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(共30张PPT)
主题二
电与磁及其应用
物理
我国早在战国末期和东汉初年，就有关于磁现象和电现象的文字记载。但是，人类对电磁现象的系统研究是在欧洲文艺复兴之后才逐渐开始的，到 19 世纪才建立了完整的电磁理论。在电磁理论基础上发展起来的微电子、计算机及现代通信技术改善了人们的生活，推动了社会的进步，将人类带入了一个崭新的时代。本主题将学习电场、磁场和电磁感应等电磁理论的基础知识。
第二节　
　电势能　电势　电势差
如图 5-18 所示，一个正电荷在电场中只受到静电力 F 的作用，它在电场中由A 点运动到 B 点时，静电力做了正功 WAB。由动能定理可知，该电荷的动能增加了WAB。从能量转化的角度思考，这个正电荷的动能增加了，意味着有另外一种形式的能量减少了。你知道这是什么形式的能量吗？
一、电势能
1. 电势能的概念
我们知道，物体在地球的重力场中受到重力作用，具有重力势能。与此类似，电荷在电场中受到电场力作用，具有势能，这种势能叫作电势能。与重力势能一样，电势能也具有相对性，与参考位置的选择有关。
电势能是标量，常用符号 Ep 表示。在国际单位制中，电势能的单位为 J。
2. 电势能与电场力做功的关系
我们知道，重力做功与重力势能的关系满足 WG=Ep1-Ep2，与此类似，电场力做功与电势能的关系也满足
WAB=EpA-EpB
式中，WAB 表示把点电荷从 A 点移至 B 点时电场力做的功；EpA 表示点电荷在 A 点具有的电势能；EpB 表示点电荷在 B 点具有的电势能，如图 5-18 所示。
这说明，电场力做了多少功，电势能就改变多少。电场力做正功，电势能减小；电场力做负功，电势能增加。
重力场与静电场的类比如表 5-1 所示。
二、电势　电势差
1. 电势
电荷在电场中某一点所具有的电势能与电量的比值和电量无关，这个比值反映了电场本身的性质。
我们把电场中某点处电荷所具有的电势能 Ep 与电荷量 q 的比值叫作该点处的电势（电位），通常用 φ 表示，即
电势是反映电场性质的物理量，它是电场本身的属性。电势在数值上等于单位电荷在该点所具有的电势能。
跟电势能一样，电势也是标量。在国际单位制中，电势的单位是伏特，简称伏，符号是 V，1 V=1 J/C。
2. 电势的相对性
与电势能一样，电势的大小也和参考位置的选择有关。在工程技术中，常选大地或仪器中的公共地线为电势的零点，这叫作接地。
3. 电势差
电场中两点之间的电势之差叫作电势差，用 U 表示。电势差也叫电压。设电场中 A、B 两点的电势分别为 φA 和 φB，则 A、B 两点的电势差为
UAB=φA-φB
显然
UBA=φB-φA
所以
UBA=-UAB
三、匀强电场中电势差和电场强度的关系
电场强度和电势差从不同侧面反映了电场的性质，它们之间必然存在一定的联系，下面以匀强电场为例进行研究。
在图 5-19 所示的匀强电场中，场强为 E，设 A、B 两点是沿电场线方向上的两点，相距为 d，电势差为 U，通过理论推导可得出下列结论：
在匀强电场中，沿场强方向的两点间的电势差等于场强与这两点间的距离的乘积，即
U=Ed
或者
E= U/d
上式表明，在匀强电场中，场强在数值上等于沿场强方向每单位距离上的电势差，所以场强的单位还可以用 V/m 表示。
可以证明，沿着电场线方向，电势逐渐降低；逆着电场线方向，电势逐渐增大。
1. 如图 5-20 所示，在一匀强电场区域中，有 A、B、C、D 四点恰好位于一平行四边形的四个顶点上，已知 A、B、C 三点的电势分别为 φA=1 V，φB=4 V，φC=0 V，则 D 点的电势 φD 的大小为（　　）。
A. -3 V　　 B. 0 V C. 2 V　　 D. 1 V
课后练习
2. 某电场的电场线分布如图 5-21 所示，以下说法正确的是（　　）。
A. c 点场强大于 b 点场强
B. a 点电势高于 b 点电势
C. 若将一试探电荷 +q 由 a 点释放，它将沿电场线运动到 b 点
D. 若在 d 点再固定一点电荷 -Q，将一试探电荷 +q 由 a 点移至 b 点的过程中，电势能减小
课后练习
第三节　
磁场　磁感应强度
春秋末期的《管子·地数管》、战国时期的《鬼谷子》、战国末期的《吕氏春秋》等都曾记述了天然磁石及其吸铁现象。起重电磁铁（图 5-22）能吸起成吨的钢铁，小磁体却只能吸起几枚铁钉。磁场有强弱之分，那么我们怎样定量地描述磁场的强弱呢？
一、磁场
磁体能够吸引铁、钴、镍等磁性材料，这种性质称为磁性。磁体两端磁性最强的地方称为磁极，即 N 极和 S 极。同名磁极互相排斥，异名磁极互相吸引。
磁体通过它周围的特殊物质而相互作用，这种传递磁体相互作用的物质称为磁场。磁体通过自己的磁场对其他磁体施加的作用力，称为磁场力（简称磁力）。
人们规定磁场的方向为：可以自由转动的小磁针在磁场中某点停止转动后，N 极所指的方向称为该点的磁场方向，如图 5-23 所示。
磁场有两种来源：磁性物质产生的磁场和电流产生的磁场。
与用电场线描绘电场的方法相似，为了形象地描绘磁场，人为地在磁场中画出一些曲线，使曲线上每一点的切线方向与该点的磁场方向一致，这些线称为磁感线。在磁体外部，磁感线从 N 极出发，绕到 S 极；在磁体内部，磁感线从 S 极通向 N 极。磁感线的疏密反映了磁场的强弱，磁场越强的地方，磁感线越密集。
学习提示：磁感线是人们为了形象地描述磁场而引入的，并非真实存在。掌握几种常见磁场的磁感线分布特点，可为分析电磁学问题提供方便。
电流也会产生磁场，电流产生磁场的现象称为电流的磁效应。判断电流周围磁场方向的方法称为右手螺旋定则（安培定则）。
当电流为直线电流时，用右手握住导线，让垂直于四指的拇指指向电流方向，弯曲的四指所指的方向就是磁感线的方向，如图 5-25（a）所示。由图 5-25（b）可以看出，直线电流的磁感线是环绕电流的闭合曲线，在垂直于导线的平面内是一系列同心圆。
当电流为环形电流（或通电直螺线管）时，用右手握住环形电流（或通电直螺管），让弯曲的四指和电流的方向一致，而与四指垂直的拇指所指的方向就是环形电流（或通电直螺线管）中心轴线上磁感线的方向，如图 5-26 所示。
学习提示：用右手螺旋定则判断直导体电流和通电螺线管中的磁场方向时，手指所代表的方向是不同的。
二、磁通量　磁感应强度
穿过某一面积的磁感线数目，称为通过该面积的磁通量Φ，简称磁通。在国际单位制中，磁通的单位是 Wb（韦伯）。
磁通与磁场的强弱有关，如图 5-27 所示的条形磁铁中，离磁极较远的地方，磁场较弱，穿过线圈的磁感线数目较少，磁通小；离磁极较近的地方，磁场较强，穿过相同面积线圈的磁感线数目较多，磁通大。
磁感应强度
地磁场的磁感应强度的大小约为 5×10-5 T；永久磁铁附近的磁感应强度的大小为 0.4 ～ 0.8 T；大型电磁铁附近的磁感应强度的大小约为 2 T；人体最强的磁信号来自肺，其磁感应强度的大小约为 10-9 T。
实践探究
在有些磁场的某一区域，如果各点的磁感应强度的大小和方向都相同，这个区域的磁场就称为匀强磁场。匀强磁场的磁感线是一些疏密均匀、互相平行的直线。两个距离很近的异性磁极间的磁场（图 5-28）、通电长直螺线管内部的磁场均可视为匀强磁场。
【例 5-4】　在图 5-29（a）所示的匀强磁场中，小磁针停止转动后，N 极将指向何方？
解：在磁场中，小磁针停止转动后，N 极的指向应该与小磁针所在处的磁场方向一致，即指向右方，如图 5-29（b）所示。
【例 5-5】　有一铁芯的横截面积为 10 cm2，已知垂直通过该面积的磁通为9×10-4 Wb，求铁芯内的磁感应强度。
解：
Φ=9×10-4 Wb，S=10 cm2=1×10-3 m2
由公式解得
电磁式继电器
在工业电器控制中，对于大容量的电动机或负载，或操作频繁的电路，或需要远距离操作和自动控制时，手动电器显然不能满足要求，必须采用自动电器。继电器是一种根据某种输入信号的变化，而接通或断开所控制的电路，实现自动控制或保护电动机的自动电器之一。继电器动作的灵敏度和准确度较高。其中，电磁式继电器是常用的一类继电器，电流继电器、电压继电器、中间继电器和部分时间继电器等都属于电磁式继电器。图 5-30 所示为中间继电器。
实践探究
中间继电器的主要部分是电磁系统和触头系统。电磁系统由电磁线圈、动铁芯（衔铁）和静铁芯等组成，如图 5-31 所示。它的工作原理是：电磁线圈通电时产生磁场，使动、静铁芯磁化产生磁场而互相吸引，当动铁芯被吸向静铁芯时，与动铁芯相连的动触头也被拉向静触头，令其闭合接通电路。电磁线圈断电后，磁场消失，动铁芯在复位弹簧的弹力作用下回到原位，牵动动触头与静触头分离，分断电路。
实践探究
1. 关于磁感应强度，正确的说法是（ ）。
A. 一段通电导线放在磁感应强度为零的位置，它受到的磁场力一定为零
B. 一段通电导线放在磁感应强度为零的位置，它受到的磁场力一定不为零
C. 一段通电导线放在某点不受磁场力的作用，则该点的磁感应强度一定为零
D. 以上三种说法都不对
课后练习
2. 关于磁通量的说法，下面正确的是（ ）。
A. 磁感应强度大的地方，穿过线圈的磁通量也大
B. 磁通量的变化不一定是由磁场的变化引起的
C. 线圈的面积大，穿过它的磁通量也大
D. 磁通量变化了，磁感应强度一定发生变化
课后练习
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物理

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