电与磁 思维导图
中心主题：电与磁
电现象
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电荷
- 两种电荷：正电荷 (+)、负电荷 (-)
- 相互作用：同种电荷相斥，异种电荷相吸
- 电荷守恒定律：在一个孤立系统中，电荷的代数和保持不变。
- 元电荷：e = 1.6 x 10⁻¹⁹ C (电子或质子所带的电量)
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静电场
- 定义：电荷周围存在的一种特殊物质，对放入其中的电荷有力的作用。
- 电场强度
- 定义式：E = F/q (单位：N/C 或 V/m)
- 物理意义：描述电场强弱的物理量。
- 电场线：形象描述电场的假想线。
- 起止：正电荷出发，负电荷终止。
- 疏密：表示电场强弱。
- 不相交：电场线永不相交。
- 电势能与电势
- 电势能 (Ep)：电荷在电场中具有的势能。
- 电势 (φ)：φ = Ep/q (单位：伏特 V)
- 物理意义：描述电能性质的物理量。
- 电势差 (电压 U)：U = W/q = φ₁ - φ₂ (单位：伏特 V)
- 定义：电荷在电场中两点间移动时电场力所做的功与电荷量的比值。
- 关系：U = IR (欧姆定律)
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电路
- 基本物理量
- 电流：I = Q/t (单位：安培 A)
- 电压：U (单位：伏特 V)
- 电阻：R = U/I (单位：欧姆 Ω)
- 决定因素：材料、长度、横截面积、温度。
- 基本定律
- 欧姆定律：I = U/R (适用于纯电阻电路)
- 电阻定律：R = ρL/S (ρ为电阻率)
- 电路连接
- 串联电路：电流处处相等，总电压等于各部分电压之和。
- 并联电路：电压处处相等，干路电流等于各支路电流之和。
- 电功与电功率
- 电功：W = UIt (单位：焦耳 J)
- 电功率：P = UI = I²R = U²/R (单位：瓦特 W)
- 焦耳定律：Q = I²Rt (电流产生的热量)
- 基本物理量
磁现象
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磁场
- 定义：磁体、电流周围存在的一种特殊物质，对放入其中的磁体或电流有力的作用。
- 基本性质：对放入其中的磁体、电流有力的作用。
- 方向规定：小磁针静止时北极 (N极) 的指向。
- 磁感线：形象描述磁场的假想线。
- 在磁体外部：从N极出发，回到S极。
- 在磁体内部：从S极回到N极，形成闭合曲线。
- 不相交：磁感线永不相交。
- 疏密：表示磁场强弱。
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电流的磁效应
- 奥斯特实验：通电导线周围存在磁场。
- 安培定则 (右手螺旋定则)
- 直线电流：右手握住导线，大拇指指向电流方向，四指弯曲方向为磁感线环绕方向。
- 环形电流/螺线管：右手四指弯曲方向与电流方向一致，大拇指所指方向为螺线管内部磁感线方向 (即N极)。
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磁场对电流的作用
- 安培力
- 定义：磁场对通电导线的作用力。
- 大小：F = BILsinθ (θ为电流与磁场方向的夹角)
- 方向：左手定则
伸开左手,使大拇指与四指垂直，让磁感线垂直穿过手心，四指指向电流方向，大拇指所指方向为安培力方向。
- 洛伦兹力
- 定义：磁场对运动电荷的作用力。
- 大小：f = qvBsinθ (θ为速度与磁场方向的夹角)
- 方向：左手定则 (注意：四指指向正电荷运动方向)
- 应用：质谱仪、回旋加速器。
- 安培力
电与磁的相互关系 (核心)
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电流的磁效应 (电生磁)
- 电流的周围存在着磁场。
- 应用：电磁铁、电磁继电器、电动机。
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电磁感应 (磁生电)
- 发现者：法拉第
- 产生条件：穿过闭合电路的磁通量发生变化。
(可以是B变化，S变化，或B与S夹角变化)
- 感应电流的方向
- 楞次定律：感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。
- 步骤：
- 明确原磁场方向和磁通量变化 (增/减)。
- 根据楞次定律确定感应电流的磁场方向。
- 利用安培定则 (右手螺旋定则) 判断感应电流方向。
- 步骤：
- 右手定则：适用于部分导体切割磁感线。
伸开右手,使大拇指与四指垂直，让磁感线垂直穿过手心，大拇指指向导体运动方向，四指所指方向为感应电流方向。
- 楞次定律：感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。
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法拉第电磁感应定律
- 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。
- 公式：E = n(ΔΦ/Δt) (n为线圈匝数)
- 特殊情况 (导体切割磁感线)：E = BLv (B、L、v三者两两垂直)
电磁学应用
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发电机
- 原理：电磁感应 (机械能 → 电能)
- 类型：交流发电机、直流发电机
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电动机
- 原理：通电导线在磁场中受力 (电能 → 机械能)
- 结构：定子、转子、电刷、换向器
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变压器
- 原理：电磁感应 (交流电能)
- 公式：U₁/U₂ = n₁/n₂ (理想变压器)
- 作用：改变交流电压。
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其他应用
- 电磁炉：利用涡流加热。
- 磁悬浮列车：利用同名磁极相斥的原理。
- 话筒/录音机：声信号 → 电信号 (动圈式话筒) 或 电信号 → 磁信号 → 声信号。
- 指南针：地磁场应用。
综合与前沿
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麦克斯韦方程组
- 意义：经典电磁学的理论基础，统一了电、磁、光现象。
- 核心思想：变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，形成电磁波。
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电磁波
- 产生：由振荡电路 (如LC振荡电路) 产生。
- 传播：无需介质，在真空中以光速 (c = 3 x 10⁸ m/s) 传播。
- 谱系：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。
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现代技术
- 无线通信 (手机、Wi-Fi)
- 雷达
- 医学成像 (MRI核磁共振)
总结与联系
- 核心关系：电与磁是相互联系、不可分割的统一体，电流周围存在磁场 (电生磁)，变化的磁场能产生感应电流 (磁生电)。
- 能量转化：发电机实现了“机械能 → 电能”的转化；电动机实现了“电能 → 机械能”的转化。
- 统一理论：麦克斯韦方程组将电、磁、光完美地统一起来，预言了电磁波的存在，是物理学史上的伟大成就。
