16.5麥克斯韋電磁場(chǎng)理論

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1、第16章電磁感應(yīng)及電磁場(chǎng)16.5麥克斯韋電磁場(chǎng)理論麥克斯韋（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)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.1865年麥克斯韋在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，提出完整的電磁場(chǎng)理論，他的主要貢獻(xiàn)是提出了“有旋電場(chǎng)”和“位移電流”兩個(gè)假設(shè)，從而預(yù)言了電磁波的存在，并計(jì)算出電磁波的速度（即光速）.1888年赫茲的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了他的預(yù)言,麥克斯韋理論奠定了經(jīng)典動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)，為無(wú)線(xiàn)電技術(shù)和

2、現(xiàn)代電子通訊技術(shù)發(fā)展開(kāi)辟了廣闊前景.(真空中)引言：靜電場(chǎng)穩(wěn)恒磁場(chǎng)電?電磁?磁電?磁磁?電變化磁場(chǎng)感應(yīng)電場(chǎng)變化電場(chǎng)？麥克斯韋又敏銳提出了：變化電場(chǎng)渦旋磁場(chǎng)產(chǎn)生如何提出？感應(yīng)磁場(chǎng)1.引入S1S2RIC在電容的充放電過(guò)程中：以左極板邊緣取為積分回路L，并以L(fǎng)為邊界作曲面S1、S2。對(duì)S1面：對(duì)S2面：相矛盾！安培定律有問(wèn)題？否！安培定律對(duì)非穩(wěn)恒情況不適用。IS1極板q(t)極板間D(t)S2麥克斯韋分析矛盾后，指出：大膽地從理論上提出：位移電流的概念.一、位移電流IS1S2以左極板為例，如圖取高斯面：0穿過(guò)S1的電流：位移電流——變化電場(chǎng)若S

3、2面不隨時(shí)間t變化：有電流的量綱RIC2.定義：位移電流位移電流密度：電容充電：電容放電：結(jié)論：在電容器中，Id總=I，極板中斷的電流由Id接替，保持電流的連續(xù)性。位移電流：RIC3.全電流麥克斯韋假設(shè)電場(chǎng)中某一點(diǎn)位移電流密度等于該點(diǎn)電位移矢量對(duì)時(shí)間的變化率.在非穩(wěn)恒情況，往往是傳導(dǎo)電流I與位移電流同時(shí)存在，兩者之和的電流總是閉合的。4.全電流安培環(huán)路定理：傳導(dǎo)電流+位移電流=全電流即：磁場(chǎng)強(qiáng)度H沿任意閉合環(huán)路的積分等于穿過(guò)此環(huán)路的傳導(dǎo)電流與位移電流的代數(shù)和。S1S2RIC對(duì)S1面：對(duì)S2面：而：I=Id二、位移電流（變化電場(chǎng)）產(chǎn)生的磁場(chǎng)

4、。Id在激發(fā)磁場(chǎng)方面完全等效于IcId所激發(fā)的磁場(chǎng)H(B)與其成右手螺旋關(guān)系：三、傳導(dǎo)電流與位移電流的比較位移電流Id的實(shí)質(zhì)是變化電場(chǎng)！2.Ic產(chǎn)生焦耳熱而Id不產(chǎn)生焦耳熱！Ic和Id以共同的形式激發(fā)磁場(chǎng)。1.傳導(dǎo)電流Ic和電荷的宏觀定向運(yùn)動(dòng)有關(guān),而共同點(diǎn)——不同點(diǎn)——3.Ic只存在于導(dǎo)體中，而Id可存在于導(dǎo)體、介質(zhì)和真空中。例1有一圓形平行平板電容器,.現(xiàn)對(duì)其充電,使電路上的傳導(dǎo)電流,若略去邊緣效應(yīng),求（1）兩極板間的位移電流;（2）兩極板間離開(kāi)軸線(xiàn)的距離為的點(diǎn)處的磁感強(qiáng)度.*解如圖作一半徑為平行于極板的圓形回路，通過(guò)此圓面積的電位移通

5、量為計(jì)算得代入數(shù)據(jù)計(jì)算得*四、麥克斯韋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的磁場(chǎng)任意電流麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組象一首美麗的詩(shī)!☆人們贊美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?！獰o(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

6、負(fù)值?！行龍?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?！行龍?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(xiàn)電學(xué)等學(xué)科的理論基礎(chǔ)。3.洛侖茲力事物之間相互聯(lián)系相互制約方程組激發(fā)電磁場(chǎng)電荷電流及電磁場(chǎng)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的一面。電磁場(chǎng)反過(guò)來(lái)對(duì)電荷有作用力。電荷q在廣義的電磁場(chǎng)中受力：對(duì)任何速度v的帶電粒子都成立！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：?3×10

7、8m/s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）電磁場(chǎng)

8、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)。