北大电磁学麦克斯韦电磁理论.ppt

第十章 麦克斯韦电磁理论 §10.1 实验规律的总结和推广 §10.2 麦克斯韦方程组和边界条件 §10.3 电磁波 §10.4 电磁波的辐射 §10.5 电磁波谱 §10.6 电磁场的能量、动量和角动量 §10.1 实验规律的总结和推广 1实验规律的总结 2实验规律的推广和位移电流假设 电磁学发展简介 1840年前后，大部分电磁学实验规律相继发现，剩下的问题是对这些实验规律进行概括和总结，寻求他们之间的联系，建立统一理论。 当时电磁理论存在许多学派，他们均试图建立起统一的电磁理论。 超距作用观点 近距作用观点 §10.1.1 实验规律的总结 静电学中的基本实验规律库仑定律 描述静电场性质的高斯定理和环路定理 静磁学中的基本实验规律安培定律 描述静磁场性质的高斯定理和安培环路定理 麦克斯韦提出涡旋电场的假设 电荷守恒定律（实验总结） §10.1.2实验规律的推广和位移电流假设 静电场是一个保守力场，做功与路径无关。 但在迅变的情况下，变化的磁场产生涡旋电场，若空间既存在静止电荷，又存在变化磁场，那么空间总电场的环流量将不为零。 考虑安培回路定律：其物理意义是无论载流回路周围是真空还是磁介质，都可以写成： 安培回路定律在迅变情况下是否成立呢？ 答案 不成立。 构造不同两个曲面，由安培回路定理可得不同的结果： 在电流随时间变化时安培回路定律不再适用。 电位移通量和位移电流 引入电位移通量：通过任一曲面S的电位移通量。 由此，麦克斯韦定义了位移电流ID和电流密度jD（电位移矢量的时间变化率）： 传导电流和位移电流合起来称为全电流。 在非稳定情况下，凡传导电流中止的地方，由位移电流接上。 由此，麦克斯韦把安培回路定律推广到非恒定情况下也适用的普遍形式： 在普遍情况下，全电流是产生磁场的源。 位移电流的物理本质是：空间中随时间变化的电场可以激发磁场。 假定空间中不存在自由电荷和传导电流，则： 即随时间变化的磁场在空间激发电场；随时间变化的电场在空间激发磁场；两个方程相差一个符号，这恰恰是电磁波在空间传播所需要的。 §10.2 麦克斯韦方程组和边界条件 麦克斯韦在对电磁现象的实验做了以上创造性的总结和发展后，得到了普遍情况下电磁场必须满足的四个方程： 在空间中有介质存在时需加上描述介质性质的本构方程： 在两种不同介质的界面上，还应加上边界条件： 可以证明，只要给定空间的电荷和电流分布，给定边界条件，就可以由麦克斯韦方程组得到电磁场的唯一确定的解，这就是电磁场的唯一确定原理。 Maxwell电磁场理论的意义 在物理学史中，Maxwell电磁场理论是继Newton力学之后划时代的卓越贡献。它被誉为19世纪物理学最伟大的成就，由此，Maxwell和Faraday也当之无愧地被誉为19世纪最伟大的物理学家. Maxwell电磁场理论是一个完整的理论体系，它的建立不仅为电磁学领域已有的研究成果作了很好的总结，而且为进一步的研究提供了理论基础，从而迎来了电磁学全面蓬勃发展的新时期. Maxwell电磁场理论的建立开辟了许多新的研究课题和新的研究方向.例如，电磁波的研究带来了通讯、广播和电视事业的发展；例如，物质电磁性质的研究推动了材料科学的进展;又如，带电粒子和电磁场相互作用的探讨，与许多其他分支学科有关，导致不少交叉学科（如等离子体物理、磁流体力学等）的形成与发展. 所有这些，对于20世纪科学的发展、技术的进步以及物质文化生活的繁荣昌盛，都起了重要的作用。 光的电磁理论是Maxwell电磁场理论的重大成果之一，它证明光波就是电磁波，从而把光现象纳入了电磁学领域，实现了光学与电磁学的统一。 Maxwell电磁场理论的历史意义还在于引起了物理实在观念的深刻变革。在电磁场理论建立之前，所谓物理实在指的就是质点即实物粒子，当时认为世间万物无非都是质点的组合，别无其他。质点的运动遵循Newton定律。此外，对于非接触物体之间的各种作用（如引力，磁力，电力），超距作用观点占据统治地位，即认为既无需媒介物传递，也无需传递时间.电磁场理论使人们认识到除了实物粒子外，还有电磁场这种完全不同于实物粒子的另一类物理实在，电磁场具有能量、动量等基本物理性质，电磁场可以脱离物质单独存在，并且能够与物质交换能量和动量，电磁场的运动变化遵循Maxwell方程，非接触的电磁物体之间的电磁作用，是以电磁场为媒介物传递的，是需要传递时间的，即是近距作用。 §10.3 电磁波 §10.3.1自由空间电磁波 §10.3.2定态波动方程 §10.3.3平面电磁波 §10.3.1自由空间电磁波 1894年12月8日，麦克斯韦在英国皇家学会报告了他的论文《电磁场的动力学原理》，从方程组出发，导出了电磁场的