第14章电磁场与电磁波1.pptVIP

基本要求 1. 理解麦克斯韦的两个基本假设和位移电流的意义； 2. 理解并掌握麦克斯韦方程组的积分形式；了解麦克斯韦方程组的微分形式; 3. 了解电磁场统一理论. * Ch.14 电磁场与电磁波 * 大学物理学 物电学院教学课件 第十四章 电磁场与电磁波 Chapter 14 Electromagnetic Field Electromagnetic Wave 麦克斯韦系统地总结了从库仑到安培和法拉第等人的电磁学说的全部成就，并在此基础上提出了有旋电场和位移电流的假说，他指出： 不但变化的磁场可以产生(有旋)电场，而且变化的电场(位移电流)也可以产生磁场。 在相对论出现之前，麦克斯韦就揭示了电场和磁场的内在联系，把电场和磁场统一为电磁场，归纳出了电磁场的基本方程??麦克斯韦方程组，建立了完整的电磁场理论体系。1862年，麦克斯韦从他建立的电磁理论出发，预言了电磁波的存在，并论证了光是一种电磁波。1888年，赫兹在实验上证实了麦克斯韦的这一预言。 即使在相对论和量子力学建立之后，麦克斯韦方程组实质上还是在原来的形式下被使用着，它们正确地描写了所有的电磁现象。 概 述 本章习题(共 5 题)： -14-1，2，4，5，6。 麦克斯韦（James Clerk Maxwell 1831—1879) 19世纪伟大的英国物理学家、数学家。经典电磁理论的奠基人，气体动理论创始人之一。 他提出了有旋电场和位移电流概念，建立了经典电磁理论，并预言了以光速传播的电磁波的存在。他的《电磁学通论》与牛顿时代的《自然哲学的数学原理》并驾齐驱，它是人类探索电磁规律的一个里程碑。 在气体动理论方面，他还提出气体分子按速率分布的统计规律。 §14-1 位移电流 一、电磁场的基本规律 1. 静电场 由库仑定律和场强叠加原理，可以导出描述静电场性质的高斯定理和环路定理: 2. 恒定磁场 由毕奥?萨伐尔定律和磁场的叠加原理，可以导出描述恒定磁场性质的高斯定理和安培环路定理 3. 变化的磁场 麦克斯韦提出，感生电动势预示着变化的磁场周围产生了有旋电场。于是，法拉第电磁感应定律预示着在普遍情况下电场的环路定理应是 4. 普遍情况 从当时的实验资料和理论分析，没有发现电场的高斯定理和磁场的高斯定理有什么不合理处，麦克斯韦假定它们在普遍情况下应该成立。然而，麦克斯韦在分析安培环路定理时发现，将它应用到非恒定情况时遇到了困难。 二、位移电流 1、问题的提出 在稳恒电流的磁场中，安培环路定理为 对于非稳恒电路，传导电流不连续，安培环路定理不成立。 对于曲面S1， 对于曲面S2, I0 R L S1 S2 在电容器充放电电路中，若围绕导线取一闭合回路L，安培环路定理为 2、解决问题的方法： 方法1：在实验基础上，提出新概念，建立与实验事实相符合的新理论； 方法2：在原有定律的基础上，根据新观察到的实验现象，提出合理的假设，对原有的定律作必要的修正，使矛盾得到解决. 因此，在非恒定的情况下，尽管电流密度j0可以是不连续的，但 这个量却总是连续的。换言之， 这个量的地位与电流密度j0相当。 3、电流密度j0的不连续与电场的变化 电流密度j0的不连续，是上述问题出现的症结所在。仔细分析发现，传导电流在电容器极板上终止的同时，将在极板表面引起自由电荷积累q0的增加或减少，从而引起两极板间的电场随之变化。一方面，根据电流的连续性原理，有 其中S是由S1和S2构成的闭合曲面，q0是在其内的自由电荷。 另一方面，按高斯定理，有 或 4、位移电流和全电流 D I0 又 令 q0 B A 以平板电容器充电为例，极板面积为S： 则 在数值上等于板内的传导电流； 在数值上等于板内的传导电流密度。 Maxwell 关于位移电流和位移电流密度的定义： 通过电场中某一截面位移电流Id，等于通过该截面电位移通量Ψ 对时间的变化率，而电场中某一点位移电流密度jd，等于该点的电位移矢量D对时间的变化率，即 位移电流在其周围空间要产生磁场，但位移电流不产生热效应与化学效应。位移电流的实质是变化的电场。 且将电路中传导电流I0与位移电流Id，合在一起，称为全电流，即 全电流在任何情况下都是连续的。 且 此即普遍的安培环路定理的积分形式，磁场强度H沿任意闭合回路的环流，等于通过此闭合回所围面积的全电流。其微分形式为 麦克斯韦用全电流来替换有磁介质存在时安培环路定理中的传导电流，得到 或 三、安培环路定理的普遍形式 传导电流 位移电流 电荷的定向移动 电场的变化