麥克斯韋的電磁場理論

1、麥克斯韋的電磁場理論第三章劃時代的發(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侖力（電荷間作用力）磁極間作用力電流元之間作用力萬有引力3場和力線的新概念超距說物體間的相互吸引力的傳遞，是不需要通過任何介質(zhì)、不需要時間的。場磁體和電荷周圍并不是空無一物，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)，通過這種介質(zhì)傳遞著電磁相互作用。4法拉第 在對電、磁現(xiàn)象作出物理解釋的過程中，法拉第有著深邃的物理思想，沒有用數(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電場或磁場傳遞的！法拉第1837年，提出了“場”和“力線”的概念。5 經(jīng)典電磁理論的奠基人 , 氣體動理論創(chuàng)始人之一。提出了有旋場和位移電流的概念 , 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。在氣體動理論方面 , 提出了氣體分子按速率分布的統(tǒng)計規(guī)律。麥克斯韋（1831-1879）英國物理學(xué)家6 在法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律那一年，即1831年，麥克斯韋在英國的愛丁堡出生了。他從小聰明好問。父親是個機械設(shè)計師，很賞識自己兒子的才華，常帶他去聽愛丁堡皇家學(xué)會的科學(xué)講座。十歲時送他到愛丁堡中學(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，被刊登在愛丁堡皇家學(xué)會學(xué)報上。1847年，十六歲的麥克斯韋考入愛丁堡大學(xué)。1850年又轉(zhuǎn)入劍橋大學(xué)。他學(xué)習(xí)勤奮，成績優(yōu)異，經(jīng)著名數(shù)學(xué)家霍普金斯和斯托克斯的指點，很快就掌握了當(dāng)時先進(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，還是分子運動論的奠基人之一。8其特點是：電場、磁場各自獨立存在。靜電場 靜電場是由電量不隨時間變化的靜止電荷產(chǎn)生的;恒定磁場是由恒定的電流產(chǎn)生的，兩種場都不隨時間變化,稱為:靜態(tài)場。9麥克斯韋的發(fā)展 變化的電場和變化的磁場相互聯(lián)系,形成一個不可分割的統(tǒng)一體電磁場.電場和磁場只是電磁場這個統(tǒng)一體的兩種具體表現(xiàn)形式。10變化的磁場產(chǎn)生電場當(dāng)用磁棒接近或遠(yuǎn)離閉合電路時，電路中就產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，它推動著電路各處的自由電荷形成電流，仿佛沿著電路有一個電場一樣。NS 這個感應(yīng)電動勢的大小跟電路的具體結(jié)構(gòu)無關(guān)，只跟磁通量的變化率有關(guān)。NS11麥克斯韋的進(jìn)一步推廣如果沒有實際的電路，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)電動勢。NSNS12變化的電場產(chǎn)生磁場 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，導(dǎo)致電燈發(fā)光。交變電流為什么能通過電容器呢？13麥克斯韋引入位移電流把電容器充、放電過程在電路中形成的電流看成有一個新的電流，叫做位移電流。導(dǎo)線中靠自由電子的運動導(dǎo)電，電容器中靠位移電流導(dǎo)電。14（1）有旋電場（感應(yīng)電場） 假設(shè)：麥克斯韋假設(shè)（2）位移電流假設(shè)：變化的磁場要激發(fā)電場變化的電場要激發(fā)磁場電場和磁場之間存在密切聯(lián)系15一座偉大的豐碑磁場的變化是均勻的，產(chǎn)生的電場是穩(wěn)定的磁場的變化是不均勻的，產(chǎn)生的電場是變化的電場的變化是均勻的，產(chǎn)生

6、的磁場是穩(wěn)定的電場的變化是不均勻的，產(chǎn)生的磁場是變化的變化的磁場能產(chǎn)生電場變化的電場能產(chǎn)生磁場16 根據(jù)麥克斯韋電磁場理論,電場和磁場將相互激發(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動，打開了通向近代物理學(xué)的大門。牛頓在此基礎(chǔ)上把地面上物體的運動和天體運動統(tǒng)一起來，揭示了天上地下一切物體的普遍運動規(guī)律，建立了經(jīng)典力學(xué)體系，實現(xiàn)了物理學(xué)史上第一次大綜合。18世紀(jì)，經(jīng)過邁爾、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)計力學(xué)正式確立，從而把熱與能、熱運動的宏觀表現(xiàn)與微觀機制統(tǒng)一起來，實現(xiàn)了物理學(xué)史上的第二次大綜合。19世紀(jì)，麥克

7、斯韋在庫侖、安培、法拉第等物理學(xué)家研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過深入研究，把電、磁、光統(tǒng)一起來，建立了經(jīng)典電磁理論，預(yù)言了電磁波的存在，實現(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：電場中某一點位移電流密度矢量 等于該點電位移矢量對時間的變化率；通過電場中某一截面的位移電流 等于通過該截面電位移通量 對時間的變化率，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動 引起的，而位移電流本質(zhì)上是變化的電場。(3)通過

8、導(dǎo)體時的效果不同：傳導(dǎo)電流通過導(dǎo)體時產(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 在磁場中沿任意閉合回路 的線積分在數(shù)值上等于穿過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：傳導(dǎo)電流和位移電流都能產(chǎn)生磁場； 正因如此,麥克斯韋預(yù)言電磁波的存 在，數(shù)年后（1880年）赫茲用實驗 證實了電磁波的存在。2、不同點：1）位移電流不能直接檢測出來； 2）位移電流沒有熱效應(yīng)，而傳導(dǎo)電 流有熱效應(yīng)。23感生電場假設(shè)位移電流假設(shè)電場變化的磁場磁場變化的電場 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（感應(yīng)電場） 假設(shè)：麥克斯韋兩條假設(shè)（2）位移電流假設(shè)：變化的磁場要激發(fā)電場；變化的電場要激發(fā)磁場。25二、 麥克斯韋方程組(Maxwell equations)（1）靜電場的高斯定理（2）靜電場的環(huán)路定理（4）穩(wěn)恒磁場的環(huán)路定理 （3）穩(wěn)恒磁場的高斯定理 26引入有旋電場和位移電流的概念后，適用于一般電磁場的方程組為：272）麥克斯韋方程組的積分形式 變化磁場要激發(fā)電場變化電場要激發(fā)磁場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連續(xù)性方程高斯定理問題4：麥克斯韋方程組的積分形式是怎樣的？（由1個學(xué)生上臺填寫）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個學(xué)生推導(dǎo)）30）磁場連續(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：）時變電場是有旋有散的，電力線可閉合也可不閉合；）時變磁場是有旋無散的，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）在無源區(qū)域（即：無電荷，也無電流）時