第五章经典电磁学—3.pptVIP

第五章 经典电磁学的建立与发展(3)  §1.对电磁现象的早期认识 §2.富兰克林对雷电现象的研究 §3.从定性到定量——库仑定律的发现 §4 .由静电到动电——电流的发现 §5.电流的磁效应与安培定律 §6.电磁感应现象的发现与研究 §7.麦克斯韦电磁场理论的建立 §8.电磁波的发现与应用;背景： 19世纪中期，描述电场、磁场的性质以及电、磁场相互关系的库仑定律、高斯定律、安培定律、法拉第电磁感应定律已相继建立，法拉第关于力线和场的概念已经提出。1847-1853年间，W.汤姆逊提出了铁磁质内磁场强度H和磁感应强度B的定义，并导出了H=μB，同时还导出了磁场的能量密度为μH2/8π、载流导线的磁能LI2/2 ，并且于1851年提出了《磁的数学理论》。为后来迈克斯韦的研究做出了典范。总之到了十九世纪五六十年代，创立电磁场理论的条件已趋成熟。;麦 克 斯 韦 电 磁 场 理 论 的 建 立;麦 克 斯 韦 电 磁 场 理 论 的 建 立;1879年11月3日，4麦克斯韦逝世，时年49 岁，在他的一生中共写了100多篇有价值的论文。;1.类比：2.麦克斯韦的“以太涡旋”模型和“位移电流”3.麦克斯韦电磁方程组：4.电磁波的预言5.光波就是电磁波的提出 ;1.类比： 1855年发表《论法拉第力线》，从几何观点，为法拉第力线作出了数学描绘。麦克斯韦用类比的方法，把力线看作不可压缩的流体的流线。如把正、负电荷比作流体的源和汇，电力线比作流管，电场强度比作流速等，引入了诺埃曼的矢势函数A，用于表示导体中引起的电动势。并指出，“电紧张态”是场的一种运动性质，是一个物理真实。 再论文末尾，迈克斯韦总结了六条定律，为以后建立电磁场理论奠定了基础。;麦克斯韦曾写道：“为了采用某种物理知识而获得物理思想，我们应当了解物理相似性的存在。……利用这种类似，可以用其中之一，说明其中之二。”;2.麦克斯韦的“以太涡旋”模型和“位移电流” 1862年，麦可斯韦发表了第二篇电磁学论文《论物理力线》。提出了“电磁以太模型”，把电学量和磁学量之间的关系，形象的表现出来。;对磁极相互作用的解释： 涡旋管旋转的离心效应，使管在横向扩张，同时产生纵向收缩。因此磁力线在纵向表现为张力，即异性磁极的吸引；在横向表现为压力，即同性磁极的排斥。; 对于非均匀磁场： 随位置不同磁力的强度不同，因而涡旋管的转速也不同的情况，涡旋管间的粒子则发生位移。如果此非均匀磁场为稳恒磁场，则粒子在产生一个位移之后到达一个新的平衡。此时并无电流产生。; 对于静电场中的情况： 麦克斯韦把涡旋模型又进一步推广到静电场。无外磁场时，由于H=0，涡旋管静止。但当处于电场中时，粒子层将受到电力E的作用而发生位移D，并给涡旋管以切向力使之发生形变。当两力平衡时，粒子和涡旋管保持相对静止状态。这时电场能在媒质中转变为弹性势能。这时并无磁感应产生。; 麦克斯韦利用他所构造的电磁以太力学模型。不仅说明了法拉第磁力线的应用性质，还建立了全部主要电磁现象之间的联系；但麦克斯韦清楚的认识到上述模型的暂时性，他仅仅把他看做是一个“力学上可以想象和便于研究的适宜于揭示已知电磁现象之间真实的力学联系”的模型。所以在1864～1865年的论文《电磁场的动力学理论》中，他完全放弃了这个模型，去掉了关于媒质结构的假设，只以几个基本的实验事实为基础，以场论的观点对自己的理论进行了重建。; 他说“我所提出的理论可以称为电磁场理论，因为它必须涉及到带电体和磁性物质周围的空间；它也可以叫做动力学理论，因为它假定在该空间存在着正在运动的物质，从而才产生了我们所观察到的电磁现象。”“电磁场就是处于电磁状态的物体周围的空间，包括这些物体本身在内：场中可以只有某种物质，也可以抽成没有宏观物质的空间，象盖斯勒管或其它叫真空的情形那样”。麦克斯韦假设真空中虽没有“宏观物质”存在，但有以太媒质。这种以太媒质充满整个空间，渗透物体内部，具有能量密度，并能以有限速度传播电磁作用。 至此，电磁场理论的统一基本完成。;3. 麦克斯韦电磁方程组： 1873年，麦克斯韦出版《电磁学通论》，创造性的建立了电磁场理论的完整体系。把以前的电磁场理论都综合在一组方程式中，得到了电磁场的数学方程-----麦克斯韦电磁方程组。以简洁的数学结构，揭示了电场和磁场内在的完美对称。;1电场中的高斯定理; 当有介质时，需要补充三个描述介质性质的方程式。