ch1-1-麥克斯韋方程

第一章引言1.11.21.7

第三章麥克斯韋方程3.1主題：電磁運動規(guī)律的實踐經(jīng)驗總結(jié) ——麥克斯韋方程（積分形式）電磁場理論發(fā)展簡史

1．電磁場理論的早期研究

電、磁現(xiàn)象是大自然最重要的物理現(xiàn)象，也最早被科學家們關(guān)心和研究的物理現(xiàn)象，其中貢獻最大的有來頓、富蘭克林、伏打等科學家。19世紀以前，電、磁現(xiàn)象作為兩個獨立的物理現(xiàn)象，沒有發(fā)現(xiàn)電與磁的聯(lián)系。但是這些研究為電磁學理論的建立奠定了基礎(chǔ)。2．電磁場理論的建立18世紀末期，德國哲學家謝林認為，宇宙是有活力的，而不是僵死的。他認為電就是宇宙的活力，是宇宙的靈魂；電、磁、光、熱是相互聯(lián)系的。奧斯特是謝林的信徒，他從1807年開始研究電磁之間的關(guān)系。1820年，他發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針。安培發(fā)現(xiàn)作用力的方向和電流的方向以及磁針到通過電流的導線的垂直線方向相互垂直，并定量建立了若干數(shù)學公式。法拉第相信電、磁、光、熱是相互聯(lián)系的。奧斯特1820年發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針后，法拉第敏銳地意識到磁也一定能夠?qū)﹄姰a(chǎn)生影響。1821年他開始探索磁生電的實驗。1831年他發(fā)現(xiàn)，當磁捧插入導體線圈時；導線圈中就產(chǎn)生電流。這表明，電與磁之間存在著密切的聯(lián)系。

麥克斯韋深入研究并探討了電與磁之間發(fā)生作用的問題，發(fā)展了場的概念。在法拉第實驗的基礎(chǔ)上，總結(jié)了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，引進位移電流的概念，提出了一組描述電磁現(xiàn)象的規(guī)律偏微分方程，即麥克斯韋方程組，是經(jīng)典電磁學的基本方程。Maxwell1873年Maxwell的巨著“ATreatiseofElectricityandMagnetism”預言電磁波的存在3．電磁場理論的應(yīng)用和發(fā)展

1887年，德國科學家赫茲用火花隙激勵一個環(huán)狀天線，用另一個帶隙的環(huán)狀天線接收，證實了麥克斯韋關(guān)于電磁波存在的預言，這一重要的實驗導致了后來無線電報的發(fā)明。從此開始了電磁場理論應(yīng)用與發(fā)展時代，成為當代最活躍的學科領(lǐng)域。Hertz實驗裝置1888年Hertz實驗證明電磁波的存在無線電報

1895年，意大利馬可尼成功地進行了2.5公里距離的無線電報傳送實驗。1896年，波波夫進行了約250米距離的類似試驗,1899年,無線電報跨越英吉利海峽的試驗成功；1901年，跨越大西洋的3200公里距離的試驗成功。開始了利用電磁波進行信息傳輸?shù)臅r代。馬可尼以其在無線電報等領(lǐng)域的成就，獲得1909年的諾貝爾物理學獎。有線電話1876年,美國科學家貝爾在美國建國100周年博覽會上展示了他所發(fā)明的有線電話。此后,有線電話便迅速普及開來。

廣播

1906年，美國費森登用50千赫頻率發(fā)電機作發(fā)射機，用微音器接入天線實現(xiàn)調(diào)制，使大西洋航船上的報務(wù)員聽到了他從波士頓播出的音樂。1919年，第一個定時播發(fā)語言和音樂的無線電廣播電臺在英國建成。次年，在美國的匹茲堡城又建成一座無線電廣播電臺。電視1884年，德國尼普科夫提出機械掃描電視的設(shè)想，1927年，英國貝爾德成功地用電話線路把圖像從倫敦傳至大西洋中的船上。茲沃霄金在1923年和1924年相繼發(fā)明了攝像管和顯像管。1931年，世界上第一個全電子電視系統(tǒng)出現(xiàn)。雷達（RadioDetectionandRanging）1922年，意大利科學家G·馬可尼發(fā)表了無線電波能檢測物體的論文，是雷達最早的基本概念。雷達作為一種探測目標的電子設(shè)備，產(chǎn)生于二次世界大戰(zhàn)。雷達的英文

RADAR是RadioDetectionAndRanging的縮寫，意為“無線電探測和測距”。1936年，英國的瓦特設(shè)計的警戒雷達最先投入了運行。有效地警戒了來自德國的轟炸機。1938年，美國研制成第一部能指揮火炮射擊的火炮控制雷達。1940年，多腔磁控管的發(fā)明，微波雷達的研制成為可能。1944年，自動跟蹤飛機的雷達研制成功，1945年，能消除背景干擾顯示運動目標的顯示技術(shù)發(fā)明,使雷達更加完善。在整個第二次世界大戰(zhàn)期間,雷達成了電磁場理論最活躍的部分。衛(wèi)星通信技術(shù)1958年,美國發(fā)射低軌的“斯科爾”衛(wèi)星成功,這是第一顆用于通信的試驗衛(wèi)星。1964年,借助定點的同步通信衛(wèi)星首次實現(xiàn)了美、歐、非三大洲的通信和電視轉(zhuǎn)播。1965年,第一顆商用定點同步衛(wèi)星投入運行。1969年,大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定點同步通信衛(wèi)星,衛(wèi)星地球站已遍布世界各國，這些衛(wèi)星地球站又和本國或本地區(qū)的通信網(wǎng)接通。衛(wèi)星通信經(jīng)歷10年的發(fā)展終趨于成熟。衛(wèi)星定位技術(shù)（NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem－GPS）1957年衛(wèi)星發(fā)射成功后，以衛(wèi)星為基地對地球表面及近地空間目標的定位和導航成為可能。1958年底，美國開始研究實施這一計劃，于1964年研究成功子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)。1973年美國提出了由24顆衛(wèi)星組成的實用系統(tǒng)新方案，即GPS計劃，1990年最終的GPS方案是由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。EManywhereanytime任何時候、任何地方都有電磁場與電磁波人類社會、人們生活離不開電磁場與電磁波網(wǎng)絡(luò)上的信息都是通過電磁波這個載體傳播的請列舉電磁場與電磁波的應(yīng)用實例。

三大類應(yīng)用問題◆

電磁場（或電磁波）作為能量的一種形式，是當今世界最重要的能源，其研究領(lǐng)域涉及電磁能的產(chǎn)生、儲存、變換、傳輸和綜合利用◆電磁波作為信息傳輸?shù)妮d體，成為當今社會發(fā)布和獲取信息的主要手段，主要研究領(lǐng)域為信息的產(chǎn)生、獲取、交換、傳輸、儲存、處理、再現(xiàn)和綜合利用◆電磁波作為探測未知世界的一種重要手段，主要研究領(lǐng)域為電磁波與目標的相互作用特性、目標探測及其特征的獲取應(yīng)用：通信網(wǎng)系統(tǒng)低速率服務(wù)(<32KB/s)寬帶主干網(wǎng)低速率服務(wù)(<12KB/s)微蜂窩微蜂窩微蜂窩高速數(shù)據(jù)(>10MB/s)光纖主干網(wǎng)宏蜂窩寬帶主干網(wǎng)寬帶主干網(wǎng)陸上微波中繼應(yīng)用：微波爐微波爐中的磁控管將50Hz的市電功率轉(zhuǎn)換為微波功率（一般工作頻率2450MHz），再用微波對食物加熱。電磁概論電磁運動三大特點：1.電磁波有能量2.電磁波從一點傳播到另一點有時間延遲，即電磁波以一定速度傳播，其傳輸速度等于光速3.在線性介質(zhì)中，電磁波傳播滿足線性疊加原理電磁場與電磁波的描述場量

電場強度E （V/m） 電通量密度（或電位移）D（C/m2） 磁通量密度（或磁感應(yīng)強度）B

（Wb/m2） 磁場強度H （A/m）真空中 D=0E B=μ0H

0真空介電常數(shù)0=8.854×10-12法拉/米（F/m）

μ0真空磁導率μ0=4π×10-7亨利/米（H/m）一般介質(zhì)中D=E，=r0,r---介質(zhì)相對介電常數(shù) B=μH，μ=μrμ0,μr---介質(zhì)相對磁導率人們通過什么途徑認識這4個場量？電場與磁場的圖解表示電場線磁場線+Qr0+Qr0E圖1-8z方向恒定電流產(chǎn)生的磁場圖1-3(a)點電荷+Q產(chǎn)生的電場;(b)點電荷Q產(chǎn)生的電場線圖電偶極子與磁偶極子電偶極子y+q–qzxd–磁偶極子電磁運動規(guī)律的實驗總結(jié)

1.高斯定理或庫侖定律電場線從正電荷出發(fā)終止于負電荷，電場線有頭有尾，不自行閉合。穿出任一閉曲面S電場線數(shù)等于閉曲面S包圍的體積V中的電荷Q2.磁通連續(xù)性原理磁場線無頭無尾，總是一閉合曲線，因此穿過任一閉曲面的磁場線數(shù)總是等于零的。3.法拉第定律穿過閉合導線l所包圍的面積的磁通量m隨時間變化，則會感應(yīng)一個電動勢eemfeemf的大小等于穿過閉合導線l所包圍面積S的磁通量隨時間變化率的負數(shù)，即隨時間增加圖3-3穿過閉合導線l的磁通量隨時間變化會感應(yīng)一個電動勢l4.推廣的安培定律磁場強度H沿閉合曲線l的線積分 等于穿過閉合曲線l所包圍的面積S的電流I推廣的安培定律成功地解釋了電容器回路電流連續(xù)推廣的安培定律位移電流密度麥克斯韋方程－積分形式從這四個方程麥克斯韋預言電磁波的存在。赫茲實驗證明電磁波的存在，因此麥克斯韋引入位移電流