經(jīng)典電磁學(xué)演示文稿

經(jīng)典電磁學(xué)演示文稿當(dāng)前第1頁\共有28頁\編于星期一\12點(diǎn)（優(yōu)選）經(jīng)典電磁學(xué)當(dāng)前第2頁\共有28頁\編于星期一\12點(diǎn)麥克斯韋電磁場理論的建立一.麥克斯韋（1831-1879）簡介二.建立電磁場理論的工作三.麥克斯韋成功的基本要素四.意義當(dāng)前第3頁\共有28頁\編于星期一\12點(diǎn)麥克斯韋電磁場理論的建立麥克斯韋一.麥克斯韋（1831-1879）簡介麥克斯韋是繼法拉第之后，集電磁學(xué)之大成的偉大科學(xué)家。他依據(jù)庫侖、高斯、歐姆、安培、畢奧、薩伐爾、法拉第等前人的一系列發(fā)現(xiàn)和實驗成果，建立了第一個完整的電磁理論體系，不僅科學(xué)地預(yù)言了電磁波的存在，而且揭示了光、電、磁現(xiàn)象的本質(zhì)的統(tǒng)一性，完成了物理學(xué)的又一次大綜合。這一理論自然科學(xué)的成果，奠定了現(xiàn)代的電力工業(yè)、電子工業(yè)和無線電工業(yè)的基礎(chǔ)。麥克斯韋1831年6月出生于英國愛丁堡，他的父親是一位律師，但對研究科學(xué)問題有強(qiáng)烈愛好，這對麥克斯韋的一生有深刻影響。當(dāng)前第4頁\共有28頁\編于星期一\12點(diǎn)1879年11月3日，4麥克斯韋逝世，時年49歲，在他的一生中共寫了100多篇有價值的論文。麥克斯韋10歲進(jìn)入愛丁堡中學(xué)，14歲在中學(xué)時期就發(fā)表了第一篇科學(xué)論文《論卵形曲線的機(jī)械畫法》，反映了他在幾何和代數(shù)方面的豐富知識。16歲進(jìn)入愛丁堡大學(xué)學(xué)習(xí)物理，三年后，他轉(zhuǎn)學(xué)到劍橋大學(xué)三一學(xué)院。在劍橋?qū)W習(xí)時，打下了扎實的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，為他以后把數(shù)學(xué)分析和實驗研究緊密結(jié)合創(chuàng)造了條件。他精心研究了法拉第的《電學(xué)的實驗研究》，以法拉第的力線概念為指導(dǎo)，透過這些似乎雜亂無章的實驗記錄，運(yùn)用場論的觀點(diǎn)，以演繹法建立了系統(tǒng)的電磁場理論。于1873年出版的《電學(xué)和磁學(xué)論》一書。這是一部可以同牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》、達(dá)爾文的《物種起源》和賴爾的《地質(zhì)學(xué)原理》相媲美的里程碑式的著作。當(dāng)前第5頁\共有28頁\編于星期一\12點(diǎn)1.類比：

2.麥克斯韋的“以太渦旋”模型和“位移電流”

3.麥克斯韋電磁方程組：

4.電磁波的預(yù)言

5.光波就是電磁波的提出

二.麥克斯韋電磁場理論當(dāng)前第6頁\共有28頁\編于星期一\12點(diǎn)1.類比：

1855年發(fā)表《論法拉第力線》，從幾何觀點(diǎn)，為法拉第力線作出了數(shù)學(xué)描繪。麥克斯韋用類比的方法，把力線看作不可壓縮的流體的流線。如把正、負(fù)電荷比作流體的源和匯，電力線比作流管，電場強(qiáng)度比作流速等，引入了諾埃曼的矢勢函數(shù)A，用于表示導(dǎo)體中引起的電動勢。并指出，“電緊張態(tài)”是場的一種運(yùn)動性質(zhì)，是一個物理真實。再論文末尾，邁克斯韋總結(jié)了六條定律，為以后建立電磁場理論奠定了基礎(chǔ)。從而將法拉第的觀念和直觀的力線抽象為數(shù)學(xué)。當(dāng)前第7頁\共有28頁\編于星期一\12點(diǎn)麥克斯韋曾寫道：“為了采用某種物理知識而獲得物理思想，我們應(yīng)當(dāng)了解物理相似性的存在?！眠@種類似，可以用其中之一，說明其中之二。”

1860年，麥克斯韋(30歲)帶著上述論文拜訪了的法拉第(70歲)。當(dāng)法拉第看到麥可斯韋的文章后贊嘆到：“我驚訝的看到，這個主題居然處理的如此之好！”。法拉第對麥克斯說:“你不要停留在用數(shù)學(xué)來解釋我的觀點(diǎn)上，而應(yīng)該突破它?！?/p>

當(dāng)前第8頁\共有28頁\編于星期一\12點(diǎn)2.麥克斯韋的“以太渦旋”模型和“位移電流”

1862年，麥可斯韋發(fā)表了第二篇電磁學(xué)論文《論物理力線》。提出了“電磁以太模型”，把電學(xué)量和磁學(xué)量之間的關(guān)系，形象的表現(xiàn)出來。電磁以太模型：如右圖，充滿空間的媒質(zhì)分子在磁作用下具有旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)，它們以磁力線為軸形成渦旋管，渦旋管轉(zhuǎn)動的角速度正比于磁場強(qiáng)度H，渦旋媒質(zhì)的密度正比于媒質(zhì)磁導(dǎo)率μ。當(dāng)前第9頁\共有28頁\編于星期一\12點(diǎn)對磁極相互作用的解釋：

渦旋管旋轉(zhuǎn)的離心效應(yīng)，使管在橫向擴(kuò)張，同時產(chǎn)生縱向收縮。因此磁力線在縱向表現(xiàn)為張力，即異性磁極的吸引；在橫向表現(xiàn)為壓力，即同性磁極的排斥。由于相互緊密連接的渦旋管的表面是沿相反方向運(yùn)動的，為了互不妨礙對方的運(yùn)動，麥可斯韋設(shè)想在相臨渦旋管之間充滿著一層起滾珠軸承作用的微小粒子。它們是些遠(yuǎn)比渦旋的線度小、質(zhì)量可以忽略的帶電粒子。粒子和渦旋的作用是切向的。粒子可以滾動，但沒有滑動；在均勻恒定磁場中的情況：每個渦旋管轉(zhuǎn)動速度相同的情況下，這些粒子只繞自身的軸自轉(zhuǎn)，不產(chǎn)生位移。當(dāng)前第10頁\共有28頁\編于星期一\12點(diǎn)

對于非均勻磁場：

隨位置不同磁力的強(qiáng)度不同，因而渦旋管的轉(zhuǎn)速也不同的情況，渦旋管間的粒子則發(fā)生位移。如果此非均勻磁場為穩(wěn)恒磁場，則粒子在產(chǎn)生一個位移之后到達(dá)一個新的平衡。此時并無電流產(chǎn)生。對于磁場隨時間變化的情況：

對于一非穩(wěn)恒磁場，當(dāng)磁場隨時間變化時，渦旋管的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，粒子和渦旋管間的平衡被破壞，粒子的位移也隨之變化，從而產(chǎn)生感生電流，產(chǎn)生感應(yīng)電場。其數(shù)學(xué)關(guān)系式可表示為：此式為電磁場的動力學(xué)方程。當(dāng)前第11頁\共有28頁\編于星期一\12點(diǎn)對于靜電場中的情況：

麥克斯韋把渦旋模型又進(jìn)一步推廣到靜電場。無外磁場時，由于H=0，渦旋管靜止。但當(dāng)處于電場中時，粒子層將受到電力E的作用而發(fā)生位移D，并給渦旋管以切向力使之發(fā)生形變。當(dāng)兩力平衡時，粒子和渦旋管保持相對靜止?fàn)顟B(tài)。這時電場能在媒質(zhì)中轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥詣菽?。這時并無磁感應(yīng)產(chǎn)生。對于變化電場的情況：當(dāng)電場發(fā)生變化的時候，介質(zhì)中粒子的總位移D也跟著發(fā)生變化，從而形成正負(fù)方向上的電流。麥克斯韋稱之為“位移電流”,并表示為i∝?E/?t。粒子位移的變化，使渦旋管所受到的切向力發(fā)生變化，使渦旋管和粒子間的平衡被破壞，渦旋管旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生感應(yīng)磁場。當(dāng)前第12頁\共有28頁\編于星期一\12點(diǎn)

麥克斯韋利用他所構(gòu)造的電磁以太力學(xué)模型。不僅說明了法拉第磁力線的應(yīng)用性質(zhì)，還建立了全部主要電磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系；但麥克斯韋清楚的認(rèn)識到上述模型的暫時性，他僅僅把他看做是一個“力學(xué)上可以想象和便于研究的適宜于揭示已知電磁現(xiàn)象之間真實的力學(xué)聯(lián)系”的模型。所以在1864～1865年的論文《電磁場的動力學(xué)理論》中，他完全放棄了這個模型，去掉了關(guān)于媒質(zhì)結(jié)構(gòu)的假設(shè)，只以幾個基本的實驗事實為基礎(chǔ)，以場論的觀點(diǎn)對自己的理論進(jìn)行了重建。對“以太渦旋”模型的放棄當(dāng)前第13頁\共有28頁\編于星期一\12點(diǎn)

他說“我所提出的理論可以稱為電磁場理論，因為它必須涉及到帶電體和磁性物質(zhì)周圍的空間；它也可以叫做動力學(xué)理論，因為它假定在該空間存在著正在運(yùn)動的物質(zhì)，從而才產(chǎn)生了我們所觀察到的電磁現(xiàn)象。”“電磁場就是處于電磁狀態(tài)的物體周圍的空間，包括這些物體本身在內(nèi)：場中可以只有某種物質(zhì)，也可以抽成沒有宏觀物質(zhì)的空間，象蓋斯勒管或其它叫真空的情形那樣”。麥克斯韋假設(shè)真空中雖沒有“宏觀物質(zhì)”存在，但有以太媒質(zhì)。這種以太媒質(zhì)充滿整個空間，滲透物體內(nèi)部，具有能量密度，并能以有限速度傳播電磁作用。至此，電磁場理論的統(tǒng)一基本完成。電磁場理論確立：當(dāng)前第14頁\共有28頁\編于星期一\12點(diǎn)3.麥克斯韋電磁方程組：

1873年，麥克斯韋出版《電磁學(xué)通論》，創(chuàng)造性的建立了電磁場理論的完整體系。把以前的電磁場理論都綜合在一組方程式中，得到了電磁場的數(shù)學(xué)方程-----麥克斯韋電磁方程組。以簡潔的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，揭示了電場和磁場內(nèi)在的完美對稱。

最初，在《電磁學(xué)通論》書中，麥克斯韋共列出了20個分量方程，如果采用矢量方程，則僅有8個。后來簡化成四個。1890年前后，德國物理學(xué)家赫茲和英國物理學(xué)家亥維賽，又兩次簡化麥克斯韋方程組，才得到我們現(xiàn)在通用的微分形式。當(dāng)前第15頁\共有28頁\編于星期一\12點(diǎn)1電場中的高斯定理2法拉第電磁感應(yīng)定律3磁場中的高斯定理4安培環(huán)路定律麥克斯韋方程組：當(dāng)前第16頁\共有28頁\編于星期一\12點(diǎn)

當(dāng)有介質(zhì)時，需要補(bǔ)充三個描述介質(zhì)性質(zhì)的方程式。對于各向同性介質(zhì)，有：D=εrε0EB=μrμ0Hj=σE式中，εr、μr、σ分別是介質(zhì)的相對介電常數(shù)、相對磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率。方程組中，1表示電量守恒，指出靜電場是有源場；2是電磁感應(yīng)定律的推廣，表明變化著的磁場產(chǎn)生渦旋電場；3是表明磁場是有旋場；4是安培定律的推廣，表明電流和變化著的電場在其周圍產(chǎn)生磁場。當(dāng)前第17頁\共有28頁\編于星期一\12點(diǎn)4.電磁波的預(yù)言

麥克斯韋方程組的一個重要結(jié)果，就是預(yù)言了電磁波的存在。麥克斯韋通過計算，從方程組中導(dǎo)出了自由空間中電場強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的波動方程為：

式中v是波在介質(zhì)中的傳播速度。

式中ε是介電常數(shù)，μ為磁導(dǎo)率。它表示：電或磁的擾動，將在以太媒質(zhì)里以速度v傳播著。并且推出了電磁波的傳播速度為：當(dāng)前第18頁\共有28頁\編于星期一\12點(diǎn)5.光波就是電磁波的提出：

1856年韋伯測定上述速度值為：v=31.074萬公里/秒,麥克斯韋發(fā)現(xiàn)這個值與1849年斐索測得的光速31.50萬公里/秒十分接近。他認(rèn)為這不是巧合，而是由于光的本質(zhì)與電磁波相同，從而提出了光的電磁理論。它表明“光本身乃是以波的形式在電磁場中按電磁規(guī)律傳播的一種電磁振動”。從而將電、磁、光理論進(jìn)行了一次偉大的綜合。把數(shù)學(xué)分析和實驗研究聯(lián)合使用所得到的物理知識，比之一個單純實驗人員或單純的數(shù)學(xué)家能具有的知識更堅實、有益和鞏固?！溈怂鬼f當(dāng)前第19頁\共有28頁\編于星期一\12點(diǎn)1.對不同現(xiàn)象之間的聯(lián)系的堅定信念。2.

重視科學(xué)方法的應(yīng)用（建模、數(shù)學(xué)推理，理論綜合）。麥克斯韋電磁場理論的建立三.麥克斯韋成功的基本要素3.豐富的想象力及大膽猜測和假設(shè)。4.深厚的數(shù)學(xué)和物理知識底蘊(yùn)。5.對理論完美和諧的不懈追求。麥克斯韋認(rèn)為：自然界是和諧的，一種反映自然規(guī)律的理論，如果框架上不完善，不和諧，也就意味著要進(jìn)一步改進(jìn)和探索。當(dāng)前第20頁\共有28頁\編于星期一\12點(diǎn)麥克斯韋電磁場理論的建立四.意義經(jīng)典電磁理論的確立，完成了物理學(xué)理論的第二次大綜合，也掀起了第二次工業(yè)革命，進(jìn)一步說明了科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力。當(dāng)前第21頁\共有28頁\編于星期一\12點(diǎn)盡管麥克斯韋理論具有內(nèi)在的完美性并和一切經(jīng)驗相符合，但它只能逐漸地被物理學(xué)家接受。

——勞厄電磁波的發(fā)現(xiàn)§8.電磁波的發(fā)現(xiàn)一.赫茲（1857-1894）二.電磁波的發(fā)現(xiàn)三.成果當(dāng)前第22頁\共有28頁\編于星期一\12點(diǎn)赫茲像電磁波的發(fā)現(xiàn)一.赫茲（1857-1894）：德國物理學(xué)家

1878年是基爾霍夫和亥姆霍茲的學(xué)生，1880年獲博士學(xué)位。

1885年發(fā)現(xiàn)電磁波，

1889年到波恩大學(xué)任教。

1894年因血中毒而去世。當(dāng)前第23頁\共有28頁\編于星期一\12點(diǎn)電磁波的發(fā)現(xiàn)二.電磁波的發(fā)現(xiàn)

麥克斯韋《電磁論》發(fā)表后，由于理論難懂，無實驗驗證，在相當(dāng)長的一段時間里并未受到重視和普遍承認(rèn)。

1879年，柏林科學(xué)院設(shè)立了有獎?wù)魑?，要求證明以下三個假設(shè)：①如果位移電流存在，必定會產(chǎn)生磁效應(yīng)；②變化的磁力必定會使絕緣體介質(zhì)產(chǎn)生位移電流；③在空氣或真空中，上述兩個假設(shè)同樣成立。這次征文成為赫茲進(jìn)行電磁波實驗的先導(dǎo)。

1885年，赫茲利用一個具有初級和次級兩個繞組的振蕩線圈進(jìn)行實驗，偶然發(fā)現(xiàn)：當(dāng)初級線圈中輸入一個脈沖電流時，次級繞組兩端的狹縫中間便產(chǎn)生電火花，赫茲立刻想到，這可能是一種電磁共振現(xiàn)象。既然初級線圈的振蕩電流能夠激起次級線圈的電火花，那么它就能在鄰近介質(zhì)中產(chǎn)生振蕩的位移電流，這個位移電流又會反過來影響次級繞組的電火花發(fā)生的強(qiáng)弱變化。當(dāng)前第24頁\共有28頁\編于星期一\12點(diǎn)

1886年，赫茲設(shè)計了一種直線型開放振蕩器（下圖），留有間隙的環(huán)狀導(dǎo)線C作為感應(yīng)器，放在直線振蕩器AB附近，當(dāng)將脈沖電流輸入AB并在間隙產(chǎn)生火花時，在C的間隙也產(chǎn)生火花。實際這就是電磁波的產(chǎn)生、傳播和接收。當(dāng)前第25頁\共有28頁\編于星期一\12點(diǎn)

1887年又設(shè)計了“感應(yīng)平衡器”（如右圖示）：即將1886年的裝置一側(cè)放置了一塊金屬板D，然后將C調(diào)遠(yuǎn)使間隙不出現(xiàn)火花，再將金屬板D逐漸靠近AB，這時C的間隙又出現(xiàn)電火花。這是因為D中感應(yīng)出來的振蕩電流產(chǎn)生一個附加電磁場作用于C，當(dāng)D靠近時，C的平衡遭到破壞。

這一實驗說明：振蕩器AB使附近的介質(zhì)交替極化而形成變化的位移電流，這種位移電流又影響“感應(yīng)平衡器C”的平衡狀態(tài)。使C出現(xiàn)電火花。當(dāng)D靠近C時，平衡狀態(tài)再次被破壞，C再次出現(xiàn)火花。從而