16.5-1 麥克斯韋電磁場理論

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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，造成極板

2、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位移電流密度矢量矢量對時間的變化率。等于該點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

3、相同.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

4、磁場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?！性磮?2)在任何磁場中，通過任何閉合曲面的磁通量恒等于0?！獰o源場(3)一般地，電場強度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值。——有旋場(4)磁場強度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?！行龍?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)受了實踐的檢驗，已成為現(xiàn)代電子學(xué)、無線電學(xué)等學(xué)科的理論基

5、礎(chǔ)。麥克斯韋完善了電磁場理論，預(yù)言了電磁波的存在，并計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!理論假設(shè)在先，實驗檢驗在后麥克斯韋在電磁理論方面的杰出貢獻在于：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，從而使人們認識到電場與磁場間互相依存、互相轉(zhuǎn)化的關(guān)系,認識到: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識達到了一個新的高度，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

6、還有一次是在1642年，那一年伽里略去世，牛頓誕生。五、電磁場的物質(zhì)性實驗證實：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（1）沒有靜止質(zhì)量；Mo=0（2）電磁

7、場以波的形式傳播，以粒子的形式與實物相互作用；（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年赫茲用實驗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30年代發(fā)明了雷達。40年代雷達和通訊得到飛速發(fā)展，自50年