我很明确系统学习专业知识的作用,所以为了提高专业水平,假期我坚持重学大学课程,其中第一项就是电磁学。我听的是北京大学教授完整的电磁学课程,总共几乎花了55个小时才学习完,也做了几十页的笔记。
合上笔记,不到回去看,只在脑中回忆老师讲的内容。她讲了什么呢?我学到什么呢?下面一一总结。
我学习了静电场的基本知识,场强与电势等物理量自不必说,主要学习了高斯定理与环路定理,前者是关于电通量与电荷间的关系,后者是微积分形式的场强与电势的关系,这些内容应用在电路中就有不一样的表达形式。
然后我学习了导体在电场中电荷的分布,介质在电场中的极化现象,这些新产生的电场通过叠加重新作用在电场上。这里面讲述了各种常见电荷分布场强的计算,比如无线长带电直导体、无限宽带电平面、无线长带电圆柱体,它们都利用对称性并通过积分求出某点的场强。在电介质的极化现象中,我学习了描述极化强度等物理量及其对应关系。
学完静电场,开始学习磁场。首先学习各种电流产生磁场的计算,这里用到“比尔萨法”定律,就是关于电流磁场的定律,然后学习了各种电流导体不考虑边界条件下各点磁场的计算,比如直流导线、直流线圈与通电螺线管的磁场。然后学习了磁性材料,包括顺磁性材料与抗磁性材料,软磁性与硬磁性,其中这里主要介绍了磁化现象、以及描述磁化强度的物理量及其对应关系。
总之,学习磁场与学习磁场的方法类似,都有通量的高斯定律与安培环路定理,只是磁力是一个非保守力,没有跟电势能一样的磁势能。当然这里介绍了两种磁场的理论,一种是几乎完全照搬电场的方法,提出磁场强度、磁矢势等的磁荷理论,但由于找不到如单个电荷一样的磁单极而没有被使用;另一种理论是物理学界比较认同也是高中都在使用的基于安培分子电流假说的理论,即磁现象的本质是由于磁体中有分子电流。
分别学习完电场与磁场后,接下来就学习了它们的关系——电磁感应定律,通过这里我知道很过科学家在这方面的故事与研究,当然如我们所知道的,最后是法拉第发现了磁生电的规律。那么在这之后伟大的麦克斯韦通过他独特的才能引出了两种感应电动势,即动生电动势与感生电动势,并揭示了这两种电动势产生的原因,即非静电力的来源问题,前者是由于洛伦兹力对电荷的作用产生,后者是由于一种区别与静电场的涡旋电场产生,正是这个新的电场导致感应电流的产生,这也说明了变化的磁场产生电场,这为后来麦克斯韦方程组奠定了基础。
在电磁现象的章节中,老师还更详细的介绍自感、互感以及它们产生的能量,知道了作为电感器与电容器的作用,它们不像电阻要消耗电能,它们只是能量的储存器、之间发生能量的转化,如通过电感器,发生电能与磁能的转化,通过电容器,实现电能的转移。
上面讲的是变化的磁场产生电场,当然在更早前奥斯特就发现电流周围有磁场,后来麦克斯韦发现变化的电场也能产生电流,从而也形成磁场,这个就是他提出的位移电流,位移电流很小,很难测到,需要频率很高的电场才能测量,所以位移电流也一直不为人知。至此,麦克斯韦总结前人的规律,结合自己的发现,提出统一完整的电磁场理论,最终变成四个式子,有积分与微分的形式,它们是电场两个,包括有极化作用的高斯定理与安培环路定理,磁场两个,也是包含有磁化作用的高斯定理与安培环路定理。
然后在麦克斯韦方程组的推导下,得出在没有自由电荷与传导电流的空间中,存在一种电磁波,它们类似于机械波的方程,但是不依赖于介质而传播,只依靠自己互相变化的电磁场传播,电磁场传播能量与动量。具体说就是描述磁场的磁场强度与描述电场的电场强度在空间中相位差为0,互相垂直传播,在真空中传播速度为光速。
除了这些内容,我还听了老师的几个讲座与几节关于电磁的实验。讲座内容为超导体的实验现象与理论解释,我知道了关于超导电子产生的条件以及它没有阻碍而不会消耗能量的特性。我还见识了很多现象明显又有趣的电磁实验,完全可以演示给小朋友与学生看的,其中包括科技馆里的“等离子体”的导电。
以上是基本的学习内容,那么通过学习,它对我有什么作用呢?
一方面我可以从本质上从系统的网络中把握学习内容,可以把目前的课讲得更清晰些,也使目前的学习内容放入物理学习的系统网络中,使零碎的知识变得更有价值,这也是上课最大的收获了吧!
一方面我可以领略北大教授的风采,学习他们广博而深厚的知识,以及他们高尚的道德涵养。
以上就是我这次课的总结与心得,希望在未来与大家继续前行!