《电磁现象思维导图》
一、电的基本概念
1.1 电荷
- 定义：物体所带的正电或负电的性质。
- 种类：正电荷、负电荷。
- 电荷量：电荷的多少，单位为库仑(C)。
- 元电荷：e = 1.60 × 10⁻¹⁹ C，带电荷体的电荷量总是元电荷的整数倍。
- 电荷守恒定律：一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和总是保持不变。
- 摩擦起电：不同物体相互摩擦使电荷转移。
- 感应起电：导体置于电场中，导体上的自由电荷在电场力的作用下发生定向移动，导致导体两端出现电荷。
1.2 电场
- 定义：存在于电荷周围能够传递电荷之间相互作用的特殊物质。
- 电场强度 (E)：描述电场的强弱和方向的物理量。
- 定义式：E = F/q (q为试探电荷，F为试探电荷所受电场力)。
- 点电荷的电场：E = kQ/r² (Q为场源电荷，r为距离场源电荷的距离，k为静电力常量)。
- 匀强电场：电场强度大小和方向处处相同。
- 电场线：形象地描述电场的分布，电场线的疏密代表电场强度的大小，电场线的切线方向代表该点的电场强度方向。
- 特点：从正电荷或无穷远处出发，终止于负电荷或无穷远处；电场线互不相交。
- 电势 (φ)：描述电场中某点电势高低的物理量，单位为伏特(V)。
- 电势差 (U)：电场中两点间的电势之差，也称为电压，单位为伏特(V)。
- 等势面：电场中电势相等的各点构成的面。等势面与电场线垂直。
- 电场力做功：W = qU (q为电荷量，U为电势差)。
- 电势能：电荷在电场中所具有的势能。
- 电势能的变化：ΔE = -W (W为电场力做功)。
1.3 电容
- 定义：衡量电容器容纳电荷本领的物理量。
- 电容的定义式：C = Q/U (Q为电容器所带电荷量，U为电容器两端电压)。
- 电容的决定式：C = εS/(4πkd) (ε为介电常数，S为正对面积，d为极板间距离，k为静电力常量)。
- 电容器的储能：E = 1/2 QU = 1/2 CU² = 1/2 Q²/C。
二、电路
2.1 电流
- 定义：电荷的定向移动形成电流。
- 电流强度 (I)：表示电流强弱的物理量，单位为安培(A)。
- 定义式：I = Q/t (Q为通过导线横截面的电荷量，t为时间)。
- 电流的方向：正电荷定向移动的方向为电流的方向。
- 电流的种类：直流电、交流电。
2.2 电压
- 定义：使自由电荷发生定向移动形成电流的原因。
- 电源：提供电压的装置。
- 电动势 (E)：电源提供电压的能力，单位为伏特(V)。
2.3 电阻
- 定义：导体对电流的阻碍作用。
- 电阻 (R)：表示电阻大小的物理量，单位为欧姆(Ω)。
- 欧姆定律：R = U/I (U为导体两端电压，I为通过导体的电流)。
- 电阻定律：R = ρL/S (ρ为电阻率，L为导体长度，S为导体横截面积)。
2.4 电路定律
- 欧姆定律：U = IR (U为导体两端电压，I为通过导体的电流，R为电阻)。
- 串联电路：
- 电流处处相等：I = I₁ = I₂ = ...
- 总电压等于各部分电压之和：U = U₁ + U₂ + ...
- 总电阻等于各部分电阻之和：R = R₁ + R₂ + ...
- 并联电路：
- 电压处处相等：U = U₁ = U₂ = ...
- 总电流等于各支路电流之和：I = I₁ + I₂ + ...
- 总电阻的倒数等于各支路电阻倒数之和：1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + ...
- 焦耳定律：Q = I²Rt (Q为产生的热量，I为电流，R为电阻，t为时间)。
- 电功率：P = UI = I²R = U²/R (P为电功率，U为电压，I为电流，R为电阻)。
三、磁现象
3.1 磁场
- 定义：存在于磁铁或电流周围能够传递磁力的特殊物质。
- 磁感应强度 (B)：描述磁场的强弱和方向的物理量，单位为特斯拉(T)。
- 磁感线：形象地描述磁场的分布，磁感线的疏密代表磁感应强度的大小，磁感线的切线方向代表该点的磁场方向。
- 特点：闭合曲线；磁感线互不相交。
- 地磁场：地球周围存在的磁场。
3.2 磁场对电流的作用
- 安培力：磁场对电流的作用力。
- 大小：F = BILsinθ (B为磁感应强度，I为电流，L为导线长度，θ为导线与磁场方向的夹角)。
- 方向：左手定则。
- 洛伦兹力：磁场对运动电荷的作用力。
- 大小：f = qvBsinθ (q为电荷量，v为电荷速度，B为磁感应强度，θ为速度与磁场方向的夹角)。
- 方向：左手定则。
3.3 电磁感应
- 磁通量 (Φ)：穿过某一面积的磁感线条数。
- 计算公式：Φ = BS cosθ (B为磁感应强度，S为面积，θ为磁场方向与面积法线方向的夹角)。
- 电磁感应现象：闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动，电路中产生感应电流的现象。
- 感应电动势 (E)：感应电流产生的原因。
- 法拉第电磁感应定律：E = nΔΦ/Δt (n为线圈匝数，ΔΦ为磁通量变化量，Δt为时间)。
- 切割磁感线产生的电动势：E = BLv (B为磁感应强度，L为导线长度，v为切割速度)。
- 楞次定律：感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化。
- 自感：由于导体自身电流变化引起的电磁感应现象。
- 互感：由于一个电路中的电流变化，在另一个电路中引起电磁感应的现象。
- 电磁振荡：在包含电感和电容的电路中，电荷、电流、电场和磁场的周期性变化。
四、交变电流
4.1 正弦交流电
- 产生：线圈在匀强磁场中匀速转动产生。
- 表达式：
- 电流：i = Iₘ sin(ωt + φ)
- 电压：u = Uₘ sin(ωt + φ)
- Iₘ, Uₘ: 最大值
- ω: 角频率
- φ: 初相位
- 有效值：
- 电流：I = Iₘ/√2
- 电压：U = Uₘ/√2
4.2 变压器
- 原理：电磁感应。
- 电压关系：U₁/U₂ = n₁/n₂ (n为线圈匝数)。
- 电流关系：I₁/I₂ = n₂/n₁
- 功率关系：P₁ = P₂ (理想变压器)。
4.3 电磁波
- 定义：电磁场以波的形式传播。
- 特点：不需要介质传播；速度快 (c = 3.0 × 10⁸ m/s)。
- 波长、频率、速度的关系：c = λf (λ为波长，f为频率)。
- 应用：无线电通信、广播、电视等。
五、应用
- 电动机：将电能转化为机械能。
- 发电机：将机械能转化为电能。
- 电磁铁：利用电流的磁效应制造的磁铁。
- 传感器：感受外界信息并转换成电信号的装置。
- 电磁屏蔽：防止电磁干扰。
- 无线充电：利用电磁感应实现电能的无线传输。
这个思维导图涵盖了电磁现象的主要知识点，并按照逻辑顺序组织。 学习者可以通过这个导图快速回顾和理解电磁学的重要概念和规律。