电磁学,“Electromagnetism”,主讲： 陈永虎 （物理系） Tel:13955128537 yhuchen 电话：3606024（O），3607661（H） 助教： 周少帅 shshzhou 田秀娜 tianxn 李 硕 arvin,教材： 电磁学与电动力学（上册） 胡友秋，程福臻，叶邦角 编著，2008年，科学出版社 主要参考书： 1. 电磁学，张玉民，戚伯云编，2007年，科学出版社 2. 电磁学，赵凯华、陈熙谋，2003年4月，高等教育出版社 3.电磁学专题研究，陈秉乾、舒幼生、胡望雨，2001年12月，高等教 育出版社 4.电磁学伯克利物理学教程第二卷，（美）E.M.珀塞尔著，南开 大学物理系 译，1979年6月，科学出版社 5.物理学第二卷第一册，美D.哈里德，R.瑞斯尼克著，李仲卿等译 ，1979年6月，科学出版社 6.普通物理学第二卷，C.福里斯，A.B.季莫列娃著，梁宝洪译，1958年11月，高等教育出版社 7.电磁学第二版，贾起民，郑永令，陈暨耀，2001年1月，高等教育出版社 8.电磁学，陈秉乾、王稼军编著，2003年5月，北京大学出版社 9物理型系学生用:电磁学，胡友秋，程福臻，刘之景编，1997年3 月，高等教育出版社,Electromagnetism， Gereald L. Pollack, Daniel R. Stump， 高等教育出版社，2005年 Introduction to Electrodynamics, 3rd Edition, David J. Griffiths, 世界图书出版公司，2005年,叶邦角教授在线课堂： ,绪 论 电磁学的历史和前景,经典电磁学的简要发展史 电磁学在当代物理学（标准模型）中的位置,一、早期的电磁研究,从電字说起 公元前16-11世纪，甲骨文出现“雷”字， 西周公元前11世纪出现“電”字， 康熙字典：陰陽激耀，從雨從申。 淮南子公元前120年 “阴阳相搏为雷，激扬为电”,西周的青銅器已出現電字,Electricity,An early Greek word - hlector - pronounced “elector” - was also used to describe amber(琥珀), because of its sunshiny color. Thales(泰勒斯) of Miletus (about 585B.C.) : the first known Greek philosopher and scientist.,磁 性,磁：慈石， 管子 （公元前？-645年） 春秋战国时期（公元前770-221年） “山上有慈石者，其下有铜金”。 古希腊泰勒斯，苏格拉底曾提到磁石，法文，西班牙文和匈牙利文称 “爱的石头”,古代电磁的应用,指南针：鬼谷子（公元前4世纪） 韩非子（公元前3世纪） “司南” 沈括（1031-1095）梦溪笔谈 4种指南法，广泛应用于航海 西方最早记载指南针用于航海的是 1207年。,汉（公元前206公元220年）。 盘17.817.4厘米,勺长11.5，口径4.2厘米。 司南由青铜地盘与磁勺组成。地盘内圆外方；中心圆面下凹；圆外盘面分层次铸有10天干，十二地支、四卦，标示二十四个方位。磁勺是用天然磁体磨成，置于地盘中心圆内，勺头为N，勺尾为S，静止时，因地磁作用，勺尾指向南方。,史记记载，磁石用于治疗疫病，李时珍（1518-1593）本草纲目详细总结了磁石治疗的十种应用。 古希腊医生加伦，磁石治疗腹痛。 磁石在建筑上的应用，秦阿房宫以磁石为门。 磁石在军事、幻术、选矿等均有记载。,二、 电磁学的诞生,十三世纪欧洲文艺复兴，通过实验研究自然规律已蔚然成风，培根“应当靠实验来弄懂自然科学”。 法国Maricourt做了不少磁学实验，并于1269年写了一本小册子，描述了他的发现。他发现磁极有两极，并命名为N极和S极，异极相吸，同极相斥。 十三世纪古罗马Peregrines,1269.8.8论磁体的信，色，均匀性，重量，吸引力，极的概念，“同性相斥，异性相吸”。,William Gilbert,英女王伊麗莎白一世的御醫，1540 1603 In his De magnete(論磁性), (1600), Gilbert founded the science of magnetism. Gilbert was the first to understand really clearly that the earth itself is a giant magnet. He introduced the term electricity into scientific discourse. electric force, magnetic pole, and electric attraction. Gilbert first distinguished Electricity and Magnetism.,一个严重的错误是把地球的自转归结于地磁力。,17世紀的摩擦起电研究,盖里克(Guericke, 1602-1686)发現电的排斥現象，发明摩擦起电机。 He built the first machine to create an electric spark.,法国物理学家迪非（16981739）论电经过实验表明，带电体与非电体之间并无本质的区别，所有物体都可以带电。 1734年，迪非发现两类不同的电荷，一种称为玻璃电，一类称为树脂电。他实际上发现了正负电荷，但命名不确切。并提出二元电液理论。,迪非的信,存在着两种判然不同的电。一种我称之为玻璃电；另一种为树脂电。 第一种是玻璃、水晶、宝石、动物毛发、羊毛和其他许多物体的电。 第二种是琥珀、树脂、丝、线绳、纸和无数其它物质的电。 这两种电的特征是，一个带玻璃电的物体排斥一切带同类电的物体，相反却吸引一切带树脂电的物体。,早期（17世纪）的靜电产生器,Benjamin Franklin(富兰克林) (1706-1790),美国科學家、发明家、政治家、社會慈善家 首先定义正电、负电 单流体说 电荷守恆原理 費城风箏实验 連結天电和地电 发明避雷针,“他从天空抓到雷电，从专制统治者手中夺回权力。” ARJ杜尔哥,费城实验,富兰克林也因这项成就，而在1753年11月荣获了伦敦皇家学会颁发的科普勒金质奖章。,卡文迪许与库仑,卡文迪许（17311810），英国贵族，终生未婚独居，献身于科学事业，只问耕耘，不问收获 发明扭秤，在实验室中测定万有引力常数G 1777年，提出电荷作用的平方反比律：“电的吸引力和排斥力很可能反比于电荷间距离的平方。” 法国物理学家库仑（17361806）运用扭秤测定电荷之间的相互作用，证明了电力与电荷量之积成正比，与距离平方成反比。,1785年，库仑设计了精巧的扭秤实验，直接测定了两个静止点电荷的相互作用力与它们之间的距离二次方成反比，与它们的电量乘积成正比。同年，他在给法国科学院的电力定律的论文中详细地介绍了他的实验装置，测试经过和实验结果。库仑的实验得到了世界的公认，从此电学的研究开始进入科学行列。 从1785-1791年，库仑发表了7篇论文。 1811年泊松把早先力学中拉普拉斯在万有引力定律基础上发展起来的势论用于静电，发展了静电学的解析理论。,二百多年来，许多科学家一直不懈地进行平方反比律的验证，其精度不断提高，已成为物理学最精确的实验规律。,Cavendish 210-2 Maxwell 510-5 Dlimpton, Lawton 2 10-9 Cochran, Franken 9.2 10-12 1970 Bartlett 1.3 10-13 1971 Willian (2.73.1) 10-13,电流的发现,18世纪后期电学的另一个重要的发展是意大利物理学家伏打发明了电池，在这之前，电学实验只能用摩擦起电机的莱顿瓶进行，而它们只能提供短暂的电流。 1780年，意大利的解剖学家伽伐尼偶然观察到与金属相接触的蛙腿发生抽动。 伏打发现蛙腿的抽动是一种对电流的灵敏反应。电流是两种不同金属插在一定的溶液内并构成回路时产生的，而肌肉提供了这种溶液。 1799年，他制造了第一个能产生持续电流的化学电池，其装置为一系列按同样顺序叠起来的银片、锌片和用盐水浸泡过的硬纸板组成的柱体，叫做伏打电堆。,伏打电堆,电流的磁效应,1750年富兰克林已经观察到莱顿瓶放电可使钢针磁化，甚至更早在1640年，已有人观察到闪电使罗盘的磁针旋转。 但到19世纪初，科学界仍普遍认为电和磁是两种独立的作用。 与这种传统观念相反，丹麦的自然哲学家奥斯特接受了德国哲学家康德和谢林关于自然力统一的哲学思想，坚信电与磁之间有着某种联系。 经过多年的研究，他终于在1820年发现电流的磁效应：当电流通过导线时，引起导线近旁的磁针偏转。电流磁效应的发现开拓了电学研究的新纪元。,1820年7月21日，丹麦奥斯特发现电流的磁效应。 1820年9月18日，法国安培圆电流对磁针的作用。 1820年9月25日，两平行导线的相互作用。 1820年9月25日，阿拉果关于钢片在电流作用下被磁化的实验。 1820年10月，螺线管与磁铁的等效性。 1820年10月30日，比奥和萨伐尔长直电流对磁极的作用1/r. 比奥-萨伐尔-拉普拉斯定律。 1821年1月，安培分子电流学。 1821年，安培做了四个极为精巧的实验, 其构思之新颖，结构之奇巧,堪称物理史上的不朽之作。,电流磁效应的发现打开了电应用的新领域。1825年斯特金发明电磁铁，为电的广泛应用创造了条件。 1833年高斯和韦伯制造了第一台简陋的单线电报；1837年惠斯通和莫尔斯分别独立发明了电报机，莫尔斯还发明了一套电码，利用他所制造的电报机可通过在移动的纸条上打上点和划来传递信息。 1855年汤姆孙(即开尔文)解决了水下电缆信号输送速度慢的问题，1866年按照汤姆孙设计的大西洋电缆铺设成功。 1854年，法国电报家布尔瑟提出用电来传送声音的设想，但未变成现实；后来，赖斯于1861年实验成功，但未引起重视。 1861年贝尔发明了电话，作为收话机，它仍用于现代，而其发话机则被爱迪生的发明的碳发话机以及休士的发明的传声器所改进。,欧姆定律,电流磁效应发现不久，几种不同类型的检流计设计制成，为欧姆发现电路定律提供了条件。 1826年，受到傅里叶关于固体中热传导理论的启发，欧姆认为电的传导和热的传导很相似，电源的作用好像热传导中的温差一样。为了确定电路定律，开始他用伏打电堆作电源进行实验，由于当时的伏打电堆性能很不稳定， 实验没有成功. 后来他改用两个接触点温度恒定因而高度稳定的热电动势做实验，得到电路中的电流强度与他所谓的电源的“验电力”成正比，比例系数为电路的电阻。,电磁感应,杰出的英国物理学家法拉第从事电磁现象的实验研究，对电磁学的发展作出极重要的贡献，其中最重要的贡献是1831年发现电磁感应现象。紧接着他做了许多实验确定电磁感应的规律，他发现当闭合线圈中的磁通量发生变化时，线圈中就产生感应电动势，感应电动势的大小取决于磁通量随时间的变化率。 楞次于1834年给出感应电流方向的描述，而诺埃曼概括了他们的结果给出感应电动势的数学公式。 美国亨利先于法拉第一年左右发现了电磁感应现象，但他等待积累更多的实验数据而立刻没有发表，当他从一本杂志上介绍法拉第的工作时，他感到无比的沮丧和郁闷。,法拉第在电磁感应的基础上制出了第一台发电机。此外，他把电现象和其他现象联系起来广泛进行研究，在1833年成功地证明了摩擦起电和伏打电池产生的电相同