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电磁学课件ElectromagnetismTeachingmaterials物理与机电工程学院林福忠\n电磁学的研究对象及发展简史：电磁学是经典物理学的一部分。它主要研究电荷、电流产生电场、磁场的规律，电场和磁场的相互联系，电磁场对电荷、电流的作用，以及电磁场对物质的各种效应等。电磁现象是自然界存在的一种极为普遍现象，它涉及到很广泛的领域，电的研究和应用在认识客观世界和改造客观世界中展现了巨大的活力。因此，电磁学课程是理科和技术学科的一门重要基础课。任何一门科学都有其发展史，都是人类长期实践活动和理论思维的产物。回顾科学发展的历史可以使我们看清楚，在荒漠的知识原野上如何建造起庄严的科学大殿，从而获得科学方法论上的教益。\n人类有关电磁现象的认识可追溯到公元前600年。公元前585年，希腊哲学家泰勒斯（Tahales）就知道摩擦过的琥珀能吸引小物体以及磁石相互吸引。现在西方拼音文字中“电”一词，如英文electricity等都是由希腊文的ηλεκτρον（琥珀）一词转化而来；现在西方文字中“磁学”一词，如英文的magnetism的来源，有人认为是古希腊色萨利的麦格尼西亚地方出产的一种石头，能互相吸引，人们把这种石头叫做麦格尼西亚，后来人们把这种石头叫做麦格尼特。\n我国古代人民对电磁现象的认识曾有过重要贡献。春秋时代的《管子·地数》（公元前600多年）中有“上有慈石者，其下有铜金”是我国最早关于磁石的记载；东汉已有指南针的前身司南勺；比欧洲更早，在北宋时，我国已有利用地磁场进行人工磁化制作指南鱼或用磁石麽针尖制作指南针，并用于航海；南宋，文天祥在《扬子江》一诗中写道：“臣心一片磁针石，不指南方不肯休。”后来（也在1276年），他就把他的诗集命名为《指南录》，可见在当时，磁针指南在我国知识界已是普通常识了；晋朝（公元三世纪）还有关于摩擦起电引起放电现象的详细记载，“今人梳头，解著衣，有随梳解结，有光者，亦有咤声”。\n1269年发现磁石有两极，仿照地理学，把球形磁石上的两极分别叫N和S极1646年英文里的electricty一词出现1733年迪费（DuFay,1698-1739）发现电有两种1736年导体（conductor）一词的出现1785年库仑（C.A.Coulomb）定律1821年安培（A.M.Ampere）分子电流假说，认为物质的磁性来源于它的分子磁性，而分子磁性则来源于分子内部有一种永远流动的电流——分子电流（也有人把它叫做安培电流）1820年毕奥—-萨伐尔（J.B.Biot—F.Savart）定律，电流产生磁场的基本规律\n1826年欧姆（G.S.Ohm）定律，在我们今天看来，欧姆定律是电学里最简单的定律，可是，在历史上，它的建立和被接受，确是很不容易的事，在欧姆创立欧姆定律时，不仅没有测量电位差和电阻等物理量的仪器，而且连这些物理量的概念都不清楚，所以困难是很大的，物理学上的开创性工作往往是这样的。1828年格林（G.Green）定律，他是一位自学成才的数学家，发展了泊松关于电学和磁学的理论。格林是用泊松用过的位函数来处理问题的，他把这个函数取名为“位函数”（potentialfunction）.\n1831年法拉第（M.Faraday）发现电磁感应，他得知奥斯特发现电流磁效应的消息后，就想到，既然电能够产生磁，反过来，磁也应当能够产电。他感到，既然电荷能在导体上产生感应电荷，电流也应该能在导体上产生感应电流，他就是本着这种信念从事实验研究的。1834年楞次（H.F.E.Lenz）定律1839年高斯(K.F.Gauss)定律，把库仑定律提到了新的高度，成为后来麦克斯韦方程的基础之一。1840年焦耳（J.P.Joule）定律1843年电荷守恒定律\n1864年麦克斯韦（J.C.Maxwell）方程组和电磁波，1864年12月8日Maxwell在英国皇家学会宣读了他的总结性论文《电磁场的动力学理论》（ADynamicalTheoryoftheElectromagneticField）这篇文章总结了他十年间的研究成果。其中包括了我们今天熟悉的麦克斯韦方程组的分量形式。18世纪初，英吉利海峡两岸的自然哲学家们都以极大热情在电学这片未被开垦的处女地里辛勤耕耘，但研究的风格却迥然不同。英国学者偏重于实验和应用，法国学者更倾向于电现象理论的探索。\n这与当时英国正在进行工业革命而法国酝酿着启蒙运动有关。从1785年（我国清代乾隆五十年），到1864年（我国清朝同治三年）麦克斯韦方程出世，人类花了七十九年的时间，终于发现了电磁现象的基本规律。\n怎样学好电磁学：1.电磁学的研究对象和主要内容：它是研究电磁场以及它和带电粒子之间的相互作用。主要内容大致可归纳成两部分：场（电场和磁场）和路（直流电路和交流电路）。在中学物理中对直流电路已有较多的讨论，交流电路已有一定的介绍，\n作为大学物理课程，除普遍而系统的介绍处理电路问题的基本概念和方法外，从场的观点来理解电路（特别是交流电路）中发生的过程，掌握场和路之间的内在联系，是提高的一个重要方面。有关电磁场的内容，初学者在中学虽已接触到一些有关电场和磁场的概念，但在中学是作为一种手段而引进的，在大学中，场是作为研究对象引入的，它有着丰富的内容，对初学者而言，从概念到方法都还是新的，并且有一定的难度，电磁学中涉及的场有静止电荷产生的静电场，电流产生的磁场，变化磁场产生电场以及变化的电场产生磁场，这些场当然有不同性质，但有相当多的共性。\n若能对其中一种场从多方面剖析，集中精力去认识和掌握它，然后通过类比，弄清各种场之间的区别和共同之处，则可较好地掌握其它的场。静电场是学习电磁学中遇到的第一个场种，我们认为，学好静电场是学好整个电磁学的关键。\n基本概念清楚才能牢固地掌握知识，做题也并不困难，概念不清楚，虽然把题目做出来了，对于学习能力的提高不会有太大的帮助，对于这点同学们应特别要注意。（1）从定义开始准确掌握概念，为什麽要这样定义？换一种说法行不行？有什麽要注意的问题等等；（2）结合基本定律和定理深入掌握概念（如通量概念理解）；（3）通过对一些似是而非的问题的解决来巩固概念。2.要在掌握基本概念上多下功夫：\n电磁学的研究对象是场，描述场的物理量，如电位和场强，完整的描述电场，必须给出空间每一点的电位和场强。一般说来，不同空间点上电位的数值或场强矢量的大小和方向都不同，用数学语言来讲，我们面对的是一个空间位置的标量函数或矢量函数，这就是数学意义下的“标量场”或“矢量场”，当然它们还可能随时间变化，用U(x.,y,z,t)或E(x.,y,z,t)表示。3.描述场的方法:\n其实“场”的概念并非电磁学所独有，力学体系和热学体系也有标量场和矢量场的例子，例如：大气——其中各点的压力和温度经常是不同的，这就构成二个标量场：压力场和温度场；大气中各点还有不同的风向和风速，这就构成一个矢量场：流速场，对于气象工作者来讲，他们每天都在和这些“场”打交道。\n既然场是空间位置的函数，则空间位置的描述（要取一定的坐标）就成为描述场分布的先决条件，所以我们在处理这类问题时，应养成习惯，先考虑如何选取适当的坐标系，并在图中和文字叙述中明确给出你所选取的坐标系。由于数学工具的限制，电磁学课程中往往只要求计算某些特殊位置（特殊点、特殊线、特殊平面）上的场或场分布，在选取坐标系时，应充分考虑体系的对称性，自觉地锻炼自己分析对称性的能力，这对今后学习物理学是大有好处的。\n近似计算在实际工作中相当重要，实际的问题常常相当复杂，因此，严格的计算也相当复杂。在许多情况下作复杂的严格计算并不必要，根据实际的要求作必要的近似计算也是应该注意培养的一种能力，教材中有示范（不小心就会导致零结果或错误的答案）。计算出最后的结果来，从计算的任务而言是结束了，但是从认识场的分布而言尚欠完善，我们还应该考查结果中有关场源的参量或坐标变动时，场的分布是如何变化的，即考察场的渐近行为，例题中有许多示范。\n物理量按其性质分为矢量和标量（算术量、代数量），矢量虽复杂，但有专门论述，算术量很简单，因为它只有正值，代数量可正可负，在运算中常常出错（如电荷、电位差、电流、电动势、电通量等）。所以在学习电磁学时，必须对这些代数量的正、负由来和所代表的意义给予充分的重视，我们结合具体内容再进行分析和讨论。4.关于代数量的运用:\n这个问题是学习每一门课程都需要的，把它提出来望引起大家重视。一大堆杂七杂八的材料零乱地堆砌在一起，一定会觉得索然无味，令人厌恶，而如果将它们按照一定的构思拼搭出一定的结构，就会觉得面目一新，耐人寻味，你还会体验到其中的某些奥妙，领略其中的和谐美。此外知识的掌握也会更牢固，难于遗忘。5.掌握每章乃至全书的结构体系:\n讲完一章或一部分内容后，把这部分内容整理一下形成知识结构体系（包括课外学习的知识、解题获得心得、思考问题的体会），刚开始时，有些困难，或总结的不太好，没有抓住要点，这里有一个锻炼过程。\n参考书目：1.赵凯华，陈熙谋.电磁学.上册下册，北京：高等教育出版社，19852.梁绍荣等.普通物理学第三分册.北京：高等教育出版社，19883.梁绍荣，王雪君.电动力学基础.北京：北京师范大学出版社，1982