的特性稱為電磁波的偏振狀態(tài)。電磁波的應(yīng)用通信與廣播電磁波在無(wú)線電通信、電視廣播、衛(wèi)星通訊等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,是現(xiàn)代社會(huì)信息傳輸?shù)幕A(chǔ)。醫(yī)療診斷X射線和微波可用于醫(yī)療成像和治療,如CT掃描、核磁共振成像等技術(shù)。軍事用途雷達(dá)、紅外線導(dǎo)彈等軍事系統(tǒng)依賴電磁波技術(shù)來(lái)探測(cè)、定位和制導(dǎo)目標(biāo)。能源交互微波可用于無(wú)線能量傳輸,在太陽(yáng)能電站和電動(dòng)車充電等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。電磁波與生活日常生活應(yīng)用電磁波在我們?nèi)粘Ｉ钪袩o(wú)處不在。從廣播電視、手機(jī)通訊到無(wú)線網(wǎng)絡(luò),電磁波都在發(fā)揮著重要作用,讓我們的生活更加便捷。醫(yī)療診斷電磁波在醫(yī)療領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用,如X光機(jī)、CT掃描儀和核磁共振成像等,幫助醫(yī)生診斷各種疾病?？茖W(xué)研究天文觀測(cè)、材料分析、粒子物理研究等都離不開電磁波?？茖W(xué)家們利用電磁波深入探索未知領(lǐng)域,推動(dòng)科學(xué)事業(yè)發(fā)展。安全保障電磁波還廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、國(guó)防安全等領(lǐng)域,如雷達(dá)、通信系統(tǒng)等,為我們的生活和國(guó)家安全提供保障。發(fā)展電磁學(xué)的歷程19世紀(jì)初法拉第等科學(xué)家進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究,揭示了電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律。1864年麥克斯韋提出電磁場(chǎng)理論,為電磁學(xué)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。20世紀(jì)初愛因斯坦提出狹義相對(duì)論,揭示了時(shí)空和電磁場(chǎng)的本質(zhì)聯(lián)系。2