第五章经典电磁学-31.pptVIP

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。 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。 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。 当有介质时，需要补充三个描述介质性质的方程式。对于各向同性介质，有： D =εrε0 E B=μrμ0 H j =σE 式中，εr、μr 、σ分别是介质的相对介电常数、相对磁导率、电导率。 4.电磁波的预言 麦克斯韦方程组的一个重要结果，就是预言了电磁波的存在。麦克斯韦通过计算，从方程组中导出了自由空间中电场强度E和磁感应强度B的波动方程为： 5.光波就是电磁波的提出： 1856年韦伯测定上述速度值为：v=31.074万公里/秒,麦克斯韦发现这个值与1849年斐索测得的光速31.50万公里/秒十分接近。他认为这不是巧合，而是由于光的本质与电磁波相同，从而提出了光的电磁理论。它表明“光本身乃是以波的形式在电磁场中按电磁规律传播的一种电磁振动” 。从而将电、磁、光理论进行了一次伟大的综合。 证明电磁波和光波的一致性： 1888年3月赫兹对电磁波的速度进行了测定，并在论文《论空气中的电磁波和它们的反射》介绍了测定方法：赫兹利用电磁波形成的驻波测定相邻两个波节间的距离（半波长），再结合振动器的频率计算出电磁波的速度。他在一个大屋子的一面墙上钉了一块铅皮，用来反射电磁波以形成驻波。在相距13米的地方用一个支流振动器作为波源。用一个感应线圈作为检验器，沿驻波方向前后移动，在波节处检验器不产生火花，在