16.5-1 麥克斯韋電磁場(chǎng)理論

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1、第十六章電磁感應(yīng)麥克斯韋（1831-1879）英國(guó)物理學(xué)家.經(jīng)典電磁理論的奠基人,氣體動(dòng)理論創(chuàng)始人之一.他提出了有旋場(chǎng)(感生電場(chǎng))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(dòng)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(chǎng)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(chǎng)磁場(chǎng)變化的磁場(chǎng)電場(chǎng)激發(fā)一.位移電流1、電磁場(chǎng)的基本規(guī)律對(duì)靜電場(chǎng)對(duì)穩(wěn)恒磁場(chǎng)對(duì)變化的磁場(chǎng)在電流非穩(wěn)恒狀態(tài)下,安培環(huán)路定理是否正確?對(duì)面對(duì)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(guò)程中，造成極板

2、上電荷積累隨時(shí)間變化。單位時(shí)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(shí)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(chēng)為位移電流。麥克斯韋假設(shè):變化的電場(chǎng)象傳導(dǎo)電流一樣能產(chǎn)生磁場(chǎng),從產(chǎn)生磁場(chǎng)的角度看,變化的電場(chǎng)可以等效為一種電流.定義（位移電流密度）通過(guò)電場(chǎng)中某截面的位移電流強(qiáng)度截面的電位移通量對(duì)時(shí)間的變化率。等于通過(guò)該電場(chǎng)中某點(diǎn)位移電流密度矢量矢量對(duì)時(shí)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(shí)反向同向2.位移電流和傳導(dǎo)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)

3、相同.3.在真空中位移電流無(wú)熱效應(yīng).二、全電流全電流通過(guò)某一截面的全電流是通過(guò)這一截面的傳導(dǎo)電流和位移電流的代數(shù)和.在任一時(shí)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(chǎng)傳導(dǎo)電流位移電流電荷的定向移動(dòng)電場(chǎng)的變化通過(guò)電流產(chǎn)生焦耳熱真空中無(wú)熱效應(yīng)傳導(dǎo)電流和位移電流在激發(fā)磁場(chǎng)上是等效．左旋右旋對(duì)稱(chēng)美靜電場(chǎng)和穩(wěn)恒磁場(chǎng)的基本規(guī)律靜電場(chǎng)穩(wěn)恒磁場(chǎng)變?nèi)Ⅺ溈怂鬼f方程組的積分形式變化磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)變化電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)穩(wěn)恒情況的電磁場(chǎng)規(guī)律將高斯定理也推廣到一般：電場(chǎng)：自由電荷的電場(chǎng)變化磁場(chǎng)的電場(chǎng)任意電場(chǎng)磁場(chǎng)傳導(dǎo)電流I的磁場(chǎng)位移電流Id的

4、磁場(chǎng)任意電流麥克斯韋方程組2.各方程的物理意義：1.麥克斯韋方程組：(1)在任何電場(chǎng)中，通過(guò)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?！性磮?chǎng)(2)在任何磁場(chǎng)中，通過(guò)任何閉合曲面的磁通量恒等于0。——無(wú)源場(chǎng)(3)一般地，電場(chǎng)強(qiáng)度E沿任意閉合環(huán)路的積分等于穿過(guò)該環(huán)路磁通量隨時(shí)間變化率的負(fù)值。——有旋場(chǎng)(4)磁場(chǎng)強(qiáng)度H沿任意閉合環(huán)路的積分，等于穿過(guò)該環(huán)路傳導(dǎo)電流和位移電流的代數(shù)和。——有旋場(chǎng)?qmiIm(1)(2)(3)(4)？結(jié)論：無(wú)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(chǎng)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(wú)線電學(xué)等學(xué)科的理論基

5、礎(chǔ)。麥克斯韋完善了電磁場(chǎng)理論，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：?3×108m/s人們贊美麥克斯韋方程組象一首美麗的詩(shī)!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(chǎng)可以激發(fā)電場(chǎng)、變化的電場(chǎng)又能激發(fā)磁場(chǎng)這一客觀規(guī)律，從而使人們認(rèn)識(shí)到電場(chǎng)與磁場(chǎng)間互相依存、互相轉(zhuǎn)化的關(guān)系,認(rèn)識(shí)到:電磁場(chǎng)的統(tǒng)一性。麥克斯韋電磁場(chǎng)理論使人類(lèi)對(duì)宏觀世界的認(rèn)識(shí)達(dá)到了一個(gè)新的高度，是從牛頓力學(xué)到愛(ài)因斯坦相對(duì)論建立這段時(shí)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(ài)因斯坦誕生?？茖W(xué)史上這種巧合

6、還有一次是在1642年，那一年伽里略去世，牛頓誕生。五、電磁場(chǎng)的物質(zhì)性實(shí)驗(yàn)證實(shí)：電磁場(chǎng)——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(dòng)量。1.電磁場(chǎng)能量能量密度靜電場(chǎng)的能量密度：穩(wěn)恒磁場(chǎng)的能量密度：變化的電磁場(chǎng)同時(shí)具有電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能：一般地：2.電磁場(chǎng)質(zhì)量密度電磁場(chǎng)具有有限的運(yùn)動(dòng)速度C，則其具有一定的質(zhì)量M。由相對(duì)論質(zhì)能關(guān)系：E=MC2設(shè)單位體積中，電磁場(chǎng)質(zhì)量為m，能量為w：w=mC2設(shè)單位體積中，電磁場(chǎng)質(zhì)量為m，能量為w：w=mC2——質(zhì)量密度3.電磁場(chǎng)動(dòng)量密度根據(jù)相對(duì)論動(dòng)量和能量的關(guān)系，電磁場(chǎng)動(dòng)量密度為4.電磁場(chǎng)物質(zhì)性的特點(diǎn)（1）沒(méi)有靜止質(zhì)量；Mo=0（2）電磁

7、場(chǎng)以波的形式傳播，以粒子的形式與實(shí)物相互作用；（3）電磁場(chǎng)可相互迭加，同時(shí)占具同一空間；（4）電磁波的波速與參照系無(wú)關(guān)。七、電磁波譜將電磁波按波長(zhǎng)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(wú)線電波?射線頻率(Hz)波長(zhǎng)(m)長(zhǎng)無(wú)線電波可見(jiàn)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(guó)科學(xué)家波波夫發(fā)明了第一個(gè)無(wú)線電報(bào)系統(tǒng)。1914年語(yǔ)音通信成為可能。1920年商業(yè)無(wú)線電廣播開(kāi)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