16.5-1 麥克斯韋電磁場理論

1、第十六章電磁感應(yīng) 麥克斯韋（1831-1879）英國物理學(xué)家 . 經(jīng)典電磁理論的奠基人 , 氣體動理論創(chuàng)始人之一 . 他提出了有旋場 (感生電場)和位移電流的概念 , 建立了經(jīng)典電磁理論 , 并預(yù)言了以光速傳播的電磁波的存在 .在氣體動理論方面 , 他還提出了氣體分子按速率分布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律.16.5 麥克斯韋電磁場理論1820年奧斯特電磁1831年法拉第磁電產(chǎn)生產(chǎn)生變化的電場磁場變化的磁場電場激發(fā)一. 位移電流1、電磁場的基本規(guī)律對靜電場對穩(wěn)恒磁場對變化的磁場在電流非穩(wěn)恒狀態(tài)下 , 安培環(huán)路定理是否正確 ?對 面對 面矛盾+電容器破壞了電路中傳導(dǎo)電流的連續(xù)性。+II電容器極板在充放電過程中，造成

2、極板上電荷積累隨時間變化。單位時間內(nèi)極板上電荷增加（或減少）等于通入（或流出）極板的電流由高斯定理:即+II做一高斯面則式中:傳導(dǎo)電流 若把最右端電位移通量的時間變化率看作為一種電流，那么電路就連續(xù)了。麥克斯韋把這種電流稱為位移電流。麥克斯韋假設(shè) : 變化的電場象傳導(dǎo)電流一樣能產(chǎn)生磁場,從產(chǎn)生磁場的角度看 , 變化的電場可以等效為一種電流. 定義（位移電流密度） 通過電場中某截面的位移電流強(qiáng)度 截面的電位移通量對時間的變化率。等于通過該電場中某點(diǎn)位移電流密度矢量矢量對時間的變化率。等于該點(diǎn)電位移位移電流的理解1. 位移電流與傳導(dǎo)電流方向相同如放電時反向同向2. 位移電流和傳導(dǎo)電流產(chǎn)生磁場相同.

3、3. 在真空中位移電流無熱效應(yīng).二、全電流全電流通過某一截面的全電流是通過這一截面的傳導(dǎo)電流 和位移電流的代數(shù)和.在任一時刻,電路中的全電流總是連續(xù)的. 在非穩(wěn)恒的電路中,安培環(huán)路定律仍然成立.全電流定律位移電流和傳導(dǎo)電流一樣，都能激發(fā)磁場傳導(dǎo)電流位移電流電荷的定向移動電場的變化通過電流產(chǎn)生焦耳熱真空中無熱效應(yīng)傳導(dǎo)電流和位移電流在激發(fā)磁場上是等效左旋右旋對稱美靜電場和穩(wěn)恒磁場的基本規(guī)律靜電場穩(wěn)恒磁場變?nèi)?、麥克斯韋方程組的積分形式變化磁場產(chǎn)生電場變化電場產(chǎn)生磁場穩(wěn)恒情況的電磁場規(guī)律將高斯定理也推廣到一般：電場：自由電荷的電場變化磁場的電場任意電場磁場傳導(dǎo)電流 I 的磁場位移電流 Id的磁場任意電

4、流麥克斯韋方程組2.各方程的物理意義：1.麥克斯韋方程組：(1)在任何電場中，通過任何閉合曲面的電位移通量等于 該閉合曲面內(nèi)自由電荷的代數(shù)和。有源場(2)在任何磁場中，通過任何閉合曲面的磁通量 恒等于0。無源場(3)一般地，電場強(qiáng)度E沿任意閉合環(huán)路的積分等于 穿過該環(huán)路磁通量隨時間變化率的負(fù)值。有旋場(4)磁場強(qiáng)度H沿任意閉合環(huán)路的積分，等于穿過該 環(huán)路傳導(dǎo)電流和位移電流的代數(shù)和。有旋場qmiIm(1)(2)(3)(4)？結(jié)論： 無論是否有磁荷、磁流存在，麥克斯韋方程組不受影響。它成為電磁場理論的基礎(chǔ)，并經(jīng)受了實(shí)踐的檢驗(yàn)，已成為現(xiàn)代電子學(xué)、無線電學(xué)等學(xué)科的 理論基礎(chǔ)。 麥克斯韋完善了電磁場理論

5、，預(yù)言了電磁波的存在，并計(jì)算出電磁波在真空的速度為： 3108 m/s人們贊美 麥克斯韋方程組 象一首美麗的詩 !理論假設(shè)在先，實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)在后 麥克斯韋在電磁理論方面的杰出貢獻(xiàn)在于：他完整而深刻地揭示出變化的磁場可以激發(fā)電場、變化的電場又能激發(fā)磁場這 一客觀規(guī)律，從而使人們認(rèn)識到電場與磁場間互相依存、互相轉(zhuǎn)化的關(guān)系, 認(rèn)識到:電磁場的統(tǒng)一性。 麥克斯韋電磁場理論使人類對宏觀世界的認(rèn)識達(dá)到了一個新的高度，是從牛頓力學(xué)到愛因斯坦相對論建立這段時期中物理學(xué)史上最重要的理論成果。 1879年11月5日，麥克斯韋因病在劍橋逝世，年僅48歲。那一年正好愛因斯坦誕生?？茖W(xué)史上這種巧合還有一次是在1642年，那

6、一年伽里略去世，牛頓誕生。 五、 電磁場的物質(zhì)性實(shí)驗(yàn)證實(shí)：電磁場客觀存在的一種物質(zhì)形態(tài)一切物質(zhì)具有基本屬性：能量、質(zhì)量、動量。1.電磁場能量 能量密度靜電場的能量密度：穩(wěn)恒磁場的能量密度：變化的電磁場同時具有電場能和磁場能：一般地：2. 電磁場質(zhì)量密度電磁場具有有限的運(yùn)動速度C，則其具有一定的質(zhì)量M。由相對論質(zhì)能關(guān)系：E=MC2設(shè)單位體積中，電磁場質(zhì)量為m，能量為w：w =mC2設(shè)單位體積中，電磁場質(zhì)量為m，能量為w：w =mC2質(zhì)量密度3. 電磁場動量密度根據(jù)相對論動量和能量的關(guān)系，電磁場動量密度為4.電磁場物質(zhì)性的特點(diǎn)（1）沒有靜止質(zhì)量；Mo= 0（2）電磁場以波的形式傳播， 以粒子的形式

7、與實(shí)物相互作用；（3）電磁場可相互迭加，同時占具同一空間；（4）電磁波的波速與參照系無關(guān)。七、 電磁波譜將電磁波按波長或頻率的順序排列成譜X射線紫外線紅外線微 波毫米波短無線電波 射線頻率(Hz)波長(m)長無線電波可見光電磁波的應(yīng)用從1888年赫茲用實(shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在，1895年俄國科學(xué)家波波夫發(fā)明了第一個無線電報系統(tǒng)。1914年語音通信成為可能。1920年商業(yè)無線電廣播開始使用。20世紀(jì)30年代發(fā)明了雷達(dá)。40年代雷達(dá)和通訊得到飛速發(fā)展，自50年代第一顆人造衛(wèi)星上天，衛(wèi)星通訊事業(yè)得到迅猛發(fā)展。如今電磁波已在通訊、遙感、空間控測、軍事應(yīng)用、科學(xué)研究等諸多方面得到廣泛的應(yīng)用。光是電磁波光色 波長(nm) 頻率(Hz) 中心波長