高中物理--电磁学

这是一篇关于电磁学的思维导图，主要内容包括：静电场，磁场，电磁感应，交变电流，电磁波。总结全面细致，适合做为复习资料。

电磁学

• 静电场
  • 电荷
    • 正电荷
      • 用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电
    • 负电荷
      • 用毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电
    • 取决于材料对电子的束缚能力
    • 三种起电方式
      • 摩擦起电：2个绝缘体摩擦，等量异种电荷，电子得失
      • 接触起电：带电体靠近导体，等量异种电荷，电子转移
      • 感应起电：导体接触带电体，同种电荷，电子得失
    • 元电荷
      • 实验发现的最小电荷量e=1.60×10^-19C
    • 比荷
      • 荷质比=q/m
    • 点电荷
      • 只有电荷量，无大小、形状的理想化模型
    • 试探电荷
      • 目的：分析电场的性质和特点（V、q都很小）
    • 电荷守恒定律
      • 既不创生，亦不消灭，只会转移，电荷总量不变
    • 库仑定律
      • 适用条件：真空中，静止点电荷，表达式：静电力F=kQq/r^2（静电力常量k=9.0×10^9N▪㎡/c^2）
      • 静电力的叠加：平行四边形定则
        • 疑难点
          • 1.均匀带电球体的静电力P18 2.三个自由点电荷的平衡：三点共线、两同夹异、两大夹小、近小远大批P18 3.线电荷、面电荷的静电力P18 4.等效法分析非点电荷间的静电力P19 5.2个带电金属球，要考虑表面电荷的重新分布P16
  • 电场的描述
    • 物理量
      • 电场强度
        • （定义式）：E=F/q（试探电荷）=U/d（计算式匀强电场），（N/C=V/m），由Q和空间位置决定
        • 点电荷E=kQ/r^2，决定式
        • 矢量叠加，平行四边形定则
        • 匀强电场
          • E处处相等；电场线平行、等间距、同向
        • 等效替代法 对称法 叠加法 割补法 极限法 平衡法P33
      • 电势
        • 定义φ=Ep/q，有正负之分，正负表示该点电势与零势面高低，相对性
        • 沿电场线方向（场强方向），电势越来越低，同时电势降低最快P81
        • 电势差Uab=φa-φb=Wab/q,与电势零点无关
    • 描述
      • 电场线
        • ①切线方向就是E的方向；②越密E越大；③理想化。非闭合曲线重难点
          • 等量异种电荷的电场线
      • 等势面
        • 与电场线垂直，Uab=0，越密集，等差等势面越密集，场强越大
  • 电场中的带电粒子
    • 静电力做功
      • 匀强电场W=Fd=qEd=qUab；Uab=Ed
      • Wab=Epa-Epb=qφa-qφb=qUab=-ΔEp
    • 电势能Ep
      • 标量，具有相对性；电场力做正功，电势能减小，电势降低
    • 运动
      • 解题思路
      • 偏转重难点P113
      • 示波管
  • 电场中的导体
    • 静电平衡
      • 导体内合场强E=0（无电荷定向移动，仍有电子移动，动态平衡）
      • ①导体内E处处为零；②电荷只分布在外表面；③表面E≠0，任一点E的方向与表面垂直
      • 表面尖锐部分电荷分布密集，平滑处稀疏，凹陷处几乎没有
    • 尖端放电
      • 尖端电荷密度大，E很强，使带电粒子剧烈运动，碰撞空气分子，使其电离，再撞击其他分子，产生更多的带电粒子，异种电荷粒子奔向尖端，发生电荷中和。（避雷针）
    • 静电屏蔽
      • ①外屏蔽；②全屏蔽（高压输电，静电屏蔽服）
    • 静电吸附
      • 静电除尘、静电喷漆、静电复印
  • 电容器
    • 定义式C=Q/U
      • 容纳电荷本领的容器，单位：法F,1F=1C/V，一个极板所带电荷量的绝对值
    • 击穿电压
      • 电介质被击穿时的临界电压值
    • 平行板电容器
      • 静电计探究平行板电容器P97
    • 决定式C=εS/4πkd
      • k静电力常量，ε相对介电常数；电容器极板电荷的面密度不变，E就不变；电容器动态分析重难点P99
• 磁场
  • 磁场的产生
    • 磁体产生磁场
      • 磁体：条形磁铁、蹄形磁铁、地磁场
    • 磁场方向 安培定则（右手螺旋定则） 电生磁，电流产生的磁场
      • 直线电流
        • 用右手握住通电直导线时，让大拇指指向直导线中的电流方向，弯曲的四指的方向就是磁感线环绕的方向
      • 环形电流（通电螺线管）
        • 右手弯曲的四指与环形（螺线管）电流方向一致，大拇指的方向就是环形（螺线管）轴线上的磁场的方向
        • 通电螺线管内部是匀强磁场
    • 磁现象的本质
      • 电荷运动产生磁场即恒定电流也能产生磁场
  • 磁场的描述
    • 磁感线
      • 理想模型，外部N极→S极，内部S极→N极，规定小磁针N极所受磁力方向为该点磁场方向（切线方向），越密磁场越强；闭合曲线
    • 物理量
      • 磁感应强度B（磁通密度）：磁场的强弱与方向
        • 定义式：B=F/Il；单位：特斯拉T，1T=1N/(A▪m)，矢量叠加，平行四边形定则
      • 磁通量
        • Φ=BSsinθ；单位：韦伯Wb，1Wb=1T/㎡；标量：正负代表正反向；ΔΦ=Φ2-Φ1≠ΔB▪ΔS一般磁感线条数越多，Φ越大
  • 磁场中的力
    • 通电导线在磁场中受力
      • 安培力
        • 左手定则：磁感线从掌心垂直进入，四指指向电流方向，则大拇指指向就是安培力的方向
        • F=BILsinθ
          • 应用：磁电式电流表，电流天平、电磁炮
        • 电动机
    • 运动电荷在磁场中受力
      • 洛伦兹力
        • 左手定则：磁感线从掌心垂直进入，四指指向正电荷运动方向，则大拇指指向就是洛伦兹力的方向
        • F洛=qvBsinθ
          • F⊥B；F⊥υ；（F垂直于Bv所在平面） 相对磁场静止的电荷不受洛伦兹力
        • 应用：显像管、速度选择器、磁流体发电机、电磁流量计、霍尔效应、质谱仪、回旋加速器
        • 带电粒子在磁场中的运动重难点P57
          • 只改变速度方向，不做功
• 电磁感应
  • 磁生电
    • 切割磁感线
    • 条形磁铁插入或拔出线圈
    • 开关闭合断开，螺线管中电流变化
    • 闭合线路磁通量发生变化 ↓ 感应电流
      • 发电机
  • 楞次定律
    • 感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化
    • 研究整个闭合导体回路，而右手定则研究闭合导体回路的一部分
    • 新磁场和原磁场方向相反，增反减同、来拒去留、增缩减扩
    • 本质：阻碍是能量守恒的反映，其他形式的能转化为电能
  • 电磁感应定律
    • 感应电动势：电磁感应现象产生的电动势
    • 定律：闭合电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比E=nΔΦ/Δt =n∣Φ2-Φ1 ∣ /Δt 1V=1Wb/s
    • 导体切割磁感线 E=BLvsinθ 一端导体转动切割磁感线E=0.5BL^2ω
      • 电荷量的计算
    • 感生电场
      • 与电路是否闭合无关，涡旋电场，电场线是闭合的（电子感应加速器）
    • 涡流
      • 整块导体内部发生的电磁感应现象（磁场变化越快、导体横截面S越大，电阻率越小，涡流越大） 应用：①涡流热效应：电磁炉、真空冶炼炉 ②涡流磁效应：探雷器、安检门
    • 电磁阻尼
      • 感应电流会使磁场中运动的导体受到安培力，安培力的方向总是阻碍导体的运动
    • 电磁驱动
      • 磁场运动，导体中的感应电流使导体受到安培力，驱动导体
    • 互感
      • 相邻线圈，一个线圈的电流变化时产生变化的磁场，会在另一线圈中出现感应电动势的现象。
    • 自感
      • 一个线圈的电流变化时产生变化的磁场，会使线圈本身中产生感应电动势
      • 阻碍原电流的增加，增反减同，延缓原电流的变化 灯泡亮度变化P113
      • E=LΔI/Δt；L为自感系数，线圈越粗、越长、匝数越多，L越大；单位：亨利H
• 交变电流
  • 交流：电流、电压的大小和方向随时间做周期性变化的电流；直流：方向不变的电流
  • 交流电
    • 产生：线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动
    • 中性面：Φ最大、ΔΦ/Δt=0=E；I=0；电流方向改变
    • 中性面的垂面：Φ=0、ΔΦ/Δt最大，E最大；I最大；电流方向不变
    • e=NBSωsinωt=Emaxsinωt；Emax=NBSω
    • 正弦式交变电流
      • 瞬时电流I=e/(R+r)=NBSωsinωt/(R+r)；路段电压瞬时值U=IR
    • 周期T，频率f，角速度ω=2π/T=2πf
    • 有效值：同周期与恒定电流产生相等热量时的电流电压叫作交变电流的有效值 例如：日常所说交变电流的电压电流、交流电表测量、交流用电器的额定电压、额定电流、保险丝的熔断电流都是有效值 正弦式交变电流的有效值：E=Emax/
    • 非正弦式交变电流有效值求法重难点
      • 一个周期内产生的热量Q=I^2Rt
  • 元件对交流电的影响
    • 电感线圈：通直流、阻交流；通低频，阻高频
      • 感抗：自感系数越大，交流频率越高，线圈感抗越高
    • 电容：通交流、阻直流；通高频，阻低频
      • 容抗：电容器电容越大，交流频率越高，容抗越小
  • 变压器
    • 原理：（原线圈和副线圈）互感
    • 理想变压器：忽略线圈电阻（不产生焦耳热）和电磁能量损失（忽略铁芯涡流）
    • U1/U2=n1/n2（匝数之比）；P输入=P输出
    • 重难点：动态分析
  • 互感器
    • 电压互感器
    • 电流互感器
  • 远距离输电
    • 电压损失ΔU=Ir=Pr/U，功率损失ΔP=I^2r=ΔU/r
    • 减小输电损耗：减小输电线电阻和电流（r不变时，保证输送P不变，电流减小，ΔP越小，需要提高U）
    • 直流输电：不存在感抗容抗引起的电能损失，不需要考虑同步并网
  • 电磁振荡
    • 振荡电路：能产生振荡电流的电路（LC振荡电路：线圈和电容器；公式T=2π根号LC）
    • 电磁振荡：振荡电流I、电容器电荷量q、电场强度E、线圈的磁感应强度周期性变化
    • 能量变化：同步同变，同步异变
• 电磁波
  • 变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场
    • 恒定电场不产生磁场，恒定电流产生恒定磁场
  • 电磁波
    • 周期性的电场→周期性变化的磁场→新的电场→→→由近及远，交替产生，形成电磁波 麦克斯韦预言，赫兹证实（相互感应而非介质）E、B互相垂直，均垂直于波的传播方向
    • 不需要介质，真空中速度=光速，c=λf 电磁波发射的过程就是辐射能量的过程（电场能量和磁场能量的转换） 具有能量传递信息
    • 电视广播发射与接收：放大→调谐→解调→显示
  • 电磁波谱
    • 无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线 光通常指可见光，电磁辐射产生即振动的电场和磁场产生的电磁波
    • 波长越长，频率越低，衍射能力越强，穿透能力越弱
  • 能量量子化
    • 一切物体都在辐射电磁波，且与温度有关所以叫热辐射
      • 温度升高，波长较短的成分越来越强
      • 物体中不停运动的带电微粒振动产生变化的磁场
    • 完全吸收各种波长的电磁波而不发生反射的物体叫作黑体，黑体同时辐射电磁波
      • 理想化模型
    • 能量子大小ε=hυ；普朗克常量h=6.63×10^-14J▪S；υ频率
      • 能量量子化
        • 光子的能量
    • 能级跃迁
      • 原子从高能态向低能态跃迁放出光子，释放的能量等于能级之差