麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論

1、麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論第三章劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)偉大的豐碑1接力棒從一位巨人的手中傳到了另位巨人手中法拉第麥克斯韋（電磁學(xué)）第谷開(kāi)普勒（天體力學(xué)）伽利略牛頓（經(jīng)典力學(xué)）2四種作用力之迷庫(kù)侖力（電荷間作用力）磁極間作用力電流元之間作用力萬(wàn)有引力3場(chǎng)和力線的新概念超距說(shuō)物體間的相互吸引力的傳遞，是不需要通過(guò)任何介質(zhì)、不需要時(shí)間的。場(chǎng)磁體和電荷周圍并不是空無(wú)一物，而是存在著一種由電荷和磁體本身產(chǎn)生的連續(xù)的介質(zhì)，通過(guò)這種介質(zhì)傳遞著電磁相互作用。4法拉第 在對(duì)電、磁現(xiàn)象作出物理解釋的過(guò)程中，法拉第有著深邃的物理思想，沒(méi)有用數(shù)學(xué)形式表達(dá)，而是憑著他豐富的想象力和科學(xué)的抽象思維能力，創(chuàng)造了“力線”這種形象化的圖示方法

2、。電作用或磁作用正是通過(guò)電場(chǎng)或磁場(chǎng)傳遞的！法拉第1837年，提出了“場(chǎng)”和“力線”的概念。5 經(jīng)典電磁理論的奠基人 , 氣體動(dòng)理論創(chuàng)始人之一。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 (1864) , 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 , 提出了氣體分子按速率分布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。麥克斯韋（1831-1879）英國(guó)物理學(xué)家6 在法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律那一年，即1831年，麥克斯韋在英國(guó)的愛(ài)丁堡出生了。他從小聰明好問(wèn)。父親是個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)師，很賞識(shí)自己兒子的才華，常帶他去聽(tīng)愛(ài)丁堡皇家學(xué)會(huì)的科學(xué)講座。十歲時(shí)送他到愛(ài)丁堡中學(xué)。在中學(xué)階段，他就顯示出了在數(shù)學(xué)和物理方面的才能，十五歲

3、那年就寫了一篇關(guān)于卵形線作圖法的論文，被刊登在愛(ài)丁堡皇家學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)上。1847年，十六歲的麥克斯韋考入愛(ài)丁堡大學(xué)。1850年又轉(zhuǎn)入劍橋大學(xué)。他學(xué)習(xí)勤奮，成績(jī)優(yōu)異，經(jīng)著名數(shù)學(xué)家霍普金斯和斯托克斯的指點(diǎn)，很快就掌握了當(dāng)時(shí)先進(jìn)的數(shù)學(xué)理論。這為他以后的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。1854年在劍橋大學(xué)畢業(yè)后，曾先后任亞伯丁馬里夏爾學(xué)院、倫敦皇家學(xué)院和劍橋大學(xué)物理學(xué)教授。他的口才不行，講課效果較差。7 麥克斯韋在電磁學(xué)方面的貢獻(xiàn)是總結(jié)了庫(kù)侖、高斯、安培、法拉第、諾埃曼、湯姆遜等人的研究成果特別是把法拉第的力線和場(chǎng)的概念用數(shù)學(xué)方法加以描述、論證、推廣和提升，創(chuàng)立了一套完整的電磁場(chǎng)理論。 麥克斯韋除了在電磁學(xué)方面的貢

4、獻(xiàn)外，還是分子運(yùn)動(dòng)論的奠基人之一。8其特點(diǎn)是：電場(chǎng)、磁場(chǎng)各自獨(dú)立存在。靜電場(chǎng) 靜電場(chǎng)是由電量不隨時(shí)間變化的靜止電荷產(chǎn)生的;恒定磁場(chǎng)是由恒定的電流產(chǎn)生的，兩種場(chǎng)都不隨時(shí)間變化,稱為:靜態(tài)場(chǎng)。9麥克斯韋的發(fā)展 變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)相互聯(lián)系,形成一個(gè)不可分割的統(tǒng)一體電磁場(chǎng).電場(chǎng)和磁場(chǎng)只是電磁場(chǎng)這個(gè)統(tǒng)一體的兩種具體表現(xiàn)形式。10變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)當(dāng)用磁棒接近或遠(yuǎn)離閉合電路時(shí)，電路中就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，它推動(dòng)著電路各處的自由電荷形成電流，仿佛沿著電路有一個(gè)電場(chǎng)一樣。NS 這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小跟電路的具體結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，只跟磁通量的變化率有關(guān)。NS11麥克斯韋的進(jìn)一步推廣如果沒(méi)有實(shí)際的電路，在同樣大小的空間范圍

5、內(nèi)也將產(chǎn)生同樣大小的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。NSNS12變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng) 由于交變電流能使電容器兩極反復(fù)充放電，極板上電荷量的變化，相當(dāng)于導(dǎo)線中不斷有電荷在流動(dòng)，導(dǎo)致電燈發(fā)光。交變電流為什么能通過(guò)電容器呢？13麥克斯韋引入位移電流把電容器充、放電過(guò)程在電路中形成的電流看成有一個(gè)新的電流，叫做位移電流。導(dǎo)線中靠自由電子的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)電，電容器中靠位移電流導(dǎo)電。14（1）有旋電場(chǎng)（感應(yīng)電場(chǎng)） 假設(shè)：麥克斯韋假設(shè)（2）位移電流假設(shè)：變化的磁場(chǎng)要激發(fā)電場(chǎng)變化的電場(chǎng)要激發(fā)磁場(chǎng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間存在密切聯(lián)系15一座偉大的豐碑磁場(chǎng)的變化是均勻的，產(chǎn)生的電場(chǎng)是穩(wěn)定的磁場(chǎng)的變化是不均勻的，產(chǎn)生的電場(chǎng)是變化的電場(chǎng)的變化是均勻的，產(chǎn)生

6、的磁場(chǎng)是穩(wěn)定的電場(chǎng)的變化是不均勻的，產(chǎn)生的磁場(chǎng)是變化的變化的磁場(chǎng)能產(chǎn)生電場(chǎng)變化的電場(chǎng)能產(chǎn)生磁場(chǎng)16 根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論,電場(chǎng)和磁場(chǎng)將相互激發(fā),由近及遠(yuǎn)向周圍空間傳播出去,形成電磁波。17物理學(xué)史上三次大綜合 17世紀(jì)，伽利略研究地面上物體的運(yùn)動(dòng)，打開(kāi)了通向近代物理學(xué)的大門。牛頓在此基礎(chǔ)上把地面上物體的運(yùn)動(dòng)和天體運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來(lái)，揭示了天上地下一切物體的普遍運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立了經(jīng)典力學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)史上第一次大綜合。18世紀(jì)，經(jīng)過(guò)邁爾、焦耳、卡諾、克勞修斯等人的研究，經(jīng)典熱力學(xué)和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)正式確立，從而把熱與能、熱運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)與微觀機(jī)制統(tǒng)一起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)史上的第二次大綜合。19世紀(jì)，麥克

7、斯韋在庫(kù)侖、安培、法拉第等物理學(xué)家研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)深入研究，把電、磁、光統(tǒng)一起來(lái)，建立了經(jīng)典電磁理論，預(yù)言了電磁波的存在，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)史上第三次大綜合。18謝謝19 在有電容器的電路中，電容器極板表面被中斷的傳導(dǎo)電流I，可以由位移電流Id繼續(xù)下去，從而構(gòu)成了電流的連續(xù)性。 位移電流：電場(chǎng)中某一點(diǎn)位移電流密度矢量 等于該點(diǎn)電位移矢量對(duì)時(shí)間的變化率；通過(guò)電場(chǎng)中某一截面的位移電流 等于通過(guò)該截面電位移通量 對(duì)時(shí)間的變化率，即203. 位移電流與傳導(dǎo)電流的關(guān)系 位移電流與傳導(dǎo)電流在產(chǎn)生磁效應(yīng)上是等效的。(2) 產(chǎn)生的原因不同：傳導(dǎo)電流是由自由電荷運(yùn)動(dòng) 引起的，而位移電流本質(zhì)上是變化的電場(chǎng)。(3)通過(guò)

8、導(dǎo)體時(shí)的效果不同：傳導(dǎo)電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生焦耳熱，而位移電流不產(chǎn)生焦耳熱。21 全電流 傳導(dǎo)電流 位移電流 在磁場(chǎng)中沿任意閉合回路 的線積分在數(shù)值上等于穿過(guò)以該閉合回路為邊線的任意曲面的傳導(dǎo)電流和位移電流的代數(shù)和，這稱為全電流安培定律，簡(jiǎn)稱全電流定律。22位移電流與傳導(dǎo)電流有什么相同和不同？1、相同點(diǎn)：傳導(dǎo)電流和位移電流都能產(chǎn)生磁場(chǎng)； 正因如此,麥克斯韋預(yù)言電磁波的存 在，數(shù)年后（1880年）赫茲用實(shí)驗(yàn) 證實(shí)了電磁波的存在。2、不同點(diǎn)：1）位移電流不能直接檢測(cè)出來(lái)； 2）位移電流沒(méi)有熱效應(yīng)，而傳導(dǎo)電 流有熱效應(yīng)。23感生電場(chǎng)假設(shè)位移電流假設(shè)電場(chǎng)變化的磁場(chǎng)磁場(chǎng)變化的電場(chǎng) 麥克斯韋爾假設(shè)二: 麥克斯

9、韋爾假設(shè)一:24（1）有旋電場(chǎng)（感應(yīng)電場(chǎng)） 假設(shè)：麥克斯韋兩條假設(shè)（2）位移電流假設(shè)：變化的磁場(chǎng)要激發(fā)電場(chǎng)；變化的電場(chǎng)要激發(fā)磁場(chǎng)。25二、 麥克斯韋方程組(Maxwell equations)（1）靜電場(chǎng)的高斯定理（2）靜電場(chǎng)的環(huán)路定理（4）穩(wěn)恒磁場(chǎng)的環(huán)路定理 （3）穩(wěn)恒磁場(chǎng)的高斯定理 26引入有旋電場(chǎng)和位移電流的概念后，適用于一般電磁場(chǎng)的方程組為：272）麥克斯韋方程組的積分形式 變化磁場(chǎng)要激發(fā)電場(chǎng)變化電場(chǎng)要激發(fā)磁場(chǎng)28三、麥克斯方程： 麥克斯韋方程是經(jīng)典電磁理論的核心，積分形式為：安培定律法拉第定律磁場(chǎng)連續(xù)性方程高斯定理問(wèn)題4：麥克斯韋方程組的積分形式是怎樣的？（由1個(gè)學(xué)生上臺(tái)填寫）上式為麥克斯韋方程式的非限定形式,適用于任意媒質(zhì)。29、微分形式：1 ) 安培定律積分式：從斯托克斯定理：所以）法拉第定律積分式：從斯托克斯定理：所以：（由2個(gè)學(xué)生推導(dǎo)）30）磁場(chǎng)連續(xù)性方程：據(jù)散度定理,有:） 高斯定理：據(jù)散度定理,有: 31麥克斯韋方程式的物理意義：）時(shí)變電場(chǎng)是有旋有散的，電力線可閉合也可不閉合；）時(shí)變磁場(chǎng)是有旋無(wú)散的，磁力線總是閉合的；）不閉合的電力線從正電荷到負(fù)電荷；閉合的電力線與磁力線相交鏈；閉合的磁力線要么與電力線交鏈，要么與電流相交鏈。32）在無(wú)源區(qū)域（即：無(wú)電荷，也無(wú)電流）時(shí)