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文檔簡(jiǎn)介
1、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)課 題 名 稱 電場(chǎng)與磁場(chǎng)的比較研究 學(xué) 生 姓 名 馬南茂 學(xué) 號(hào) 1040803047 系、年級(jí)專業(yè) 理學(xué)與信息科學(xué)系 2010級(jí)物理學(xué) 指 導(dǎo) 教 師 朱湘柱 職 稱 教 授 2013年 5 月 23 日電場(chǎng)與磁場(chǎng)的比較研究邵陽(yáng)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)系2010級(jí)物理學(xué)專業(yè) 馬南茂指導(dǎo)老師:朱湘柱摘 要本文從理論的角度出發(fā),結(jié)合一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)手段,對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行研究并得出一些基本的電場(chǎng)性質(zhì),然后參照電場(chǎng)研究方法進(jìn)而對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行研究也得出磁場(chǎng)的基本性質(zhì)。最后比較兩者的基本性質(zhì),總結(jié)出它們的規(guī)律和聯(lián)系。電場(chǎng)理論研究部分以電場(chǎng)的基本性質(zhì)為主要內(nèi)容,并介紹電場(chǎng)的出現(xiàn)過(guò)程以及學(xué)生認(rèn)識(shí)電場(chǎng)的過(guò)程
2、。磁場(chǎng)理論研究過(guò)程參考電場(chǎng)的研究方法和電場(chǎng)的規(guī)律來(lái)得出磁場(chǎng)基本理論,第三部分內(nèi)容為研究電場(chǎng)和磁場(chǎng)的聯(lián)系,比較二者的一些性質(zhì),并提出電磁波的概念。全文的實(shí)驗(yàn)部分主要是電場(chǎng)線的模擬實(shí)驗(yàn)、通電直導(dǎo)線產(chǎn)生磁場(chǎng)的分布。 關(guān)鍵字 電場(chǎng)強(qiáng)度;磁感應(yīng)強(qiáng)度;電場(chǎng)線;磁感應(yīng)線;電生磁;磁生電;電磁波Abstract From the theoretical point of view, combined with some simple experimental means of an electric field to study and draw some basic properties of t
3、he electric field, and then refer to the electric field research methods to study the magnetic field and thus have come to the basic nature of the magnetic field. Finally, we compare two of the fundamental nature of the law, and summed up their contact. Theoretical research in the basic nature of th
4、e electric field of the electric field as the main content, and describes the process of the electric field and the emergence students understand the process of the electric field. Theoretical study law field reference electric field research methods to derive the magnetic field and electric field o
5、f the basic theory, the third part of the contents of the study contact electric and magnetic fields, and some properties of comparison between the two, and put forward the concept of electromagnetic waves. Experimental simulation mainly full text field lines, the power distribution of the straight
6、wire to produce a magnetic field, the closing coil current magnetic field generated by the cutting direction.Key words Electric field strength; magnetic induction; field lines; magnetic flux lines; electric magnetism; magnetic raw power; electromagnetic 目 錄中文摘要英文摘要1 引言12 電場(chǎng)的概念與認(rèn)識(shí)12.1 電場(chǎng)的認(rèn)識(shí)過(guò)程12.2 電場(chǎng)的
7、定義12.3 電場(chǎng)的基本屬性 23 磁場(chǎng)的概念與認(rèn)識(shí) 53.1 磁場(chǎng)的認(rèn)識(shí)過(guò)程 53.2 磁場(chǎng)的定義53.3 磁場(chǎng)的基本屬性 64 電磁場(chǎng)的比較74.1電場(chǎng)和磁場(chǎng)基本性質(zhì)的比較74.2 電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互激發(fā)84.3電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互激發(fā)的傳播-電磁波 11參考文獻(xiàn):12致謝 131 引言人類對(duì)電磁現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)、研究以至應(yīng)用,經(jīng)歷了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期。開始在很長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)僅僅停留在電磁現(xiàn)象的觀察上.如磁現(xiàn)象的觀察,早在我國(guó)古代(呂氏春秋)里就有“磁石召鐵”的記載,在(論衡)中就有“司南之勺,投之于地,其柢指南”的關(guān)于指南針的記載。而磁現(xiàn)象的應(yīng)用也早在1199年,北宋一書(萍洲可談)就記載了指南針最早用于
8、導(dǎo)航的文字記錄,它比西方最早指南針用于導(dǎo)航的文字記錄早70年。靜電現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)比較晚點(diǎn),因?yàn)槿藗円恢睕](méi)有找到一種恰當(dāng)?shù)姆绞絹?lái)產(chǎn)生穩(wěn)定的靜電場(chǎng)以及對(duì)它的測(cè)量。直到1660年蓋里克發(fā)明了摩擦起電機(jī),才有可能對(duì)電現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)的研究,從此人類才開始對(duì)電現(xiàn)象有初步的認(rèn)識(shí)。電荷發(fā)現(xiàn)后才提出來(lái)這種看不見摸不著但又實(shí)際存在的東西-電。在現(xiàn)代電場(chǎng)和磁場(chǎng)研究的基礎(chǔ)上結(jié)合人類發(fā)現(xiàn)電磁場(chǎng)的過(guò)程總結(jié)出一些最常用的研究方法,對(duì)電磁場(chǎng)做一系統(tǒng)的闡述。2 電場(chǎng)的概念與認(rèn)識(shí)2.1 電場(chǎng)的認(rèn)識(shí)過(guò)程在中學(xué)學(xué)習(xí)物理的時(shí)候,是先接觸電荷,然后是一些電荷之間的作用-庫(kù)倫力。由于在一個(gè)存在電荷的空間中,用試探電荷放在其中的位置能產(chǎn)生力-庫(kù)侖
9、力,因此提出了電場(chǎng)這個(gè)概念,即在電荷周圍存在一種特殊的物質(zhì),它能使放入周圍的電荷有力的作用。這種對(duì)電場(chǎng)的提出和認(rèn)識(shí)也指出了電荷之間的作用力是通過(guò)電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的,就是一個(gè)電荷產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng),對(duì)另一個(gè)放入電場(chǎng)中的電荷有力的作用。其實(shí)人類在探究電場(chǎng)的時(shí)候,也許就是在這么一些情況下發(fā)現(xiàn)的。隨著電場(chǎng)研究的深入,人們之后又發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生電場(chǎng)不一定要有電荷,變化的磁場(chǎng)周圍也存在電場(chǎng),這是英國(guó)物理學(xué)家“麥克斯韋”在系統(tǒng)總結(jié)電磁場(chǎng)的規(guī)律后首先提出后經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)而發(fā)現(xiàn)的。這個(gè)發(fā)現(xiàn)是物理領(lǐng)域中的重大發(fā)現(xiàn),它給人類帶來(lái)了現(xiàn)代文明.因?yàn)榇派?,電生磁,兩者相互激發(fā),由近及遠(yuǎn)地傳播而形成電磁波,這些重要的發(fā)現(xiàn)引領(lǐng)人類進(jìn)入信息與電氣化時(shí)
10、代。2.2 電場(chǎng)的定義電場(chǎng)是由電荷或變化磁場(chǎng)在周圍空間里而產(chǎn)生,它是一種特殊物質(zhì)。電場(chǎng)這種物質(zhì)與通常的實(shí)物不同,它不是由分子原子所組成,但它是客觀存在的。電場(chǎng)具有與實(shí)物一樣的基本屬性,電場(chǎng)對(duì)放入其中的電荷有作用力,這種力稱為電場(chǎng)力。電場(chǎng)(強(qiáng)度)的定義就用物理量E=F/q,即單位電荷所受到的電場(chǎng)力來(lái)定義。使用法拉第電場(chǎng)線的概念,電場(chǎng)(強(qiáng)度)E=N/S,即單面積上垂直穿過(guò)的電場(chǎng)線的條數(shù)來(lái)定義。2.3 電場(chǎng)的基本屬性2.3.1 電場(chǎng)的描述電場(chǎng)的強(qiáng)弱用電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)描述,符號(hào)是E,電場(chǎng)強(qiáng)度簡(jiǎn)稱場(chǎng)強(qiáng)。電場(chǎng)的描述有兩種觀點(diǎn),第一種是力學(xué)的觀點(diǎn),即從電荷受力的大小或電場(chǎng)線的條數(shù)去描述場(chǎng)的強(qiáng)弱,即單位電荷所受到的
11、電場(chǎng)力E=F/q或單面積上垂直穿過(guò)的電場(chǎng)線的條數(shù)E=N/S來(lái)描述;第二種是能量的觀點(diǎn),即從電場(chǎng)對(duì)電荷因受力移動(dòng)而做功去描述場(chǎng)。電場(chǎng)是一個(gè)矢量場(chǎng),其方向?yàn)檎姾伤茈妶?chǎng)力方向,與負(fù)電荷所受電場(chǎng)力方向相反。2.3.2 電場(chǎng)力的性質(zhì)我們知道兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的作用力是通過(guò)電場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,其中一個(gè)點(diǎn)電荷是在另一個(gè)點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)中你受到了一個(gè)電場(chǎng)力,這種現(xiàn)象體現(xiàn)了電場(chǎng)力的性質(zhì)。兩個(gè)點(diǎn)電荷的作用力通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到為:這是在真空中的條件下才成立的。帶電體受到的電場(chǎng)力是帶電體中各部分收到的力的合力,對(duì)于點(diǎn)電荷而言,就等于這點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)和電荷量的乘積,即在真空中的任意靜電場(chǎng)中,通過(guò)任意閉合曲面的電通量等于這個(gè)閉合曲面所包圍
12、的電荷的代數(shù)和乘以0的倒數(shù),這就是電場(chǎng)的高斯定理。應(yīng)用微積分表達(dá)出來(lái)就是:這個(gè)定律刻劃了靜電場(chǎng)的一個(gè)基本性質(zhì),說(shuō)明電場(chǎng)是有源場(chǎng)。從而深刻的表明了電場(chǎng)不能無(wú)中生有,也不會(huì)自生自滅,它和電荷具有不可分割的關(guān)系。跟物體在重力場(chǎng)中移動(dòng)過(guò)程中重力做功一樣,電荷在電場(chǎng)中移動(dòng)時(shí)電場(chǎng)力做功。電荷在靜電場(chǎng)中從一點(diǎn)移到另一點(diǎn)時(shí),電場(chǎng)力的功的值只跟始末兩點(diǎn)的位置有關(guān),而和所經(jīng)過(guò)的路徑的形狀完全無(wú)關(guān)如果電荷在靜電場(chǎng)中的某點(diǎn)出發(fā)沿任意閉合路徑又回到原出發(fā)點(diǎn)(即始末兩點(diǎn),在同一位置),電場(chǎng)力所做的功等于零。由于電場(chǎng)力和電場(chǎng)都有這種特點(diǎn),因此電場(chǎng)力和電場(chǎng)稱為保守力和保守場(chǎng)用靜電場(chǎng)的安培環(huán)路定理表示如下: 2.3.3 電場(chǎng)能
13、的性質(zhì) 在電場(chǎng)中,如果我們把一個(gè)帶電體在其中移動(dòng),首先我們知道帶電體會(huì)受到力的作用,然后我們也會(huì)知道這個(gè)電場(chǎng)力可能會(huì)做了功(帶電體不是在等勢(shì)面運(yùn)動(dòng)的情況下),或者我們把一個(gè)帶電體放入電場(chǎng)中,這個(gè)電荷會(huì)在電場(chǎng)力的作用下運(yùn)動(dòng),從而讓帶電體有了動(dòng)能。綜合上許我們知道了電場(chǎng)具有能的性質(zhì)。為了更好的研究電場(chǎng)能的性質(zhì),我們引入了以下幾個(gè)物理量: 電勢(shì)A:電場(chǎng)中某點(diǎn)的電勢(shì),等于單位正電荷由該點(diǎn)移動(dòng)到參考點(diǎn)(零電勢(shì)點(diǎn))時(shí)電場(chǎng)力所做的功(也可以是帶電體從該點(diǎn)移動(dòng)到參考點(diǎn)所做的功和帶電體帶點(diǎn)量的比值)。表達(dá)式:A=Ep/q 單位:伏特(V) 電勢(shì)是標(biāo)量,正負(fù)表示這個(gè)點(diǎn)比零電勢(shì)高還是低。電勢(shì)差UAB:試探電荷在電場(chǎng)
14、中從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)電場(chǎng)力所做的功和試探電荷的帶點(diǎn)量比值(也可以是單位正電荷由A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)電場(chǎng)力所做的功)。由定義知道電勢(shì)差UAB和試探電荷的帶點(diǎn)量沒(méi)有關(guān)系,因?yàn)樵囂诫姾稍酱?,所做的功就越大,但是功和電荷量比值不?huì)變。所以電勢(shì)差反映的是電場(chǎng)中一點(diǎn)到另一點(diǎn)之間能的性質(zhì)。表達(dá)式:或者(即A點(diǎn)電勢(shì)減去B點(diǎn)電勢(shì))電勢(shì)差跟電勢(shì)一樣也是標(biāo)量,正負(fù)也只表示A點(diǎn)比B點(diǎn)的電勢(shì)高或者低。上述中的電勢(shì)是電場(chǎng)和試探電荷之間所具有的能量,那么單獨(dú)研究電場(chǎng)時(shí),電場(chǎng)會(huì)不會(huì)就具有能量呢?電場(chǎng)分靜電場(chǎng)和變化電場(chǎng),我們先來(lái)研究靜電場(chǎng)的能量,如下是平板電容器的性質(zhì),我們通過(guò)分析它來(lái)理解靜電場(chǎng)的能量:電場(chǎng)差與電場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系:(1)場(chǎng)
15、強(qiáng)方向是電勢(shì)降低最快的方向(2)均勻電場(chǎng)中,場(chǎng)強(qiáng)方向上的兩點(diǎn)間的電勢(shì)差等于場(chǎng)強(qiáng)和這兩點(diǎn)間距離的乘積U=Ed平板電容器由兩個(gè)彼此靠得很近的平行極板(設(shè)為A和B)所組成,兩極板的面積均為S,設(shè)兩極板分別帶有+Q,-Q的電荷,于是每塊極板的電荷密度為 忽略極板的邊緣效應(yīng),把兩極板間的電場(chǎng)看成是均勻電場(chǎng),由高斯定理可得兩板間場(chǎng)強(qiáng)為: 再由: 再根據(jù):得出:平板電容器之間產(chǎn)生均勻的靜電場(chǎng),這點(diǎn)我們毋庸置疑。那么這個(gè)靜電場(chǎng)是否具有能量了,我們從這個(gè)平板電容器的產(chǎn)生來(lái)分析。平板電容器是由兩塊大小相等的金屬板構(gòu)成,開始時(shí)我們不讓金屬板帶電,然后我們給金屬板充電,使它們擁有電量相等的正負(fù)電荷,這個(gè)過(guò)程是需要做功
16、的。那么所做的功哪里去了呢?(除了充電過(guò)程中電路的產(chǎn)熱損耗,絕大部分能量是被轉(zhuǎn)化成其他形式的能量),其實(shí)這部分能量轉(zhuǎn)化成了電場(chǎng)能,因?yàn)橐胱寖蓚€(gè)金屬板回到?jīng)]帶電的狀態(tài)需要電荷的轉(zhuǎn)移,而電荷轉(zhuǎn)移就產(chǎn)生電流,進(jìn)而產(chǎn)生能量。因此靜電場(chǎng)具有能的性質(zhì)。變化電場(chǎng)(以非均勻變化來(lái)講)的是否具有能量需要知道后面所說(shuō)的電磁場(chǎng)的相互激發(fā)。后面在說(shuō)磁場(chǎng)能量時(shí)也會(huì)提到,就是變化的電場(chǎng)激發(fā)變化的磁場(chǎng),變化的磁場(chǎng)又反過(guò)來(lái)激發(fā)變化的電場(chǎng),這也就是后面所有的電磁波。而電磁波是具有能量的,因此變化電場(chǎng)也具有能量。2.3.4 電場(chǎng)線 等勢(shì)面 人類在研究點(diǎn)電荷電場(chǎng)強(qiáng)度的時(shí)候,就認(rèn)識(shí)到點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)中所有點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度呈現(xiàn)出一定的規(guī)
17、律,而這種規(guī)律對(duì)與我們研究電場(chǎng)有非常大的作用,因此為了更好的研究這種規(guī)律,我們引進(jìn)電場(chǎng)線,還有等勢(shì)面。 電場(chǎng)線:如果在電場(chǎng)中畫出一些曲線,使曲線上每一點(diǎn)的切線方向都跟該點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)方向一致,這樣的曲線就叫做電場(chǎng)線。曲線的密疏表示該點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的大小。電場(chǎng)線的特點(diǎn):1,能反映場(chǎng)強(qiáng)的大小和方向;2,始于正電荷或無(wú)窮遠(yuǎn)處,終于負(fù)電荷或無(wú)窮遠(yuǎn)處,但不閉合。3,電場(chǎng)中的任意兩條電場(chǎng)線都不相交(或相切)。4,電場(chǎng)線和帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡是兩回事。 等勢(shì)面:電場(chǎng)中電勢(shì)相等的點(diǎn)構(gòu)成的面。等勢(shì)面的特點(diǎn):1,同一等勢(shì)面上的任意兩點(diǎn)間移動(dòng)電荷電場(chǎng)力不做功。2,等勢(shì)面一定跟電場(chǎng)線垂直。(帶電體在同一等勢(shì)面上移動(dòng),由于電勢(shì)差為零,
18、因此電場(chǎng)力不做功,要想電場(chǎng)力不做功,帶電體移動(dòng)方向必須和電場(chǎng)力(電場(chǎng)線)垂直)3,等勢(shì)面密的地方電場(chǎng)強(qiáng) 電場(chǎng)線和等勢(shì)面的關(guān)系:1.等勢(shì)面一定與電場(chǎng)線垂直(等勢(shì)面跟場(chǎng)強(qiáng)的方向垂直)2.電場(chǎng)線總是從電勢(shì)較高的等勢(shì)面指向電勢(shì)較低的等勢(shì)面。(帶正電的物理從電勢(shì)高的等勢(shì)面到電勢(shì)較低的等勢(shì)面,電場(chǎng)力做正功,所以這個(gè)正電荷的電場(chǎng)力是指向較低等勢(shì)面的,而正電荷的電場(chǎng)力方向就是電場(chǎng)線的方向,所以電場(chǎng)線也是指向較低等勢(shì)面的)電場(chǎng)線的模擬實(shí)驗(yàn):實(shí)驗(yàn)設(shè)備:起電機(jī) ;頭發(fā);電極;玻璃器皿:花生油;導(dǎo)線實(shí)驗(yàn)過(guò)程:在玻璃器皿中倒入花生油,然后把碎頭發(fā)倒入玻璃器皿中,然后在玻璃器皿中央垂直放上電極,電極連接上起電機(jī)一端。當(dāng)我
19、們轉(zhuǎn)動(dòng)起電機(jī)后,電極帶上了電(看連接起電機(jī)哪一端,可能是正電或者是負(fù)電),帶電的電極會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),對(duì)放入其中的碎頭發(fā)產(chǎn)生力的作用(碎頭發(fā)上的電荷會(huì)移動(dòng)到一端),最終碎頭發(fā)的指向?yàn)殡妶?chǎng)方向。實(shí)驗(yàn)效果圖參考下圖(圖為互聯(lián)網(wǎng)下載)3 磁場(chǎng)的研概念與認(rèn)識(shí)3.1 磁場(chǎng)的認(rèn)識(shí)過(guò)程 很多人小時(shí)候還不知道磁場(chǎng)的時(shí)候,就已經(jīng)開始接觸磁場(chǎng)了,比如指南針。指南針是中國(guó)的四大發(fā)明之一,是中國(guó)人的驕傲。地球是個(gè)大磁場(chǎng),地球的北極是磁場(chǎng)的南極,地球的南極是磁場(chǎng)的北極,當(dāng)拿一個(gè)被磁化的金屬物體放入地球這個(gè)大磁場(chǎng)時(shí),這個(gè)金屬就會(huì)受到磁場(chǎng)力的作用發(fā)生旋轉(zhuǎn),最終帶磁金屬的南極指向地球的南極(地球磁場(chǎng)的北極),帶磁金屬的北極指向地球
20、的北極(地球磁場(chǎng)的南極),從而實(shí)現(xiàn)辨別方向的能力。大約在公元前6-7世紀(jì)發(fā)現(xiàn)了磁石吸鐵、磁石指南等現(xiàn)象。我國(guó)戰(zhàn)國(guó)時(shí)期出現(xiàn)了利用自然磁石制作的“司南之勺”(和指南針差不多的工具)。人類對(duì)磁場(chǎng)(電場(chǎng))的系統(tǒng)研究始于17世紀(jì),公元1600年英國(guó)人吉爾伯特發(fā)表了論磁、磁體和地球作為一個(gè)巨大的磁體一書,這本書總結(jié)了前人對(duì)磁的研究,周密地討論了地磁的性質(zhì),記載了大量實(shí)驗(yàn),使磁學(xué)變成了科學(xué)。3.2 磁場(chǎng)的定義 磁場(chǎng)是一種看不見,而又摸不著的特殊物質(zhì),磁場(chǎng)不是由原子或分子組成,但磁場(chǎng)是客觀存在的。磁鐵周圍存在磁場(chǎng),磁體間的相互作用就是以磁場(chǎng)作為媒介的。電流、運(yùn)動(dòng)電荷、磁體或變化電場(chǎng)周圍存在的一種特殊形態(tài)的物質(zhì)
21、。由于磁體的磁性來(lái)源于電流,電流是電荷的運(yùn)動(dòng),因而概括地說(shuō),磁場(chǎng)是由運(yùn)動(dòng)電荷或電場(chǎng)的變化而產(chǎn)生的。磁場(chǎng)的強(qiáng)弱用磁感應(yīng)強(qiáng)度來(lái)表示,我們?cè)诖艌?chǎng)中垂直于磁場(chǎng)方向的通電導(dǎo)線受到的磁場(chǎng)力F跟電流強(qiáng)度I和導(dǎo)線長(zhǎng)度l的乘積Il的比值,叫做所處的磁感應(yīng)強(qiáng)度(此定義只適合于均勻磁場(chǎng)),用字母B表示,實(shí)驗(yàn)表明測(cè)試點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和通電導(dǎo)線的電流強(qiáng)度I及導(dǎo)線長(zhǎng)度無(wú)關(guān),它反映的是磁場(chǎng)本身在該處的性質(zhì)。表達(dá)式:B=F/Il。3.3 磁場(chǎng)的基本屬性3.3.1 磁場(chǎng)的描述磁場(chǎng)和電場(chǎng)一樣都是矢量場(chǎng),方向?yàn)樾〈裴楴級(jí)的受力方向(或者小磁針S級(jí)受力的反方向)。磁感應(yīng)線: 前面我們提到電場(chǎng)線的時(shí)候,就說(shuō)到一個(gè)電場(chǎng)在它范圍里的所有點(diǎn)的
22、場(chǎng)強(qiáng)呈現(xiàn)出一種規(guī)律,用一些曲線來(lái)反映這種規(guī)律能更好的研究電場(chǎng)。其實(shí)磁場(chǎng)和電場(chǎng)有非常相似的規(guī)律,因此我們也引入了磁感應(yīng)線。磁感線的概念是著名物理學(xué)家法拉利最先發(fā)明并引入的。 磁感應(yīng)線的定義:在磁場(chǎng)中畫一些曲線,用(虛線或?qū)嵕€表示)使曲線上任何一點(diǎn)的切線方向都跟這一點(diǎn)的磁場(chǎng)方向相同(且磁感線互不交叉),這些曲線叫磁感線。磁感線是閉合曲線。規(guī)定小磁針的北極所指的方向?yàn)榇鸥芯€的方向。磁鐵周圍的磁感線都是從N極出來(lái)進(jìn)入S極,在磁體內(nèi)部磁感線從S極到N極。3.3.2 磁場(chǎng)力的性質(zhì) 洛倫茲力是運(yùn)動(dòng)于磁場(chǎng)的帶點(diǎn)粒子所受到的作用力。洛倫茲力是因荷蘭物理學(xué)家亨德里克·洛倫茲而命名。根據(jù)洛倫茲力定律,洛倫
23、茲力可以用方程,稱為洛倫茲力方程,表達(dá)式為:(只適用于B和V垂直)其中,F(xiàn)是洛倫茲力,q是帶電粒子的電荷量,B是磁感應(yīng)強(qiáng)度,洛倫茲力定律是一個(gè)基本公理,不是從別人的理論推導(dǎo)出來(lái)的定律,而是由多次重復(fù)完成的實(shí)驗(yàn)所得到的同樣的結(jié)果。F的方向按照右手定則,伸出右手,讓磁感應(yīng)線穿過(guò)手心,除大拇指外的四個(gè)手指指向正電荷的運(yùn)動(dòng)方向,或負(fù)電荷的反方向,則大拇指所指的方向?yàn)镕的方向,而且F和V及B 垂直) 我們?cè)诿枋鲭妶?chǎng)的時(shí)候知道,電場(chǎng)是有源場(chǎng),電場(chǎng)線不是閉合曲線。而磁場(chǎng)呢,磁感應(yīng)線是閉合的,那磁場(chǎng)是有源場(chǎng)還是無(wú)源場(chǎng)呢? 高斯定理描述的是處在磁場(chǎng)中的閉合電路磁通量規(guī)律的定理,是描述磁場(chǎng)性質(zhì)的一個(gè)基本定理,其表
24、述為:通過(guò)任意閉合曲面的磁通量恒為零,數(shù)學(xué)表達(dá)式為:。靜電場(chǎng)的高斯定理與磁場(chǎng)的高斯定理反映了靜電場(chǎng)與磁場(chǎng)在性質(zhì)上的不同。磁場(chǎng)的高斯定理說(shuō)明磁場(chǎng)是無(wú)源場(chǎng),磁感應(yīng)線是無(wú)頭無(wú)尾的閉合曲線。我們?cè)谘芯侩妶?chǎng)的時(shí)候認(rèn)識(shí)到,電場(chǎng)是保守場(chǎng)。一個(gè)帶電體在電場(chǎng)中移動(dòng)所做的功只和初末位置有關(guān)。我們?cè)陔妶?chǎng)中電場(chǎng)強(qiáng)度E沿著某個(gè)閉合曲線進(jìn)行積分會(huì)到那么磁場(chǎng)又會(huì)是什么樣的情況呢,我們照樣在磁場(chǎng)中磁感應(yīng)強(qiáng)度B沿著閉合曲線進(jìn)行積分會(huì)得到 這就是真空中磁場(chǎng)的安培環(huán)路定理。這說(shuō)明磁場(chǎng)是非保守場(chǎng)。3.3.3 磁場(chǎng)的能量 磁場(chǎng)也是矢量場(chǎng),我們知道電場(chǎng)中有電勢(shì),如果放入一個(gè)帶電體來(lái)考慮,這個(gè)帶電體在電場(chǎng)中就具有能量的性質(zhì)。磁場(chǎng)是否也具有
25、能量的性質(zhì)呢? 我們先來(lái)看永磁體,永磁體會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),如果我們把另一個(gè)帶磁的物體放入這個(gè)磁場(chǎng)中,就會(huì)受到力的作用,當(dāng)然這個(gè)力也是能做功的,這說(shuō)明磁場(chǎng)也具有能的性質(zhì)。 其實(shí)另一種反映磁場(chǎng)有能的現(xiàn)象就是電磁感應(yīng),1831年英國(guó)物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象:如果對(duì)閉合的電路加入一個(gè)磁場(chǎng),閉合電路的磁通量發(fā)生變化的情況下,則閉合電路中會(huì)產(chǎn)生電流,繼而產(chǎn)生能量。這種現(xiàn)象說(shuō)明變化的磁場(chǎng)是有能量的,后面就會(huì)說(shuō)道變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生變化的電場(chǎng),或者產(chǎn)生電磁波。4電磁場(chǎng)的比較4.1電場(chǎng)和磁場(chǎng)基本性質(zhì)的比較4.1.1 電場(chǎng)和磁場(chǎng)的存在形式電場(chǎng)是帶電體周圍存在的一種特殊物質(zhì)形態(tài),是電荷間相互作用的介質(zhì).即具有力的性質(zhì),又
26、具有能的性質(zhì).其中力的性質(zhì)用電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)描述E=F/q,能的性質(zhì)用電勢(shì)來(lái)描述U=W/q ,磁場(chǎng)是磁體與磁體,或磁體于電流之間發(fā)生相互作用的媒介,雖然看不見,摸不著,但它與電場(chǎng)一樣,是實(shí)際存在的一種物質(zhì)。磁體,電流,運(yùn)動(dòng)的電荷都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。 帶電粒子只要在電場(chǎng)中就一定會(huì)受到電場(chǎng)力的作用,如果是和磁場(chǎng)垂直運(yùn)動(dòng)的話,電場(chǎng)力還會(huì)對(duì)它做功,但帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的話,洛倫茲力是不會(huì)對(duì)它做功的。如果帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向平行的話,它就不會(huì)受到洛倫茲力的作用,也就是說(shuō),此時(shí)磁場(chǎng)的存在與否對(duì)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)情況沒(méi)有影響。 不同點(diǎn):電場(chǎng)與磁場(chǎng)都是電荷產(chǎn)生的,其大小和方向都與距離電荷的遠(yuǎn)近有關(guān),也都與電荷的大小
27、有關(guān),所不同的是,磁場(chǎng)還與電荷的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。比如靜電場(chǎng)的產(chǎn)生可以是在電荷的周圍,然而要想有磁場(chǎng)產(chǎn)生,必須是運(yùn)動(dòng)的電荷,對(duì)于永磁體,各分子電流作規(guī)則排列,磁性相互加強(qiáng)而導(dǎo)致整體顯磁。4.2 電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互激發(fā)4.1.2 電場(chǎng)與磁場(chǎng)描述的比較。相同點(diǎn):電場(chǎng)線和磁感應(yīng)線的引入都是為了更好的研究電場(chǎng)或磁場(chǎng),電場(chǎng)強(qiáng)度或磁場(chǎng)強(qiáng)度在電場(chǎng)或磁場(chǎng)中都表現(xiàn)出一定的規(guī)律。為了更直觀的表達(dá)出這種規(guī)律,我們用一些曲線來(lái)表達(dá),要求曲線的任何一點(diǎn)的切線方向代表電場(chǎng)(磁場(chǎng))的方向,曲線的疏密程度代表這個(gè)地方的電場(chǎng)強(qiáng)度(磁場(chǎng)強(qiáng)度)的大小。不同點(diǎn):磁感應(yīng)線是閉合曲線,而電場(chǎng)線是非閉合曲線,磁體周圍的磁感線是從N極出發(fā),進(jìn)入磁
28、體的S極,而磁體內(nèi)部的磁感線又由磁體的S極指向N極??梢娭来朋w周圍磁感線也就能確定磁體的磁極,反之知道磁體磁極也就能確定磁體周圍的磁感線。而電場(chǎng)線則始于正電荷,終止于負(fù)電荷;或始于正電荷,終止于無(wú)窮遠(yuǎn);或始于無(wú)窮遠(yuǎn),終止于負(fù)電荷。4.2.1 電生磁 前面在定義磁場(chǎng)的時(shí)候說(shuō)道,磁場(chǎng)是運(yùn)動(dòng)的電荷產(chǎn)生,包括永磁體,各分子電流作規(guī)則排列,磁性相互加強(qiáng)而導(dǎo)致整體顯磁。因此靜電場(chǎng)是不會(huì)激發(fā)磁場(chǎng)的,因?yàn)闆](méi)有運(yùn)動(dòng)電荷。為了更好的研究電生磁,我們先來(lái)看下面這個(gè)現(xiàn)象:如果一條直的金屬導(dǎo)線通過(guò)電流,那么在導(dǎo)線周圍的空間將產(chǎn)生圓形磁場(chǎng)。導(dǎo)線中流過(guò)的電流越大,產(chǎn)生的磁場(chǎng)越強(qiáng)。磁場(chǎng)成圓形,圍繞在導(dǎo)線周圍。以上的現(xiàn)象說(shuō)明
29、有電流的導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),其實(shí)有電流的導(dǎo)體內(nèi),是電子的定向運(yùn)動(dòng)造成的(當(dāng)然不是說(shuō)導(dǎo)體里所有的電子都是向電流方向運(yùn)動(dòng),而是向電流方向運(yùn)動(dòng)的電子最多,在統(tǒng)計(jì)學(xué)中呈現(xiàn)出大規(guī)模向電流方向運(yùn)動(dòng))。其實(shí)每個(gè)運(yùn)動(dòng)的電子都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),在中性物體或者靜電場(chǎng)中,每個(gè)電子都在運(yùn)動(dòng)而且都產(chǎn)生磁場(chǎng),但是這些電子不是定向運(yùn)動(dòng),這就造成電子產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消,所以整體上沒(méi)呈現(xiàn)出磁性。而產(chǎn)生電流后,很多電子產(chǎn)生的磁場(chǎng)就相互疊加,進(jìn)而整體上顯磁。上述電流產(chǎn)生磁場(chǎng)一說(shuō)中,電流中有變化的電場(chǎng)。所以變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。通電直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)的性質(zhì)分析如下:有電流的導(dǎo)線周圍空間將產(chǎn)生圓形磁場(chǎng)。導(dǎo)線中流過(guò)的電流越大,產(chǎn)生的磁場(chǎng)越強(qiáng)。磁場(chǎng)成圓
30、形,圍繞導(dǎo)線周圍。磁場(chǎng)的方向可以根據(jù)“右手螺旋定則”又稱 “安培定則” 來(lái)確定:用右手握住直導(dǎo)線,讓大拇指指向電流的方向,那么其余四指彎曲的方向就是磁感線的環(huán)繞方向。實(shí)際上,這種直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)類似于在導(dǎo)線周圍放置了一圈NS極首尾相接的小磁鐵的效果。如果將一條長(zhǎng)長(zhǎng)的金屬導(dǎo)線在一個(gè)空心筒上沿一個(gè)方向纏繞起來(lái),形成的物體我們稱為螺線管。如果使這個(gè)螺線管通電,那么會(huì)怎樣?通電以后,螺線管的每一匝都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),磁場(chǎng)的方向如下圖中的圓形箭頭所示。那么,在相鄰的兩匝之間的位置,由于磁場(chǎng)方向相反,總的磁場(chǎng)相抵消;而在螺線管內(nèi)部和外部,每一匝線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)互相疊加起來(lái),最終形成了如下圖所示的磁場(chǎng)形狀。也可以看
31、出,在螺線管外部的磁場(chǎng)形狀和一塊磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)形狀是相同的。而螺線管內(nèi)部的磁場(chǎng)剛好與外部的磁場(chǎng)組成閉合的磁力線。在下圖中,螺線管表示成了上下兩排圓,好像是把螺線管從中間切開來(lái)。上面的一排中有叉,表示電流向熒光屏內(nèi)部流進(jìn);下面的一排中有一個(gè)黑點(diǎn),表示電流從熒光屏內(nèi)部向外流出。電生磁的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例是實(shí)驗(yàn)室常用的電磁鐵。為了進(jìn)行某些科學(xué)實(shí)驗(yàn),經(jīng)常用到較強(qiáng)的恒定磁場(chǎng),但只有普通的螺線管是不夠的。為此,除了盡可能多地繞制線圈以外,還采用兩個(gè)相對(duì)的螺線管靠近放置,使得它們的N、S極相對(duì),這樣兩個(gè)線包直接就產(chǎn)生了一個(gè)較強(qiáng)的磁場(chǎng)。對(duì)于一個(gè)很長(zhǎng)的螺線管,其內(nèi)部的磁場(chǎng)大小用下面的公式計(jì)算:H=nI在這個(gè)公式中,I
32、是流過(guò)螺線管的電流,n是單位長(zhǎng)度內(nèi)的螺線管圈數(shù) 實(shí)驗(yàn)設(shè)備:指南針;電池 ;直鐵絲;開關(guān);導(dǎo)線:塑料架子:實(shí)驗(yàn)過(guò)程:按照電路圖,用導(dǎo)線連接上電池,開關(guān)直鐵絲,并把直鐵絲放在塑料架子上。把指南針?lè)胖迷谥辫F絲的正下方,閉合開關(guān),記錄下指南針的指向。斷開開關(guān),把指南針?lè)胖迷谥辫F絲的正上方,閉合開關(guān),同時(shí)也記錄下指南針的指向。實(shí)驗(yàn)結(jié)果:指南針兩次都指向和直導(dǎo)線垂直的方向(異面垂直)。實(shí)驗(yàn)結(jié)論:兩次實(shí)驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)磁場(chǎng)方向都垂直于直導(dǎo)線,并且方向符合右手定則,由于直導(dǎo)線周圍的每個(gè)點(diǎn)都成中心軸對(duì)稱,因此每個(gè)點(diǎn)的磁場(chǎng)方向都可以推測(cè)出來(lái)如下圖。4.2.2 磁生電 既然變化的電場(chǎng)能產(chǎn)生磁場(chǎng),那么磁場(chǎng)能不能產(chǎn)生電場(chǎng)呢?這
33、是電磁研究中,很多人所提到的問(wèn)題。 在前人的基礎(chǔ)上,英國(guó)物理學(xué)家“法拉第”總結(jié)出了“法拉第電磁感應(yīng)定律”, 一方面,依據(jù)電磁感應(yīng)的原理,人們制造出了發(fā)電機(jī),并為電能的大規(guī)模生產(chǎn)和遠(yuǎn)距離輸送成為可能;另一方面,電磁感應(yīng)現(xiàn)象在電工技術(shù)、電子技術(shù)以及電磁測(cè)量等方面都有廣泛的應(yīng)用。人類社會(huì)從此邁進(jìn)了電氣化時(shí)代。 根據(jù)法拉第的這一定律,可以簡(jiǎn)單概括磁生電的內(nèi)容:因磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。為了定量的研究這一問(wèn)題,首先我們來(lái)看這個(gè)物理量-磁通量。磁通量:設(shè)在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,有一個(gè)面積為S且與磁場(chǎng)方向垂直的平面,磁感應(yīng)強(qiáng)度B與面積S的乘積,叫做穿過(guò)這個(gè)平面的磁通量,簡(jiǎn)稱磁通。公式=BS。對(duì)
34、于非均勻磁場(chǎng),我們將磁感應(yīng)強(qiáng)度B對(duì)面積S進(jìn)行積分,就會(huì)得到這個(gè)面的磁通量。磁通量的變化率:某個(gè)面的磁通量的變化和發(fā)生這個(gè)變化過(guò)程的時(shí)間t的比值。 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,閉合電路內(nèi)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)等于磁通量的變化,公式E=/t.閉合電路中,部分導(dǎo)體做切割磁感線產(chǎn)生電流的情況如下:導(dǎo)體的兩端接在電流表的兩個(gè)接線柱上,組成閉合電路,當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中向左或向右運(yùn)動(dòng),切割磁力線時(shí),電流表的指針就發(fā)生偏轉(zhuǎn),表明電路中產(chǎn)生了電流這樣產(chǎn)生的電流叫感應(yīng)電流。我們知道,穿過(guò)某一面積的磁力線條數(shù),叫做穿過(guò)這個(gè)面積的磁通量。當(dāng)導(dǎo)體向左或向右做切割磁力線的運(yùn)動(dòng)時(shí),閉合電路所包圍的面積發(fā)生變化,因而穿過(guò)這個(gè)面積的也發(fā)生了變化
35、。導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流的原因,可以歸結(jié)為穿過(guò)閉合電路的磁通量發(fā)生了變化??梢?,只要穿過(guò)閉合電路的磁通量發(fā)生變化,閉合電路中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。這就是產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件。感應(yīng)電流的方向:導(dǎo)體向左或向右運(yùn)動(dòng)時(shí),電流表指針的偏轉(zhuǎn)方向不同,這表明感應(yīng)電流的方向跟導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)的方向有關(guān)系。如果保持導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)的方向不變,而把兩個(gè)磁極對(duì)調(diào)過(guò)來(lái),即改變磁力線的方向,可以看到,感應(yīng)電流的方向也改變??梢?,感應(yīng)電流的方向跟導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)的方向和磁力線的方向都有關(guān)系感應(yīng)電流的方向可以用右手定則來(lái)判定:伸開右手,使大拇指跟其余四個(gè)手指垂直,并且都跟手掌在一個(gè)平面內(nèi),把右手放入磁場(chǎng)中,讓磁力線垂直穿入手心,大拇指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)的方向,那
36、么其余四個(gè)手指所指的方向就是感應(yīng)電流的方向。如果是在均勻磁場(chǎng)中,做切割運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體垂直切割磁感線,則產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)E等于磁通量的變化率,E=BLV。4.3電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互激發(fā)的傳播-電磁波 上面兩節(jié)我們得到了這些結(jié)論:變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng),變化的磁場(chǎng)又產(chǎn)生電場(chǎng)。在實(shí)際中,電場(chǎng)和磁場(chǎng)不斷的相互產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化,就形成的電磁波。電磁波是電磁場(chǎng)的一種運(yùn)動(dòng)形態(tài)。電與磁可說(shuō)是一體兩面,變動(dòng)的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),變動(dòng)的磁場(chǎng)則會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)構(gòu)成了一個(gè)不可分離的統(tǒng)一的場(chǎng),這就是電磁場(chǎng),而變化的電磁場(chǎng)在空間的傳播形成了電磁波,電磁的變動(dòng)就如同微風(fēng)輕拂水面產(chǎn)生水波一般,因此被稱為電磁波,也常稱為電波,如下圖: 電磁波的傳播:我們知道電磁波是電磁場(chǎng)的相互激發(fā)而產(chǎn)生,而相互激發(fā)產(chǎn)生的過(guò)程中,產(chǎn)生的電場(chǎng)或者磁場(chǎng)的空間位置會(huì)發(fā)生變
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