物理学 结合医学和生物学解说性实例 卷3 电磁学PDF电子书下载

卷三 电磁学目录 1

1．库仑力、静电场、静电势、静电能 1

1.1电荷和库仑定律 1

A．物质的电结构 1

i）基本带电粒子之间的静电力 1

ii）静电力的相加性 2

iii）原子是电中性的吗？ 5

iv）量子物理学和氢原子的大小 6

v）电荷的迁移率；导体和绝缘体 10

B．电荷单位的定义 11

i）电荷的静电单位 11

ii）库仑和电荷的流动 12

iii）MKS制中的库仑定律 12

iv）电荷守恒 14

C．总结和静电学的学习方案 15

1.2电场 17

A．试验电荷和E的定义。一些简单电荷分布所产生的电场 17

i）孤立电荷Q的电场 19

ii）离原点距离a的两个点电荷的电场 20

B．场线和它们的特征几何表示法 22

i）场线的作法 22

ii）几种点电荷排列的电场分布 24

iii）偶极子场 27

C．高斯定律 28

i）电通量的概念 28

ii）高斯定律的积分形式 30

iii）高斯定律的微分形式 35

A．库仑定律以及电场与静电势之间的关系 39

1.3静电势 39

B．试验电荷所作的功。线积分和静电势 41

C．点电荷、偶极子、连续电荷分布、偶极子层（或偶层）的电势 43

i）偶极子的电势 43

ii）无限长电荷线的电势 44

iii）偶层的电势 46

D．等势面和场线。静电场的边界条件和导电体的电势 48

E．求自由空间中静电势的拉普拉斯方程 50

i）拉普拉斯方程基干解贮备 50

ii）初始均匀电场中的金属球 52

1.4电容器——静电能的储存 56

A．平行板电容器 57

i）平行板电容器的电场、板电荷和电容 57

ii）平行板电容器两板间的相互作用力。静电场能 59

B．柱形和球形对称的电容器 61

1.5非导体的静电学：电介质和电极化性 62

A．介电常数和极化率的定义 62

B．原子和分子的感生偶极矩和永久偶极矩。 65

玻耳兹曼因子的作用 65

i）原子和分子的电子极化率 65

ii）离子极化率 65

iii）永久电偶极子和它们在电场作用下的取向 67

C．体极化PoP和极化表面电荷密度 70

σ极的关系 70

D．关于介电常数к和微观极化率α的相互关系 71

E．气体的极化率 72

i）感生和永久电偶极矩的实验测定 72

ii）原子的电子极化率经典模型 73

iii）永久电偶极矩和它们与分子结构的关系 75

ii）致密气体、液体和固体的克劳修斯－莫索蒂关系式的检验 76

F．非极性的液体、固体和液体混合物的介电常数 76

i）局部电场和克劳修斯－莫索蒂关系式 76

iii）液体混合物的介电常数 78

G．极性液体的介电常数。翁萨格理论 79

i）克劳修斯－莫索蒂公式的失效。反应场和自发极化。 79

ii）翁萨格关于极性媒质介电常数的理论。与实验数据的比较。 81

H．介电体内部和周围的电场。边界条件和位移矢量D 83

i）拉普拉斯方程和介电体表面的边界条件 83

ii）初始均匀电场中的电介质球体 86

1.6电介媒质中的静电力和能量 89

A．电介质流体中电荷系统的静电能量和力 90

i）平行板电容器 90

ii）单个带电球体的静电能 92

iii）电介质中两电荷间的作用力 93

B．水作为离子化合物的溶剂 95

i）电介质中离子的自具能 95

ii）离子化合物在电介质溶剂中的溶解度静电学习题 100

2．电流 121

2.1导言 121

2.2电流、电阻、欧姆定律及电功率耗散 122

A．电流。电迁移率、电导率及电阻率 122

B．欧姆定律 125

C．欧姆导体中的功率消耗 127

2.3电解质溶液的电导率 129

A．电解质溶液的电导率理论 129

B．迁移率和电导率理论与实验测量的比较 131

C．弱酸的离解度。对电导率的应用 135

A．电导率理论 141

2.4金属的电导率 141

B．与实验数据的比较 146

2.5稳恒电流及非稳恒电流的电网络。基尔霍夫定律。电阻、电容及运算放大器 147

A．电路元件。理想的独立电压源和独立电流源。基尔霍夫定律。 147

i）无源电路元件 147

ii）电网络和理想电压源及理想电流源 149

iii）电压与电流的波形 150

iv）基尔霍夫定律 151

v）等效电压源和等效电流源 155

vi）电压、电流和功率传输 158

B．测量和控制用的换能器与简单的电阻性网络 161

i）测量温度、压强和应变的换能器 161

ii）测量电阻用的惠斯登电桥 164

iii）用电势计测量电压 167

a）阶跃函数电压输入 168

C．含有电阻和电容的电路内的非稳恒电流 168

i）电阻电容串联电路 168

b）方形脉冲电压输入 171

c）输入电压为时间的任意函数 173

d）RC电路用作积分器、时间平均器或滤波器 175

e）用作微分器的RC电路 176

f）串联RC电路对正弦信号的响应 177

ii）交流电路理论基础 181

a）旋转矢量图。容抗、导纳和阻抗 181

b）并联RC电路 184

c）补偿衰减器 186

D．运算放大器 188

i）理想运算放大器的基本特性 188

a）倒相放大器电路 191

ii）实际运算放大器对理想状态的偏离 191

iii）利用反馈作用的线性运算放大器 191

b）非倒相放大器、跟随器 193

c）波形加法电路和波形减法电路 196

d）积分电路和微分电路 198

2.6细胞膜电容和厚度的电学测定方法 201

A．细胞膜的静电电容及存储在其中的能量 201

B．细胞膜电容的测定方法。与交流电路理论的关系 205

2.7三维空间内的电荷与电流、连续性方程和电荷中和性、准稳态流动。对闪电与流入大地电流的应用 207

A．导电媒质中的连续方程与电荷中和性 207

B．准稳恒电流 210

C．闪电与流入大地的电流 211

2.8心电描记术 214

A．心脏神经与肌肉细胞的解剖学与电生理学基础。偶层和跨细胞的电势差 215

B．心脏的除极化。心动矢量P（t） 217

C．心脏的电活动性。正常心脏的P（t） 218

D．人体表面的等电势线。球体模型 221

E．标量心电描记术和矢量心电描记术 224

参考文献 228

电流习题 230

3．电化学和生物电 251

3.1离子扩散和能斯脱－普朗克方程 251

A．扩散和电场造成的离子流。能斯脱－普朗克方程 251

B．扩散电势。液结和盐桥 254

i）非均匀浓度单一电解液的扩散电势 254

ii）两种不同电解液界面上的结电势 256

iii）盐桥。细胞膜电势的测量 258

C．德拜屏蔽：围绕荷电表面的离子云 260

i）平衡离子浓度和平衡静电势。玻耳兹曼因子 261

ii）泊松－玻耳兹曼方程、德拜长度定义 262

iii）线性泊松－玻耳兹曼方程的解 263

iv）德拜屏蔽距离的大小。溶液的离子强度 264

v）德拜长度能测量吗？ 265

vi）带电球体的德拜屏蔽 267

D．电泳 268

i）关于蛋白结构和电荷的一些情况 269

ii）带电粒子的电泳迁移率 270

iii）电泳测量法 275

3.2伽伐尼电池、电极、电化学测量、pH测定 278

A．引言。伽伐尼电池 278

i）．极反应。定义阴极和阳极 280

ii）伽伐尼静止电势是电极电势、接触电势及结电势之和 282

iii）可逆电极反应 285

iv）第二类电极 286

v）氢电极 287

B．伽伐尼电池的电动势 288

i）半电池电势的能斯脱方程 288

ii）能斯脱关系式的实验检验 291

iii）浓度、活度和活度系数 292

C．电化学测量：水的离子积、pH测定、酸平衡常数 293

iv）德拜－许克尔的活度系数理论 296

i）水的离子积 299

ii）pH－测定 301

iii）弱酸的平衡常数 302

iv）玻璃电极 305

A．生物电现象引言 307

i）简短的历史介绍 307

3.3膜电位。生物膜。离子的主动输运。可兴奋膜及动作电位 307

ii）生物膜。膜电位的生理作用 308

B．膜电位 310

i）道南平衡 312

ii）细胞内液和外液的电解质成分及观察到的膜电位 317

iii）尤辛通量比标准及钠泵 319

iv）生物膜的电流－电压关系 322

C．可兴奋膜。轴突及动作电位 325

i）轴突作为一电缆 327

ii）动作电位及有关的跨膜电流 333

iii）霍奇金和赫胥黎的研究工作简介 336

iv）兴奋阈的存在 344

参考文献 345

电化学和生物电习题 347

4．电磁 358

4.1磁场与磁力 358

A．引言：基本磁现象 358

B．洛仑兹力 360

i）作用在单个运动电荷上的力和磁场B的定义 360

ii）作用在微分电流元上的磁力 361

iii）作用在电流环路上的转矩。磁偶极子 362

iv）磁偶极子与磁场间的相互作用能 364

C．微分电流元产生的磁场。毕奥－沙伐尔 365

定律。安培定律 365

i）长直载流导线的磁场 366

ii）微小电流环路的磁场。磁偶极场iii）安培定律 369

a）长直载流导线的磁场 369

b）长直螺线管内部的磁场 372

a）粗导线内部和外部的磁场 372

iv）安培定律的应用：粗导线中的磁场和长直螺线管中的磁场 372

4.2法拉第电磁感应定律 374

A．磁通量和感生电动势 374

i）构成法拉第定律基础的基本观察事实 374

ii）感生电动势和磁通量的定义。法拉第定律和楞次定则的陈述 375

B．自感、互感、电感电路、电共振 380

i）自感的定义 380

ii）电感器作为一电路元件。简单RL电路 380

iii）由交流电压源激励的串联RL电路 384

iv）包含电阻、电容和电感的电路。电共振 386

a）LC共振电路：振荡 387

b）电源激励的RLC串联电路 390

v）两载流线圈的互感 393

vi）变压器作为电路元件 394

4.3麦克斯韦方程（组）和电磁波 397

A．总结。麦克斯韦方程（组）概述 397

i）场概念 398

ii）电荷，电流，和电荷守恒 399

iii）电场的性质 400

iv）磁场的性质 403

B．电磁波 407

i）波和波动方程 408

ii）平面电磁波 410

iii）正弦波。线偏振和圆偏振 412

iv）电磁波谱 414

磁场和磁力习题 416

基本常数表 424

MKSA制单位表 425