《物理学 结合医学和生物学解说性实例 卷3 电磁学》求取 ⇩

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D83

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