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電磁學 版權信息
- ISBN：9787030296696
- 條形碼：9787030296696 ; 978-7-03-029669-6
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
電磁學 內容簡介
本書是"教育部第二特色專業建設"項目的成果，是為適應基礎教育課程改革，培養適應現代社會和未來發展的高素質的師資人才而編寫的.本書教育理念優選，突出師范特色，借鑒了國內外教材改革的成果，博采眾長，使教材更具人性化、簡明化，教師便于講授，學生便于有自學.全書共分七章，主要內容包括靜電場、靜電場中的導體、靜電場中的電介質、穩恒電流、穩恒磁場、磁場中的磁介質、變化的電磁場.每章均附有思考題和習題，書后配有習題答案.
電磁學 目錄
目錄
前言
第1章 靜電場 1
1.1 電荷 1
1.1.1 摩擦起電 1
1.1.2 物體的電結構 1
1.1.3 電荷守恒性 2
1.1.4 電荷的量子性 2
1.1.5 電荷不變性 3
1.1.6 導體、絕緣體和半導體 3
1.2 庫侖定律 4
1.2.1 庫侖定律的表述 4
1.2.2 疊加原理 5
1.3 電場和電場強度 6
1.3.1 電場 6
1.3.2 電場強度 6
1.3.3 電場強度的計算 8
1.4 高斯定理及應用 14
1.4.1 電場線 14
1.4.2 電通量 16
1.4.3 高斯定理 17
1.4.4 高斯定理的應用 20
1.5 電勢 23
1.5.1 電場力所做的功 23
1.5.2 靜電場的環路定理 24
1.5.3 電勢能 25
1.5.4 電勢差和電勢 25
1.5.5 電勢的計算 26
1.5.6 等勢面 29
1.5.7 電場強度與電勢梯度的關系 30
1.6 靜電能 32
1.6.1 電荷與電場的相互作用能 32
1.6.2 點電荷系的相互作用能 33
1.6.3 靜電場中的電偶極子 34
1.6.4 帶電體的靜電能 36
思考題 38
習題 41
第2章 靜電場中的導體 48
2.1 導體的靜電平衡性質 48
2.1.1 導體的靜電平衡條件 48
2.1.2 靜電平衡時導體上的電荷分布 49
2.2 靜電屏蔽 51
2.3 有導體存在時靜電場的分析與計算 52
2.4 靜電場的唯一性定理 57
2.4.1 唯一性定理 57
2.4.2 幾個引理 57
2.4.3 唯一性定理的證明 58
2.4.4 從唯一性定理看靜電屏蔽 58
2.5 靜電應用 59
2.5.1 靜電除塵器 59
2.5.2 靜電噴涂 60
2.5.3 靜電復印 60
2.6 電容和電容器 61
2.6.1 孤立導體的電容 61
2.6.2 電容器及其電容 62
2.6.3 幾種常見電容器的電容 62
2.6.4 電容器的連接 64
2.7 電容傳感器 66
2.7.1 面積變化型電容傳感器 66
2.7.2 極距變化型電容傳感器 67
2.7.3 變介電常數型電容傳感器 68
2.8 靜電場的能量 68
2.8.1 帶電導體的靜電能 68
2.8.2 電場的能量 69
2.8.3 靜電場對導體的作用力 70
思考題 72
習題 75
第3章 靜電場中的電介質 83
3.1 電介質對電場的影響 83
3.2 電介質的極化 84
3.3 極化強度和極化電荷 86
3.3.1 極化強度的定義 86
3.3.2 極化強度與電場強度的關系 87
3.3.3 極化電荷與極化強度的關系 87
3.4 有電介質時的靜電場方程 94
3.4.1 電位移矢量D與有介質時的高斯定理 94
3.4.2 有介質時的靜電場環路定理 96
3.4.3 靜電場的邊界條件 96
3.5 有介質時的靜電能 102
3.5.1 電介質中靜電能的定義 102
3.5.2 電介質中電場能 103
思考題 107
習題 108
第4章 穩恒電流 114
4.1 電流和電流密度 114
4.1.1 電流 114
4.1.2 電流密度 115
4.1.3 電流線 116
4.1.4 電流的連續性方程 116
4.1.5 穩恒電流與穩恒電場 116
4.2 歐姆定律和電阻 117
4.2.1 歐姆定律 117
4.2.2 電阻率 118
4.2.3 電阻應變片 119
4.2.4 歐姆定律的微分形式 121
4.3 電功率和焦耳定律 121
4.3.1 電功率 121
4.3.2 焦耳定律 122
4.3.3 焦耳定律的微分形式 122
4.4 金屬導電的經典微觀解釋 122
4.5 電源和電動勢 124
4.5.1 電源的作用 124
4.5.2 非靜電場的強度 125
4.5.3 電動勢 126
4.5.4 全電路歐姆定律和一段含源電路的歐姆定律 126
4.5.5 穩恒電場在穩恒電路的作用 127
4.6 兩種常見的電源 129
4.6.1 化學電源 129
4.6.2 溫差電源 131
4.7 電路定理 133
4.7.1 基爾霍夫定律 133
4.7.2 疊加原理 135
4.7.3 電壓源與電流源 137
4.7.4 戴維寧定理 138
4.7.5 諾爾頓定理 139
思考題 140
習題 142
第5章 穩恒磁場 149
5.1 磁的基本現象 149
5.1.1 磁鐵 149
5.1.2 電流的磁效應 149
5.1.3 磁體對電流的作用 150
5.1.4 磁體對運動電子的作用 150
5.1.5 平行電流間的相互作用 150
5.1.6 載流螺線管與磁體相互作用 150
5.2 安培定律 151
5.3 磁場與磁感應強度 154
5.3.1 磁場 154
5.3.2 磁感應強度 154
5.3.3 磁感應線 156
5.4 畢奧薩伐爾定律 157
5.4.1 畢奧薩伐爾定律 157
5.4.2 畢奧薩伐爾定律的應用 157
5.4.3 運動電荷的磁場 163
5.5 磁場的高斯定理 164
5.5.1 磁通量 164
5.5.2 高斯定理 164
5.6 安培環路定理 166
5.6.1 安培環路定理 166
5.6.2 安培環路定理的應用 168
5.7 磁場對載流線圈的作用 173
5.7.1 磁場對載流直導線的作用 173
5.7.2 磁場對載流線圈的作用 173
5.7.3 磁場對磁偶極子的作用 175
5.7.4 磁場對磁場作用——磁懸浮 176
5.8 磁場對運動電荷的作用 177
5.8.1 帶電粒子在磁場中的運動 177
5.8.2 帶電粒子在電場和磁場中運動舉例 180
5.8.3 洛倫茲力與安培力 186
思考題 188
習題 190
第6章 磁場中的磁介質 196
6.1 磁介質對磁場的影響 196
6.2 磁介質的磁化 197
6.2.1 原子的磁矩 197
6.2.2 順磁質的磁化 199
6.2.3 抗磁質的磁化 199
6.3 磁化強度與磁化電流 200
6.3.1 磁化強度的定義 200
6.3.2 磁化強度與磁感應強度的關系 201
6.3.3 磁化電流 201
6.3.4 磁化電流與磁化強度的關系 202
6.3.5 磁化電流面密度與磁化強度的關系 203
6.3.6 磁化電流體密度與磁化強度的關系 204
6.4 有磁介質時的穩恒磁場方程 207
6.4.1 有介質時的高斯定理 207
6.4.2 磁場強度H與有介質時的安培環路定理 207
6.4.3 穩恒磁場的邊界條件 208
6.5 鐵磁質 212
6.5.1 磁滯回線 212
6.5.2 磁疇 214
6.5.3 磁路定理 215
6.6 超導體 217
6.6.1 超導體的基本性質 217
6.6.2 邁斯納效應 218
6.6.3 BCS理論 219
6.6.4 第二類超導體 220
6.6.5 約瑟夫森效應 220
思考題 221
習題 223
第7章 變化的電磁場 228
7.1 電磁感應定律 228
7.1.1 電磁感應現象 228
7.1.2 電磁感應定律 230
7.1.3 楞次定律 231
7.2 動生電動勢和感生電動勢 233
7.2.1 動生電動勢 233
7.2.2 電磁感應中的能量轉換關系 235
7.2.3 感生電動勢和感生電場 235
7.2.4 電磁感應的應用 239
7.3 自感和互感 242
7.3.1 自感 242
7.3.2 互感 245
7.4 磁場的能量 252
7.4.1 自感磁能 252
7.4.2 互感磁能 252
7.4.3 磁場的能量 253
7.5 位移電流 254
7.5.1 位移電流 255
7.5.2 全電流安培環路定理 257
7.6 麥克斯韋方程組與電磁波 260
7.6.1 麥克斯韋方程組 260
7.6.2 自由空間的平面電磁波 261
7.6.3 電磁波的能量 263
7.6.4 電磁波的動量 264
7.6.5 電磁波的產生與輻射 265
7.6.6 電磁波譜 270
思考題 273
習題 275
習題答案 285
參考書目 296
前言
第1章 靜電場 1
1.1 電荷 1
1.1.1 摩擦起電 1
1.1.2 物體的電結構 1
1.1.3 電荷守恒性 2
1.1.4 電荷的量子性 2
1.1.5 電荷不變性 3
1.1.6 導體、絕緣體和半導體 3
1.2 庫侖定律 4
1.2.1 庫侖定律的表述 4
1.2.2 疊加原理 5
1.3 電場和電場強度 6
1.3.1 電場 6
1.3.2 電場強度 6
1.3.3 電場強度的計算 8
1.4 高斯定理及應用 14
1.4.1 電場線 14
1.4.2 電通量 16
1.4.3 高斯定理 17
1.4.4 高斯定理的應用 20
1.5 電勢 23
1.5.1 電場力所做的功 23
1.5.2 靜電場的環路定理 24
1.5.3 電勢能 25
1.5.4 電勢差和電勢 25
1.5.5 電勢的計算 26
1.5.6 等勢面 29
1.5.7 電場強度與電勢梯度的關系 30
1.6 靜電能 32
1.6.1 電荷與電場的相互作用能 32
1.6.2 點電荷系的相互作用能 33
1.6.3 靜電場中的電偶極子 34
1.6.4 帶電體的靜電能 36
思考題 38
習題 41
第2章 靜電場中的導體 48
2.1 導體的靜電平衡性質 48
2.1.1 導體的靜電平衡條件 48
2.1.2 靜電平衡時導體上的電荷分布 49
2.2 靜電屏蔽 51
2.3 有導體存在時靜電場的分析與計算 52
2.4 靜電場的唯一性定理 57
2.4.1 唯一性定理 57
2.4.2 幾個引理 57
2.4.3 唯一性定理的證明 58
2.4.4 從唯一性定理看靜電屏蔽 58
2.5 靜電應用 59
2.5.1 靜電除塵器 59
2.5.2 靜電噴涂 60
2.5.3 靜電復印 60
2.6 電容和電容器 61
2.6.1 孤立導體的電容 61
2.6.2 電容器及其電容 62
2.6.3 幾種常見電容器的電容 62
2.6.4 電容器的連接 64
2.7 電容傳感器 66
2.7.1 面積變化型電容傳感器 66
2.7.2 極距變化型電容傳感器 67
2.7.3 變介電常數型電容傳感器 68
2.8 靜電場的能量 68
2.8.1 帶電導體的靜電能 68
2.8.2 電場的能量 69
2.8.3 靜電場對導體的作用力 70
思考題 72
習題 75
第3章 靜電場中的電介質 83
3.1 電介質對電場的影響 83
3.2 電介質的極化 84
3.3 極化強度和極化電荷 86
3.3.1 極化強度的定義 86
3.3.2 極化強度與電場強度的關系 87
3.3.3 極化電荷與極化強度的關系 87
3.4 有電介質時的靜電場方程 94
3.4.1 電位移矢量D與有介質時的高斯定理 94
3.4.2 有介質時的靜電場環路定理 96
3.4.3 靜電場的邊界條件 96
3.5 有介質時的靜電能 102
3.5.1 電介質中靜電能的定義 102
3.5.2 電介質中電場能 103
思考題 107
習題 108
第4章 穩恒電流 114
4.1 電流和電流密度 114
4.1.1 電流 114
4.1.2 電流密度 115
4.1.3 電流線 116
4.1.4 電流的連續性方程 116
4.1.5 穩恒電流與穩恒電場 116
4.2 歐姆定律和電阻 117
4.2.1 歐姆定律 117
4.2.2 電阻率 118
4.2.3 電阻應變片 119
4.2.4 歐姆定律的微分形式 121
4.3 電功率和焦耳定律 121
4.3.1 電功率 121
4.3.2 焦耳定律 122
4.3.3 焦耳定律的微分形式 122
4.4 金屬導電的經典微觀解釋 122
4.5 電源和電動勢 124
4.5.1 電源的作用 124
4.5.2 非靜電場的強度 125
4.5.3 電動勢 126
4.5.4 全電路歐姆定律和一段含源電路的歐姆定律 126
4.5.5 穩恒電場在穩恒電路的作用 127
4.6 兩種常見的電源 129
4.6.1 化學電源 129
4.6.2 溫差電源 131
4.7 電路定理 133
4.7.1 基爾霍夫定律 133
4.7.2 疊加原理 135
4.7.3 電壓源與電流源 137
4.7.4 戴維寧定理 138
4.7.5 諾爾頓定理 139
思考題 140
習題 142
第5章 穩恒磁場 149
5.1 磁的基本現象 149
5.1.1 磁鐵 149
5.1.2 電流的磁效應 149
5.1.3 磁體對電流的作用 150
5.1.4 磁體對運動電子的作用 150
5.1.5 平行電流間的相互作用 150
5.1.6 載流螺線管與磁體相互作用 150
5.2 安培定律 151
5.3 磁場與磁感應強度 154
5.3.1 磁場 154
5.3.2 磁感應強度 154
5.3.3 磁感應線 156
5.4 畢奧薩伐爾定律 157
5.4.1 畢奧薩伐爾定律 157
5.4.2 畢奧薩伐爾定律的應用 157
5.4.3 運動電荷的磁場 163
5.5 磁場的高斯定理 164
5.5.1 磁通量 164
5.5.2 高斯定理 164
5.6 安培環路定理 166
5.6.1 安培環路定理 166
5.6.2 安培環路定理的應用 168
5.7 磁場對載流線圈的作用 173
5.7.1 磁場對載流直導線的作用 173
5.7.2 磁場對載流線圈的作用 173
5.7.3 磁場對磁偶極子的作用 175
5.7.4 磁場對磁場作用——磁懸浮 176
5.8 磁場對運動電荷的作用 177
5.8.1 帶電粒子在磁場中的運動 177
5.8.2 帶電粒子在電場和磁場中運動舉例 180
5.8.3 洛倫茲力與安培力 186
思考題 188
習題 190
第6章 磁場中的磁介質 196
6.1 磁介質對磁場的影響 196
6.2 磁介質的磁化 197
6.2.1 原子的磁矩 197
6.2.2 順磁質的磁化 199
6.2.3 抗磁質的磁化 199
6.3 磁化強度與磁化電流 200
6.3.1 磁化強度的定義 200
6.3.2 磁化強度與磁感應強度的關系 201
6.3.3 磁化電流 201
6.3.4 磁化電流與磁化強度的關系 202
6.3.5 磁化電流面密度與磁化強度的關系 203
6.3.6 磁化電流體密度與磁化強度的關系 204
6.4 有磁介質時的穩恒磁場方程 207
6.4.1 有介質時的高斯定理 207
6.4.2 磁場強度H與有介質時的安培環路定理 207
6.4.3 穩恒磁場的邊界條件 208
6.5 鐵磁質 212
6.5.1 磁滯回線 212
6.5.2 磁疇 214
6.5.3 磁路定理 215
6.6 超導體 217
6.6.1 超導體的基本性質 217
6.6.2 邁斯納效應 218
6.6.3 BCS理論 219
6.6.4 第二類超導體 220
6.6.5 約瑟夫森效應 220
思考題 221
習題 223
第7章 變化的電磁場 228
7.1 電磁感應定律 228
7.1.1 電磁感應現象 228
7.1.2 電磁感應定律 230
7.1.3 楞次定律 231
7.2 動生電動勢和感生電動勢 233
7.2.1 動生電動勢 233
7.2.2 電磁感應中的能量轉換關系 235
7.2.3 感生電動勢和感生電場 235
7.2.4 電磁感應的應用 239
7.3 自感和互感 242
7.3.1 自感 242
7.3.2 互感 245
7.4 磁場的能量 252
7.4.1 自感磁能 252
7.4.2 互感磁能 252
7.4.3 磁場的能量 253
7.5 位移電流 254
7.5.1 位移電流 255
7.5.2 全電流安培環路定理 257
7.6 麥克斯韋方程組與電磁波 260
7.6.1 麥克斯韋方程組 260
7.6.2 自由空間的平面電磁波 261
7.6.3 電磁波的能量 263
7.6.4 電磁波的動量 264
7.6.5 電磁波的產生與輻射 265
7.6.6 電磁波譜 270
思考題 273
習題 275
習題答案 285
參考書目 296
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電磁學 節選
第1章 靜電場 相對于觀察者靜止的電荷產生的電場稱為靜電場。本章主要討論真空中靜止電荷之間的相互作用，從庫侖定律出發，引入關于靜電場的基本概念和性質，從而導出反映靜電場基本特性的高斯定理和環路定理，并運用這些概念和規律分析靜電場的一些典型問題。本章的內容是學習以后各章的基礎。 1.1 電荷 1.1.1 摩擦起電 人們對電荷的認識*早是從摩擦起電現象和自然界的雷電現象開始的。實驗指出，硬橡膠棒與毛皮摩擦后或玻璃棒與絲綢摩擦后對輕微物體都有吸引作用。當物體具有了這種性質，就說該物體帶了電或有了電荷。帶有電荷的物體稱為帶電體。經過摩擦使物體帶電的過程稱為摩擦起電。摩擦起電現象十分普遍，特別在塑料制造、化纖紡織、溶劑生產等過程中廣泛存在。在這些過程中，摩擦起電常常會影響產品質量，甚至引起爆炸事故。 大量實驗表明，自然界中的電荷只有兩種：被毛皮摩擦過的硬橡膠棒所帶的電荷稱為負電荷，被絲綢摩擦過的玻璃棒所帶的電荷稱為正電荷。同種電荷互相排斥，異種電荷互相吸引。物體所帶電荷的多少稱為電荷量，簡稱電量，用Q或q表示。電量的國際單位是庫侖，記做C。 1.1.2 物體的電結構 摩擦起電的根本原因與物體的電結構有關。現代物理學指出，任何物體都是由分子、原子構成，原子又由原子核和核外電子構成。在原子核內有質子和中子。質子帶正電，中子不帶電，電子帶負電。在通常狀態下，核內質子數與核外電子數相等，質子與電子的電量等量異性，因此對外不顯示電性。但是，不同物體發生相互摩擦時，會使一個物體上的電子轉移到另一個物體，從而失去電子的物體就帶正電，得到電子的物體就帶負電。由此可見，物體帶電的本質是其電荷的遷移和重新分配。除了摩擦起電外，還可以有“接觸”或“感應”等起電方法，其起電本質都相同。在日常生活中，穿脫化纖、羊毛等衣服時很容易產生的靜電就是一種摩擦帶電。 1.1.3 電荷守恒性 從宏觀現象看，兩不帶電物體相互摩擦使其分別帶電，所帶電荷等量異性；靜電感應使不帶電導體的兩端出現等量異性感應電荷；帶電體與不帶電體接觸使之帶電，兩物體電荷總量等于原帶電體的電荷。 在微觀現象中，變化前后的電荷代數和相等。例如，一個高能光子與一個重原子核作用時，該光子可以轉化為一個正電子和一個負電子(這叫電子對的“產生”)；而一個正電子和一個負電子在一定條件下相遇，又會同時消失而產生兩個或三個光子(這叫電子對的“湮滅”)。由于光子不帶電，正、負電子又各帶有等量異性電荷，所以，反應物的總電荷等于生成物的總電荷。 如上所述，大量實驗表明，在一個孤立系統中，無論發生了怎樣的物理過程，電荷都不會創生，也不會消失，只能從一個物體轉移到另一個物體上，或從物體的一部分轉移到另一部分，即在任何過程中，電荷的代數和是守恒的。這就是電荷守恒定律。由此定律可推得，單位時間內流入流出系統邊界的凈電荷量等于系統內電荷的變化率。 1.1.4 電荷的量子性 1909年，美國物理學家密立根(R.Millikan，1868~1953)通過油滴實驗發現，電荷量總是以一個基本單元的整數倍出現。這個電荷量的基本單元就是電子所帶電荷量的絕對值，用e表示e=1.6021892×10-19C物體由于失去電子而帶正電，或是得到額外電子而帶負電，但物體帶的電荷量必然是電子電荷量e的整數倍，即q=ne(n=1，2， )。物體所帶電荷量的這種不連續性稱為電荷的量子性。因為e如此之小，以致電荷的量子性在研究宏觀現象的絕大多數實驗中未能表現出來。因此常把帶電體當做電荷連續分布的帶電體來處理，并認為電荷的變化是連續的。 目前已經比較確定的“基本”粒子有200余種。如此眾多的“基本”粒子并非同樣基本，有些基本粒子內部還有復雜的結構。弄清這些所謂基本粒子內部的結構，減少真正的基本粒子數，是物理學家進一步追求的目標。于是便提出了有關基本粒子結構的各種模型，1964年蓋爾曼(M.Gell-Mann)和茨威格(G.Zweig)提出夸克模型：夸克有6種，即上夸克、粲夸克、底夸克、下夸克、奇夸克和頂夸克，前三種夸克帶2e/3電量，而后三種夸克帶-e/3電量，一切強子(參與強力作用的粒子的總稱，如質子、中子等)由夸克組成。如質子由兩個上夸克和一個下夸克組成，故質子的電量正好為e。中子由一個上夸克和兩個下夸克組成，故中子不帶電。然而，至今單獨存在的夸克尚未在實驗中發現，因為夸克處在一種禁閉狀態。在理論上和實驗上如何實現退禁閉狀態是人們非常關心的一個課題。 1.1.5 電荷不變性 實驗證明，一個電荷的電量與它的運動狀態無關。例如，加速器將電子或質子加速時，隨著粒子速度的變化，電量沒有任何變化。再如氫分子和氦原子都有兩個電子，它們在核外的運動狀態差別不大，電子電量應該相等。但是氫分子的兩個質子是作為兩個原子核在保持相對距離約為0.07nm 的情況下轉動的；氦原子中的兩個質子卻緊密地束縛在一起運動。氦原子中的兩個質子的能量比氫分子的兩個質子的能量大到一百萬倍的數量級，因而兩者的運動狀態有顯著差別。如果電荷的電量與運動狀態有關，氫分子中質子的電量就應該和氦原子中質子的電量不同，但兩者的電子電量是相同的，因此兩者就不可能都是電中性的。但是實驗證實，氫分子和氦原子都精確地是電中性的。這就說明，質子的電量也是與其運動狀態無關的。大量事實證明，電荷的電量是與其運動狀態無關的。所以，在不同的參考系中觀察，同一帶電粒子的電量不變。電荷的這一性質稱為電荷的相對論不變性。 1.1.6 導體、絕緣體和半導體 1720年，英國科學家格雷(Stephen Gray，1670~1736)仔細研究了電沿某些物體傳播的事實，并引入了導體的概念。具有良好的導電性能的物體稱為導體。導體的特點是其內部有大量的自由電荷，這些電荷在電場的作用下能自由移動。導體導電性能的優劣用電導率σ來描述，σ越大，導電性能越好。銀、銅、鋁等金屬導體的電導率都在108S/m 量級。常常把金屬等以自由電子導電的物體稱為**類導體(電子遷移)，把酸、堿、鹽等電解液稱為第二類導體(離子遷移)，把電離氣體稱為第三類導體(電子和離子雙重遷移)。 幾乎不能導電的物質(如橡膠、塑料、云母及空氣等)稱為絕緣體，絕緣體又稱為電介質。由于絕緣體原子核對其外層電子束縛力很強，自由電子極少，故電阻率很大，在通常情況下顯示出程度不同的微弱導電性。但在某些條件下，絕緣體的導電能力會發生顯著變化。例如在強電力作用下，絕緣體會變成導體。這種現象稱為絕緣體的擊穿。又如干燥氣體是很好的絕緣體，但是當氣體受到紫外線、X 射線或其他輻射時，氣體會電離成為電子、正離子和中性分子的混合體，從而成為導體。 導電能力介于導體和絕緣體之間的物質(如硅、鍺、硒等)稱為半導體。非常純的半導體導電性能接近絕緣體。在半導體中摻入微量其他元素，常常可使其導電能力大為增加，故其導電能力可由摻入雜質的種類與數量來控制。人們將微量的砷或硼等元素摻入鍺和硅中就是為了這個目的。由半導體材料制成的晶體管和集成電路導致電子工業的革命。 1.2 庫侖定律 1.2.1 庫侖定律的表述 在發現電現象后的兩千多年里，人們對電的認識一直停留在定性階段。從18世紀中葉開始，許多科學家有目的地進行一些實驗性的研究，以便找出靜止電荷之間相互作用力的規律。但是，直接研究帶電體的作用十分復雜，因為作用力不僅與物體所帶電量有關，而且還與帶電體的形狀、大小以及周圍介質有關。 圖1.1 測量點電荷之間相互作用規律的庫侖扭秤裝置 1785年法國科學家庫侖注意到電荷之間的作用力與萬有引力有許多類似之處，大膽地假設靜止電荷之間相互作用力的規律與萬有引力定律有類似的形式。為了證實這一假設，庫侖首先提出了點電荷的理想模型，認為當帶電體的大小和帶電體之間的距離相比很小時，可以忽略其形狀和大小，把它看作一個帶電的幾何點。又設計了一臺精密的扭秤，如圖1.1所示，對兩個靜止點電荷之間的相互作用進行實驗，通過定量分析，庫侖得到了兩個點電荷在真空中的相互作用規律，稱為庫侖定律，表述如下： 真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力的大小與這兩個點電荷所帶的電量q1 和q2 的乘積成正比，與它們之間的距離r的平方成反比，作用力的方向沿兩個點電荷的連線，同種電荷相斥，異種電荷相吸，即(1.1)式中，er表示一單位矢量，由施力者指向受力者方向，如圖1.2所示，k為比例常量，其值取決于式中物理量所選取的單位。電荷q1 和q2 的電荷量值可正可負，當q1 和q2 同號時，F與er同向，表現為斥力；當q1 和q2 異號時，F與er反向，表現為吸力。在國際單位制中，k的量值為k=8.987551787×109N m2 C-2 ≈9.0×109N m2 C-2為使以后導出的公式有理化，通常我們將k表示成式中，ε0 稱為真空介電常量，又稱真空電容率，其量值為ε0 =8。854187818×10-12C2 N-1 m-2這樣，真空中的庫侖定律通常可表示成(1.2) 圖1.2 庫侖定律 庫侖定律是關于一種基本力的定律，它的正確性不斷經歷著實驗的考驗。設定定律分母中r的指數為2+α，人們曾設計了各種實驗來確定(一般是間接地)α的上限。1773年卡文迪許的靜電實驗給出α ≤0.02。約百年后麥克斯韋的類似實驗給出α ≤5×10-5.1971年威廉斯等人改進該實驗得出α ≤ (2.7±3.1)×10-16。這些都是在實驗室范圍(10-3~10-1m)內得出的結果。對于很小的范圍，盧瑟福的α粒子散射實驗(1909)已經證實小到10-15m 的范圍，現代高能電子散射實驗進一步證實小到10-17m 的范圍，庫侖定律仍然精確地成立。大范圍的結果是通過人造地球衛星研究地球磁場得到的。它給出庫侖定律精確地適用于107m 范圍，因此一般就認為在更大的范圍內庫侖定律仍然有效？ 1.2.2 疊加原理 當空間存在兩個以上的點電荷時，任意兩個點電荷間都存在相互作用。實驗指出：兩個點電荷間的作用力不因第三個電荷的存在而改變。不管一個體系中存在多少個點電荷，每一對點電荷之間的作用力都服從庫侖定律，而任一點電荷所受到的力等于所有其他點電荷單獨作用于該點電荷的庫侖力的矢量和，這一結論稱為疊加原理。 設有n個點電荷組成的體系，第j個點電荷qj作用于第i個點電荷qi的庫侖力為式中，rij為qj到qi的距離，erij為從指向qi方向的單位矢量。根據疊加原理，qi受到的合力為 (1.3) 疊加原理是自然界客觀事實的總結，疊加原理與庫侖定律相結合，構成了整個靜電學的基礎，原則上可以解決靜電學的全部問題。但不能理所當然認為，疊加原理應在一切情況下都是成立的，在某些非常小的范圍內如原子或亞原子范圍內，疊加原理并不成立。 1.3 電場和電場強度 1.3.1 電場 庫侖定律只給出了兩個點電荷之間相互作用的定量關系，并未指明這種作用是通過怎樣的方式進行的。我們常說：力是物體與物體之間的相互作用。這種作用常被習慣地理解為是一種直接接觸作用。例如，推車時，通過手和車的直接接觸把力作用在車子上。但是電力、磁力和重力卻可以發生在兩個相隔一定距離的物體之間。那么，這些力究竟是如何傳遞的呢?圍繞這個問題，歷史上曾經有過爭論：一種觀點認為，這些力的作用不需要中間媒介，也不需要時間，就能實現遠距離的相互作用，這種作用常稱為超距作用。另一種觀點認為，這些力是通過一種充滿于空間的彈性介質——“以太”來傳遞的。 現代物理學證明，“超距作用”的觀點是錯誤的，電力和磁力的傳遞需要時間，傳遞速度約為3×108m s-1.1887年邁克耳孫-莫雷實驗證明，“以太”根本不存在。英國物理學家法拉第提出新的觀點：認為在電荷周圍存在著一種特殊形態的物質，稱為電場。電荷與電荷之間的相互作用是通過電
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