1、第三章 电磁学概论,本章内容：,3. 1 静电场的概念与规律,3. 2 稳恒磁场的概念与规律,3. 3 电磁感应的概念与规律,3. 4 麦克斯韦与电磁场理论,3. 5 经典电磁理论与第二次技术革命,3. 6 现代通信与信息社会,3.1 静电场的概念与规律,3. 1. 1 电荷及相关定律,1. 正负性,2. 量子性,3. 守恒性,在一个孤立系统中总电荷量不变。,4. 点电荷,带电体的大小、形状可以忽略,把带电体视为一个带电的几何点,(一种理想模型),3. 1. 2 库仑定律 (Coulombs law),在真空中两个静止点电荷之间的静电作用力与这两个点电荷所带电量的乘积成正比，与它们之间距离的平
2、方成反比，作用力的方向沿着两个点电荷的连线。,电荷q1 对q2 的作用力F21,电荷q2对q1的作用力F12,真空中的介电常数,(1) 库仑定律适用于真空中的点电荷；,(2) 库仑力满足牛顿第三定律；,(3) 电荷之间距离小于 时, 库仑定律仍保持有效.至于 大距离方面,虽然未作过实验验证,但也并没有特殊的理由 预料在大距离情况下库仑定律将失效.,讨论,(4) 两个以上点电荷对一个点电荷的作用力，等于各个点电荷 单独存在时对该点电荷作用力的矢量和。即：,氢原子中电子和质子的距离为,解,例,此两粒子间的电力和万有引力。,求,两粒子间的静电力大小为,两粒子间的万有引力为,3. 1. 3 电场, 场
3、的概念, 超距作用, 电场的特点:,(1) 对位于其中的带电体有力的作用,(2) 带电体在电场中运动, 电场力要作功,1. 电场强度 (electric field intensity),检验电荷,带电量足够小,质点,=,=,在电场中：,电荷,电荷,电荷,电荷,电场,电场中某点的电场强度的大小等于单位电荷在该点受力的大小，其方向为正电荷在该点受力的方向。,电场强度叠加原理 (superposition principle of E),点电荷产生的场,定义：,点电荷系：,点电荷系在某点P产生的电场强度等于各点电荷单独在该 点产生的电场强度的矢量和。这称为电场强度叠加原理。,连续分布带电体:, :
4、 电荷线密度, :电荷面密度, :电荷体密度,P,P,它在空间一点 P 产生的电场强度。（设P点到杆的垂直距离为 a ，与两端的连线和直线的夹角分别为1和2）,解,dq,由图上的几何关系,2,1,例,长为L的均匀带电直杆，电荷线密度为,求,无限长直导线,讨论,圆环轴线上任一点P 的电场强度,R,P,解,dq,r,例,半径为R 的均匀带电细圆环，带电量为q,求,由于圆环上电荷分布关于x 轴对称,(1) 当 x = 0（即P点在圆环中心处）时，,(2) 当 xR 时,可以把带电圆环视为一个点电荷,讨论,求面密度为的圆板轴线上任一点的电场强度,解,P,r,例,R,1. 电场线（电力线）(electr
5、ic field line),反映电场强度的分布,任何两条电场线不会在没有电荷的地方相交,起始于正电荷（或无穷远处），终止于负电荷（或无穷远处）,3. 1. 4 电通量 ,电场线的特点:,场强方向沿电场线切线方向，,场强大小取决于电场线的疏密,静电场的电场线不会形成闭合曲线,dN,2. 电通量 (electric flux),穿过任意曲面的电场线条数称为电通量。,1.均匀场中dS 面元的电通量,矢量面元,2.非均匀场中曲面的电通量,(2) 电通量是代数量,穿出为正,穿入为负,3. 闭合曲面电通量,方向的规定：自内向外为正！,(1),穿出、穿入闭合面电力线条数之差,(3) 通过闭合曲面的电通量,
6、说明,3. 1. 5 高斯定理(Gauss law),q 在任意闭合面内，,e 与曲面的形状和 q 的位置无关的，只与闭合曲面包围的电荷电量 q 有关。,1. 点电荷 q,穿过球面的电力线条数为 q/ 0,穿过闭合面的电力线条数仍为 q/ 0,q 在球心处，,球面电通量为,电通量为,+ q,q 在闭合面外,2. 多个电荷,穿出、穿入的电力线条数相等,任意闭合面电通量为,反映静电场的性质,真空中的任何静电场中，穿过任一闭合曲面的电通量，等于该曲面所包围的电荷电量的代数和乘以,(不连续分布的源电荷),(连续分布的源电荷), 有源场,电荷就是它的源。,意义,是所有电荷产生的; e 只与内部电荷有关。
7、,真空中高斯定理的表述,与电荷量，电荷的分布有关,与闭合面内的电量有关,与电荷的分布无关,(2),(3),净电荷,就是电荷的代数和,(4) 利用高斯定理求解特殊电荷分布电场的思路,(1) 静电场的高斯定理适用于一切静电场；,说明,分析电荷对称性；,根据对称性取高斯面；,根据高斯定理求电场强度。,均匀带电球面，总电量为Q，半径为R,电场强度分布,Q,R,解,取过场点P的同心球面为高斯面,对球面外一点P:,r,根据高斯定理,例,求,对球面内一点:,电场分布曲线,例,已知球体半径为R，带电量为q（电荷体密度为）,R,解,球外,r,均匀带电球体的电场强度分布,求,球内,R,r,电场分布曲线,R,解,电
8、场强度分布具有面对称性,选取一个圆柱形高斯面,已知“无限大”均匀带电平面上电荷面密度为,电场强度分布,求,例,根据高斯定理有,已知“无限长”均匀带电直线的电荷线密度为+,解,电场分布具有轴对称性,过P点作高斯面,例,距直线r 处一点P 的电场强度,求,根据高斯定理得,在静电场中，沿闭合路径移动q0，电场力作功,L1,L2,3. 1. 6 静电场的环路定理,a,b,(1) 环路定理要求电力线不能闭合。,(2) 静电场是有源、无旋场，可引进电势能。,讨论,3. 1. 7 电势能 (electric potential energy),电势能的差,自 a 点移至 b 点过程 中电场力所做的功。,定义
9、：,q0 在电场中a、b 两点 电势能之差，,电势能,取电势能零点 W“b” = 0,等于把 q0,q0 在电场中某点 a 的电势能：,(1) 电势能应属于 q0 和产生电场的源电荷系统所共有。,(3) 选电势能零点原则：,(2) 电荷在某点电势能的值与电势能零点有关,而两点的差值与电势能零点无关, 实际应用中取大地、仪器外壳等为势能零点。, 当(源)电荷分布在有限范围内时，一般选无穷远处。, 无限大带电体，势能零点一般选在有限远处一点。,说明,如图所示, 在带电量为 Q 的点电荷所产生的静电场中，有一带电量为q 的点电荷,解,选无穷远为电势能零点,q 在a 点和 b 点的电势能,求,例,选
10、C 点为电势能零点,两点间的电势能差为：,3. 1. 8 电势和电势差, 电势定义, 电势差,移动单位正电荷自该点“势能零点”过程中电场力作的功 。,移动单位正电荷自 ab过程中电场力作的功。注意：电势零点的选取方法与电势能零点选取方法相同,a,r,q, 点电荷的电势, 点电荷系的电势,P,3. 1. 9. 电势叠加原理 (superposition principle of electric potential),对n 个点电荷:,在点电荷系产生的电场中，某点的电势是各个点电荷单独存 在时，在该点产生的电势的代数和。这称为电势叠加原理。,对连续分布的带电体：,结论,均匀带电圆环半径为R，电荷
11、线密度为。,解,建立如图坐标系，选取电荷元 dq,例,圆环轴线上一点的电势,求,半径为R，带电量为q 的均匀带电球体,解,根据高斯定律可得：,求,带电球体的电势分布,例,对球外一点P：,对球内一点P1：,求电荷线密度为的无限长带电直线空间中的电势分布,解,取无穷远为势能零点,例,取a点为电势零点,a点距离直线为xa,(场中任意一点P 的电势表达式最简捷),离带电直线的距离,xp,取,3. 1. 10 电势与电场强度的微分关系,1. 等势面(equipotential surface),电势相等的点连成的面称为等势面。,等势面的性质:,(1),(2)电力线指向电势降的方向,(3) 等势面的疏密反
12、映了电场强度的大小,等势面,2. 电势与电场强度的关系,某点的电场强度等于该点电势梯度的负值，这就是电势与电场强度的微分关系。,在直角坐标系中：,r,求半径为R,带电量为Q(电荷无规则分布)的细圆环轴线上任,意一点的电势和电场强度按轴线的分量,x,例,解,3. 静电中的导体,(1) 静电平衡,导体内部和表面上任何一部分都没有宏观电荷运动，我们就说导体处于静电平衡状态。,(2) 导体静电平衡的条件, 导体表面,从电场角度,从电势角度,导体是等势体,表面是等势面,导体的静电平衡,导体的内部处处不带电,导体表面附近的电场强度与导体表面电荷面密度成正比,(3) 静电平衡导体上电荷的分布,电荷只能分布在
13、导体表面,导体上的电荷重新分布,静电屏蔽(腔内、腔外的场互不影响),尖端放电,尖端放电,导体球 孤立带电,由实验可得以下定性的结论：,在表面凸出的尖锐部分(曲率是正值且较大)电荷面密度较大，在比较平坦部分(曲率较小)电荷面密度较小，在表面凹进部分带电面密度最小。,2. 静电中的电介质,电介质,r 电介质的相对介电常数,介质中电场减弱,电介质:绝缘体,(放在电场中的)电介质,电场,实验结论,介质中 电场减弱,介质充满电场或介质表面为等势面,几种电介质的相对介电常数,干燥空气,1.0006,蒸馏水,81,云母,6,电介质分子的电结构,无极分子,有极分子,+-,无外场时,(无极分子电介质),(有极分
14、子电介质),电介质的极化,整体对外不显电性,（热运动）,有外场时,(分子) 位移极化,(分子) 取向极化,束缚电荷,束缚电荷, 无极分子电介质, 有极分子电介质,外电场E0 极化 介质内电场 E 击穿。,讨论,3.2 稳恒磁场的概念与规律,本节内容：,3.2.1 磁场与磁感应强度,3.2.2 毕奥萨伐尔定律,3.2.3 磁场的高斯定理,3.3.4 安培环路定理,3.2.5 载流导线在磁场中所受的力,3.2.6 磁场对运动电荷的作用,3.2.7 磁场中的磁介质,3.2.1 磁场与磁感应强度,1. 磁现象,磁 场,磁现象(1) 磁体磁体,磁现象(2) 电流磁体,磁现象(3) 磁体电流,S,I,F,
15、N,磁现象(4) 电流电流,F,I1,I2,F,现象：,磁体,磁体,电流,电流,本质：,运动电荷,磁场,运动电荷,磁场的性质,(1) 对运动电荷(或电流)有力的作用;,(2) 磁场有能量,2. 磁感应强度,描述静电场,描述恒定磁场,引入电流元模型,引入试验电荷q0,实验结果确定,(1),(2),定义：磁感应强度的方向,当,时,定义：磁感应强度的大小,(3) 一般情况,安培力公式,是描述磁场中各点的强弱和方向的物理量,(2) 一般情况，,(3) 也可通过运动电荷在磁场中受力来确定,洛伦兹力公式,(1),说明,点产生的,在,大小：,点产生的,在,方向：,(真空中的磁导率),垂直,组成的平面,与,3
16、.2.2 毕奥萨伐尔定律 Biot-Savart Law,1.毕奥-萨伐尔定律（1820年）,基本思路：,?,毕萨定律：,例：,(2) 对任意一段有限电流，其产生的磁感应强度,(3) 原则上可求任意电流系统产生磁场的,的方向,(1)注意, 右手法则,讨论,2. 毕奥-萨伐尔定律应用举例,1.载流直导线的磁场,I,解,求距离载流直导线为a 处 一点P 的磁感应强度,根据几何关系：,(1) 无限长直导线,方向：右螺旋法则,(2) 任意形状直导线,I,1,2,讨论,2.载流圆线圈的磁场,求轴线上一点P的磁感应强度,根据对称性,方向满足右手定则,讨论,(1),载流圆线圈的圆心处,(2)一段圆弧在圆心处
17、产生的磁场,如果由N匝圆线圈组成,(3),（磁矩）,S,3.运动电荷的磁场,电流元内总电荷数,一个运动电荷产生的磁场,S,如图的导线，已知电荷线密度为，当绕O点以 转动时,解,1,2,3,4,线段1：,O点的磁感应强度,例,求,线段2：,同理,线段3：,线段4：,同理,3.2.3 磁场的高斯定理 Gauss Law for Magnetic Field for,(1) 规定：,1) 方向：磁力线切线方向为磁感应强度,的单位面积上穿过的磁力线条数为磁感,的方向,2) 大小：垂直,应强度,的大小,1. 磁力线,(2) 磁力线的特征:,1）无头无尾的闭合曲线,2）与电流相互套连，服从右手螺旋定则,3
18、）磁力线不相交,2.磁通量,通过面元的磁场线条数, 通过该面元的磁通量,对于有限曲面,磁力线穿入,对于闭合曲面,规定,磁力线穿出,3. 磁场的高斯定理,磁场线都是闭合曲线,磁场的高斯定理,电流产生的磁感应线既没有起始点，也没有终止点，即磁场线即没有源头，也没有尾, 磁场是无源场（涡旋场）,3.2.4 安培环路定理 Ampere circuital theorem,1.安培环路定理,磁场的环流与环路中所包围的电流有关,以无限长载流直导线为例,对一对线元来说,环路不包围电流，则磁场环流为零,若环路方向反向，情况如何？,若环路中不包围电流的情况？, 在环路 L 中, 在环路 L 外,则磁场环流为,磁
19、感应强度沿一闭合路径 L 的线积分, 等于路径 L 包围的电流强度的代数和的,倍,-安培环路定理,推广到一般情况,(1)积分回路方向与电流方向呈右螺旋关系,满足右螺旋关系时,反之,(2)磁场是有旋场, 不代表磁场力的功，仅是磁场与电流的关系, 电流是磁场涡旋的轴心,(4)安培环路定理只适用于闭合的载流导线，对于任意设想的一段载流导线不成立,(3)环路上各点的磁场为所有电流的贡献,讨论,2. 安培环路定理应用举例,例,求无限长圆柱面电流的磁场分布。,P,L,解,系统具有轴对称性，圆周上各点的 B 相同,P 点的磁感应强度沿圆周的切线方向,在系统内以轴为圆心做一圆周,例,求螺绕环电流的磁场分布,解
20、,在螺绕环内部做一个环路，可得,若螺绕环的截面很小，,内部为均匀磁场,若在外部再做一个环路，可得,螺绕环与无限长螺线管一样，磁场全部集中在管内部,例,求“无限大平板” 电流的磁场,解,面对称,13.5.1. 磁场对载流导线的作用力,3.2.5 载流导线在磁场中所受的力 magnetic field force on current-carrying wire,载流导体产生磁场,磁场对电流有作用,大小：,方向：,任意形状载流导线在外磁场中受到的安培力,若磁场为匀强场,在匀强磁场中的闭合电流受力,安培力,讨论,3.2.6 磁场对运动电荷的作用,13.6.1. 带电粒子在电场中的运动,带电量为q，质
21、量为m的带电粒子，在电场强度为E的电场中,在一般电场中，求解上述微分方程比较复杂,13.6.2. 带电粒子在磁场中的运动,以速度v 运动的单个带电量q的粒子在磁场中受到的磁场力f,1.洛仑兹力,实验结果,安培力与洛伦兹力的关系,(1) 洛伦兹力始终与电荷运动方向垂直，故,对电荷不作功,(2) 在一般情况下，空间中电场和磁场同时存在时，带电 粒子所受的力为,只改变粒子的方向,而不改变它的速率和动能,(3) 安培力是大量带电粒子洛伦兹力的矢量叠加,说明,例,2.带电粒子在均匀磁场中的运动,(1),情况,带电粒子的运动不受磁场影响,(2),情况,O,R,R 与 成正比,T 与 无关,它是磁聚焦, 回
22、旋加速器的基本理论依据,(1) 确定粒子的速度和能量。,(2) 判别粒子所带电荷的正负,带电粒子的偏转方向,根据,来判断,讨论,带电粒子,根据宇宙射线轰击 铅板所产生的粒子 轨迹,发现了正电子,1. 磁介质 放入磁场中能够显示磁性的物质,电介质放入外场,3.2.7 磁场中的磁介质 magnetic medium in magnetic field,相对介电常数,磁介质放入外场,相对磁导率,反映磁介质对原场的影响程度,相对磁导率,顺磁质,抗磁质,减弱原场,增强原场,弱磁性物质,顺磁质和抗磁质的相对磁导率都非常接近于1, 即,铁磁质,通常不是常数,具有显著的增强原磁场的性质,强磁性物质,2. 磁介
23、质的分类,(如： 铬、铀、锰、氮等),(如：铋、硫、氯、氢等),(如：铁、钴、镍及其合金等),原子中电子的轨道磁矩,电子的自旋磁矩,电子自旋磁矩与轨道磁矩有相同的数量级,分子固有磁矩, 所有电子磁矩的总和,抗磁质,对外不显磁性,顺磁质,由于热运动，对外也不显磁性,无外磁场作用时,3. 顺磁性和抗磁性的微观解释,有外磁场作用时,顺磁质,分子的固有磁矩,受力矩,的作用，,使分子的固有磁矩趋于外磁场方向,排列。但由于分子热运动的影响，各分子 固有磁矩的取向不可能完全整齐，不过外 磁场越强，排列越整齐。,正是由于这种取向排列使得原磁场得到加强， 但这种加强很小。,抗磁质,它的分子没有固有磁矩，为什么也
24、能受磁场的影响？,抗磁质在外磁场的作用下产生附加磁矩。,以电子的轨道运动为例：(如电子沿相反的方向做轨道运动，同样的分析方法),无论电子轨道运动如何，外磁场对它的力矩总使它产生一个与外磁场方向相反的附加磁矩。,附加磁矩产生附加磁场,附加磁场与外场方向相反抗磁质,4.铁磁质,铁磁质中,不是线性关系,剩磁,矫顽力,实验证明：各种铁磁质的起始曲线都是“不可逆”的， 磁滞现象,讨论,HC 较小,HC 较大,易磁化，易退磁,剩磁较强，不易退磁,变压器、电机、电磁铁的铁芯,可作永久磁铁,(4) 铁磁质的磁化状态与铁磁质此前的磁化历史有关,软磁材料,硬磁材料,(3) 不同材料，矫顽力不同,(2) 铁磁质温度
25、高于某一温度TC 时, 铁磁质转化为顺磁质, 此临界温度称为居里点。,3.3 电磁感应的概念与规律,本节内容：,3.3.1 电磁感应现象,3.3.2 电磁感应相关规律,3.3.3 感应电动势,3.3.4 电磁感应的应用,3.3.1 电磁感应现象,磁铁与线圈有相对运动，线圈中产生电流,一线圈电流变化，在附近其它线圈中产生电流,不论用什么方法，只要使穿过闭合导体回路的磁通量发生变化，此回路中就会有电流产生。,-电磁感应现象,变化 感应电动势,3. 3. 2 电磁感应相关规律,1. 法拉第电磁感应定律,感应电动势的大小与通过导体回路的磁通量的变化率成正比,在国际单位制中,负号表示感应电流的效果总是反
26、抗引起感应电流的原因 楞次定律,楞次定律,(1) 若回路是 N 匝密绕线圈,(2) 若闭合回路中电阻为R,感应电荷为,讨论,闭合回路中感应电流的方向，总是使得它所激发的磁场来阻碍引起感应电流的磁通量的变化(增大或减小)。,（2）楞次定律的本质是能量转换和守恒定律在电磁感应现象中的具体反映。,（1） 要正确理解“阻碍”二字的物理意义。,2.楞次定律,在无限长直载流导线的磁场中，有一运动的导体线框，导体线框与载流导线共面,解,通过面积元的磁通量,（选顺时针方向为正）,例,求 线框中的感应电动势, ,3.3.3 感应电动势 induced electromagnetic force,1. 动生电动势
27、,当 时达到平衡,fm,Fe,两种不 同机制,1. 相对于实验室参照系，磁场不随时间变化，而 导体回路运动（切割磁场线）-动生电动势,2. 相对于实验室参照系，若导体回路静止， 但磁场随时间变化-感生电动势,动生电动势的产生中，谁充当非静电力?,洛伦兹力,非静电性场强Ek为,闭合回路中的动生电动势为,动生电动势为,(1) 适用于一切产生电动势的回路,(2) 适用于切割磁力线的导体,(3),讨论,例,在匀强磁场 B 中，长 R 的铜棒绕其一端 O 在垂直于 B 的,平面内转动，角速度为 ,O,R,求 棒上的电动势,解,方法一 (动生电动势):,dl,方向,方法二(法拉第电磁感应定律):,在 dt
28、 时间内导体棒切割磁场线,方向由楞次定律确定,2. 感生电动势,感生电动势：由于磁场变化在导体回路中产生的电动势,麦克斯韦提出: 不论有无导体或导体回路，变化的磁场都将在其周围空间产生具有闭合电场线的电场,谁提供非静电力？,有旋电场与静电场的比较,相同,电能,对处于其中的电荷施加力的作用,不同,有旋电场线为闭合曲线，,非保守场,感生电场或有旋电场,法拉第电磁感应定律,感生电动势的计算,因为回路固定不动，磁通量的变化仅来自磁场的变化,在变化的磁场中，有旋电场强度对任意闭合路径 L的线积分 等于这一闭合路径所包围面积上磁通量的变化率。,说明,EV,EV,符合左螺旋法则,此关系满足楞次定律,与,1.
29、电子感应加速器,高频感应炉 电磁炉 微波炉 电磁感应灯 电子白板 平板电脑,2.涡电流及其应用,3.3.4 电磁感应的应用,麦克斯韦 （英国 1831-1879）,詹姆斯克拉克麦克斯韦（James Clerk Maxwell)是继法拉第之后集电磁学大成的伟大科学家。1831年11月13日生于苏格兰的爱丁堡，自幼聪颖，父亲是个知识渊博的律师，使麦克斯韦从小受到良好的教育。麦克斯韦从小对数学、物理学有浓厚的兴趣，尤其喜欢数学。,3.4.1 麦克斯韦简介,3.4 麦克斯韦电磁场理论简介 Fundamentals to Maxwell electromagnetic field theory,1. 问
30、题的提出,对稳恒电流,对S1面,对S2面,矛盾,稳恒磁场的安培环路定理已不适用于非稳恒电流的电路,2. 位移电流假设,非稳恒电路中，在传导电流中断处必发生电荷分布的变化,极板上电荷的时间变化率等于传导电流,3.4.2 位移电流,极板上电荷的变化必引起电场的变化,电位移通量,电位移通量的变化率等于传导电流强度,位移电流(电场变化等效为一种电流),一般情况位移电流,(以平行板电容器为例),位移电流密度,位移电流与传导电流连接起来恰好构成连续的闭合电流,麦克斯韦提出全电流的概念,(全电流安培环路定理),电流在空间永远是连续不中断的，并且构成闭合回路,麦克斯韦将安培环路定理推广,若传导电流为零,3.
31、位移电流、传导电流的比较,(1) 位移电流具有磁效应,与传导电流相同,(2) 位移电流与传导电流不同之处,产生机理不同,存在条件不同,位移电流可以存在于真空中、导体中、介质中,(3) 位移电流不产生焦耳热，传导电流产生焦耳热,3.4.3 麦克斯韦方程组的积分形式与电磁场,1. 电场的高斯定理,2. 磁场的高斯定理,静电场是有源场、感应电场是涡旋场,传导电流、位移电流产生的磁场都是无源场,3. 电场的环路定理, 法拉第电磁感应定律,4. 全电流安培环路定理,静电场是保守场，变化磁场可以激发涡旋电场,传导电流和变化电场可以激发涡旋磁场,3. 5 经典电磁理论与第二次工业革命,本节内容：,3.5.1
32、第二次工业革命的科学理论支持,3.5.2 经典电磁理论与电动机和发电机的发明,3.5.3 新通信工具的发明与应用,3.5.4 静电方面的应用,3.5.5 电磁场方面的应用,3.5.1第二次工业革命的科学理论支持,第二次工业革命时期，世界宣布由原始的“蒸汽时代”进入了现代化的“电气时代”。原有的工业部门如冶金、造船、机器制造以及交通运输、电讯等部门的技术革新加速进行。科学理论开始全面主导技术的发展。其中，为工业发展提供强大支撑的电力技术、无线电技术、热机技术是在电磁学、电工学、无线电电子学、势力学的指导下逐步发展起来。,1. 科学理论渗透到技术的各个领域，成为技术发展的关键，使技术越来越科学化。
33、生产技术标准化、通用化和系列化。,2. 科学技术化。比如，原子物理学和量子物理学演化为原子技术，固体物理学演化为半导体技术。,科学与技术的紧密结合，相互传动，推动了科学技术的整体发展。与第一次工业革命不同，蒸汽技术的改进推动了动力理论的发展，而第二次工业革命，电力技术是在电磁理论的基础上形成发展的。电力技术涉及的电动机、发动机和变压器三大设备其工作原理都与电磁理论密切相关。,3. 5. 2 经典电磁理论与电动机和发电机的发明,（1）1819年丹麦人奥斯特在一次讲课中发现，把连接电池组的导线放在和磁针平行的上方位置，磁针立即大幅度摆动起来。这也是第一个证明电流有磁效应的实验。,（2）1821年英
34、国物理学家法拉第制作了最初的电动机，1834年德国科学家雅可比制成了15瓦的棒状铁芯发动机。并于1831年法拉第发现了变化的磁场可以产生感生电流，得出了电磁感应定律。,电磁感应的发现，向人们展示了自然界的各种运动形式是可以相互转化的事实。同时为发电机的发明扫清了道路，为人类大规模利用电能，通向电气时代铺平了道路。,Hans Christian rsted（1777-1851）,Detail of a lithograph of Michael Faraday delivering a Christmas lecture at the Royal Institution in 1856.,（3）
35、1832年法国人皮克希制作成手摇磁石发电机。,（4）1866年德国人西门子制成了能真正发电的自激式的直流发电机（但这种发电机还不够完善）。,（5）1870年比利时学者格拉姆，制成了性能优良、效率高效的发电机。,格拉姆的发电机效率高，性能好，所以有了很好的销路，同时让后人记住了他，被人们誉为“发电机之父”。,（6）1872年，西门子公司工程师阿特涅吸收了格拉姆和巴齐诺蒂转子的优点，简化了制造方法，降低了生产成本，改进了发电机的外观和功能。于是，西门子公司也因此而更有名气，整个德国，以西门子公司为核心，电力工业得到了迅速发展。,Znobe Gramme (1826-1901), Belgian s
36、cientist in front of the Muse des Arts et Mtiers in Paris,（7）1873年阿特涅发明了交流发电机。,（10）1891年，在德国的法兰克福实验成功了远距离输电。,当时发出的交流电压达2000伏，送到175公里之外再将电压变至100伏，损失电能25。由于远距输电问题的解决。交流发电机得到广泛应用。,（8）1882年，法国学者德普勒发现了远距离送电的方法。,（9）美国发明家爱迪生在纽约建立了美国第一个火力发电站，把输电线联接成网络。,（11）80年代末90年代初，人们创制出三相异步电动机，这种型式的电动机，至今仍在使用。,电力技术在动力、照明
37、、运输和通讯方面广泛的使用，并带动了冶金技术的改造，内燃机的问世，交通运输工具的大发展，人类才真正意义上的进入了“电气时代”。,3. 5. 3 新通信工具的发明与应用,（1） 19世纪60年代，麦克斯韦总结了前人的成果，以他高度的抽象概括能力和高超的数学才能，于1864年把复杂的电磁现象和电磁运动规律总结为四个偏微分方程。这就是电动力学中的有名的麦克斯韦方程组。,1873年通过对这个方程组的数学运算，麦克斯韦预言了电磁波的存在，为无线电通讯解决了理论问题。,（2）1887年，德国科学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。还证明了电磁波具有反射、折射、干涉等等光所具有的相同性质。至此，麦克斯韦的理论得
38、到了广泛承认。,（3）美国人莫尔斯1837年制成一台电磁式的电报机。1844年5月24日正式完成了电报传讯的重大实验 。,莫尔斯利用长短脉冲的不同组合，编出了至今仍在使用的英文字母电码，这被称为莫尔斯电码。,（4）19世纪80年代，德国物理学家赫兹证明了电磁波的存在，并测量出电磁波的波长和速度。,（5）意大利人马可尼利用赫兹的发现，制成无线电报通讯设备，1897年，在英法之间发报成功。,近代电讯事业的发展，为快速传递信息提供了方便，从此，世界各地的经济、政治和文化联系进一步加强,Original Samuel Morse telegraph,Samuel Morse（17911872 ）,As
39、 of February 2006, The Western Union website showed this notice: “Effective 2006-01-27, Western Union will discontinue all Telegram and Commercial Messaging services. We regret any inconvenience this may cause you, and we thank you for your loyal patronage. If you have any questions or concerns, ple
40、ase contact a customer service representative.“,STOP Telegram era over, Western Union says,3. 5. 4 静电方面的应用,电磁炮作为一种新概念火炮，它具有一般火炮所不具有的特点。,电磁炮是利用电磁力推进原理代替传统火药高速发射弹丸的一种新概念动能武器，与传统火炮相比，优点是：弹丸初速度大，可与火箭匹玫，无声响，无烟尘，易操作，生存力强，可望用于反卫星，反导弹，反装甲与战术防空。,电磁炮最大特点便是发射的炮弹初速高。这是由于电磁炮利用电磁发射技术，使电能转化成弹丸动能，使得炮弹初速突破了每秒2000米极限
41、。,（1）电磁炮可用于天基反导系统。,（2）用于防空系统。,（3）用于反坦克武器。,（4）用于装备炮兵部队。,（5）用于装备海军舰艇。,基于电磁炮具有上述特点，所以，所以才被世界各国海军所相中，把它作为未来新式武器，它的应用前景广泛。,3.6 现代通信与信息社会,本节内容：,4.6.1 电磁波,4.6.2 无线电通信,4.6.3 现代通信与信息的屏蔽技术,4.6.1 电磁波,1. 电磁波的产生与传播,电磁波（又称电磁辐射）是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。,电磁波在真空中的传播速度为,在一些文献和书籍中真空中的
42、光速常用字母c表示，即,平面电磁波的波动方程为,2. 电磁波的能量,电磁场具有能量，随着电磁波的传播，就有能量在空间传播，这一点已被大量的事实所证明。这种以电磁波形式传播出去的能量叫做辐射能。,（1）电磁场的能量密度：称为电磁能密度或体积电磁能，它表示电磁场单位体积内的能量。,其中对于各向同性均匀介质,（2）平面电磁波的能流密度矢量（也称为坡印廷矢量）,3. 电磁波谱,按照电磁波的频率及其在真空中的波长的顺序，排列各种电磁波，称为电磁波谱。,无线电波,微波,红外线,可见光,紫外线,射线,4.6.2 无线电通信,无线电是指在自由空间传播并具有有限频带的电磁波,常见的频率范围有三种: 3KHz30
43、0GHz、9KHz300GHz和10KHz300GHz。,无线电技术是通过无线电波传播信号的技术。它利用导体中电流强弱的改变产生无线电波的原理，通过调制将信息加载于无线电波上。当电波传播到达接收端时，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。通过解调将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传递的目的。,(1)移动通信,（a）移动通信系统由两部分组成：,(1) 空间系统；,(2) 地面系统：,卫星移动无线电台和天线；,关口站、基站。,（b）移动电话系统标准：,第一代(1-generation，1G)移动通信系统是模拟式语音移动通信，其手机体积大如砖头。由于该系统易受外界电波干扰，语音品质欠佳等原
44、因，便逐渐被第二代(2G)数字语音通信系统所取代。,2G(2nd-generation)数字语音通信系统具有不易被盗用的优点，语音品质令人满意。目前绝大多数移动通信系统皆为2G或2.5G，以全球移动通信系统(GSM)，俗称“全球通”最为普遍。 GSM是英文Global System for Mobile Communication的缩写，它由欧洲16国研发。码分多址系统(CDMA：Code Division Multiple Access)由美国研发，其数据传输速度比GSM快。IS-95也叫做cdmaOne：基于CDMA所发展、是美国最简单的CDMA系统、用于美洲和亚洲一些国家。 2G系统除了
45、可提供各类电话服务外，还可提供短信息等服务。第二代移动通信系统在数据传输速度上远低于一般计算机的速度。 GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线服务技术)经常被描述成“2.5G”。,3G(3rd-generation)移动通信系统是发展方向。2000年5月国际电信联盟认可3个3G标准：日本和欧洲共同推出的W-CDMA系统；美国推出的CDMA2000系统；中国推出的TDSCDMA(时分双工同步码分多址：Time Division-Synchronize CDMA)系统。3G移动通信系统是覆盖全球的多媒体移动通信系统。,(2)微波通信,微波通信(Microw
46、ave Communication)，是使用波长在0.1毫米至1米之间的电磁波微波进行的通信。微波通信不需要固体介质,当两点间直线距离内无障碍时就可以使用微波传送。其特点是频带宽、通信容量大、外界干扰小、灵活性好、投资小、见效快等特点。,(3)卫星通信,卫星通信简单地说就是地球上(包括地面和低层大气中)的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。,卫星通信的特点是：通信范围大；只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内，从任何两点之间都可进行通信；不易受陆地灾害的影响(可靠性高)，只要设置地球站电路即可开通(开通电路迅速);同时可在多处接收，能经济地实现广播、多
47、址通信(多址特点)；电路设置非常灵活,可随时分散过于集中的话务量；同一信道可用于不同方向或不同区间(多址联接)。,(4)广播与电视,通过电磁波或导线向受众传播声音或图像形态节目的技术。,(5)导航与雷达,所有的卫星导航系统都使用装备了精确时钟的卫星。导航卫星播发其位置和定时信息；接收机同时接受多颗导航卫星的信号。接收机通过测量电波的传播时间得出它到各个卫星的距离，然后计算得出其精确位置。无线电定向是无线电导航的最早形式，使用可移动的环形天线来寻找电台的方向。,雷达通过测量反射无线电波的延迟来推算目标的距离，并通过反射波的极化和频率感应目标的表面类型。导航雷达使用超短波扫描目标区域，通过反射波确定地形。这种技术通常应用在商船和长距离商用飞机上，多用途雷达通常使用导航雷达的频段。优良的多用途雷达可以辨别暴雨、陆地、车辆等等。搜索雷达运用短波脉冲扫描目标区域，通常每分钟24次。有些搜索雷达应用多普勒效应可以将移动物体同背景中区分开来。气象雷达与搜索雷达类似，但使用圆极化波以及水滴易于反射的波长。风廓线雷达利用多普勒效应测量风速，多普勒雷达利用多普勒效应检测灾害性天气。,
