电磁学

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什么是电?对大众而言,电是导线里流动着的一种东西,它能驱动机器;电是有用的,也是危险致命的。当今的世界,没有电是无法运转的。

据说是Benjamin Franklin1752年把天上的闪电接到了地上,弄清了那其实是静电的放电过程。

Bohr-Rutherford的原子模型解释了物体带电的原因。物质由分子组成,分子由原子组成,而原子由原子核(包含带正电的全部质子和不带电的中子)和绕核旋转的、带负电的电子组成;核外电子数等于核内质子数,所以整个原子是中性的。

在一定条件下,电子可以脱离原子,由一个物体转移到另一个物体。如摩檫起电:绸子与玻璃棒摩檫,绸子获得电子带负电,玻璃棒失去电子带正电。还有感应起电和接触起电。

一个电子所带的电量为e = -1.6×10^(-19) 库伦(Coulmb),一个质子所带电量为1.6×10^(-19) (C);任何带电物体(称为电荷)所带电量都是e的整数倍。在物理中,我们设想了“点电荷”的模型,忽略了带电体的大小、形状、电荷分布清况,只计算Q = Ne,以及是正还是负。

电荷(Charge) 满足守恒定律:电荷既不能被创造,也不能被消灭,只能从一个地方转移到另一个地方。电荷与原子有什么关系呢?

两个电荷之间存在一种作用力,称为静电力或库仑力,其大小为F = kQ1Q2/r^2Q1Q2 分别为其电量,r是两个电荷间的距离,k为静电力常量,值为 9.0×10^9 Nm^2/C^2.

由于电荷的存在,其周围就存在着电场。电场是一种客观存在的物质,因为对放入其中的电荷会产生力的作用。有静电场(由于静止电荷的存在而产生的电场)和感应电场(由于磁场的变化而产生的电场)。

检验电荷所受到的电场力与电荷电量的比值,叫做电场强度E=F/q,其方向规定为正电荷在该点所受到的电场力的方向。据此定义,在真空中点电荷Q所形成的电场中,距离为R处的地方的场强大小为kQ/R^2

电荷在电场中具有的势能,叫电势能;两个不同点之间的电势能之差,就是两点间的电势差,又叫电压,它等于电荷在两点间移动时,电场力所做的功与电量的比值。在匀强电场(场中的电场强度处处相等)中,电势差U=Ed d是两点间沿场强方向的距离。

带电粒子在电场中的运动可以用牛顿力学及能量守恒定律来描述。

电流是电荷的定向移动。要形成电流,电路中必须要有自由电荷,电路两端要有电压(电势差U)。电流的方向规定为正电荷移动的方向。电流强度I是单位时间内通过横截面的电量,或通过的电量与所用时间之比。欧姆定律说,电流强度与电路两端的电压成正比;UI的比值就叫电阻。电阻定律说,在温度一定时,导体的电阻与其长度成正比,与其横截面积成反比;那个比例系数就是材料的电阻率,与材料和温度有关。

电场力在一段电路上移动电荷所作的功,常说成是电流做的功,称之为电功;其计量公式为W=UItt是通电时间。电流在单位时间内所做的功,称为电功率:P=W/t = IU,单位为瓦特。

电流通过导体时会产生热量。焦耳定律说,Q=I^2Rt

电路是把几个导体联接起来,形成以个回路。联接的方式有串联与并联两种;描述电路中电流、电压、电阻以及电势的关系,有欧姆定律、基尔霍夫定律等。

 

电与磁是密切关联的。

能够吸引铁、钴、镍等金属的物体叫磁体;其两端磁性最强的部分叫磁极,分别命名为南极(S)和北极(N)

在磁体的周围存在磁场。可用物体的磁化来证明磁场的存在:原来没有磁性的物体放在磁场中可以获得磁性。为了形象地描述磁场,我们画了磁感线:它们是互不相交的闭曲线,在磁体内部,方向从N极到S极;在磁体外部,则从S极到N极。

 

电磁学让世界有了光明和动力。或许是因为已经发展完善,在SIN中很少见到电磁学的问题。

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