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* 电磁场对物质(电流、电荷)的作用力(密度): 电荷、电流产生电磁场,这是物质间相互作用的一半. 另一半是场对物质,也就是电磁场对电荷和电流的作用,这种作用当然要以力的形式体现. 这就是洛伦兹力. * 若矢量场存在于有限的空间,那么在考虑足够大的区域,其边界上不存在场,场线仅在区域内存在. 在区域内,场线只能有两种结构. 其一,存在奇点,成为场线的端点. 其二,场线自我闭合. 奇点成为场之源,体现了场的有源性;闭合的结构是场的有旋性代表(不闭合也可以是有旋场). 一个矢量场,如果其旋度和散度均确定,则该场就唯一确定了(可以相差一个常数场,如果加上有限区域的物理限定,常数为零). 如果散度、旋度均为零,则此场为零矢量场. 任何一个矢量场可以分成无源场和无旋场之和. 无旋场、无源场是场的两种基本结构. 通常无旋场称为纵场、无源场称为横场(与经纬相类比). * 如果只考虑电磁相互作用,麦克斯韦方程、洛伦兹力、牛顿运动方程一起就构成描述包含粒子、电磁场体系的完整、自洽的动力学方程. 第一章 电磁现象的普遍规律 §1.3 麦克斯韦方程组 内 容 概 要 1. 电磁感应定律 2. 位移电流 3. 真空中的麦克斯韦方程组 4. 洛伦兹力 实验发现:电荷激发电场,电流激发磁场,而且变化着的电场和磁场可以互相激发,电场和磁场成为统一的整体——电磁场. 与恒定场相比,变化电磁场的新规律主要是: (1)变化磁场激发电场 (2)变化电场激发磁场 (法拉第电磁感应定律) ; (麦克斯韦位移电流假设). 1831年法拉第发现当磁场发生变化时,附近闭合线圈中有电流通过,并由此总结出电磁感应定律: ① 感应电动势的大小: 闭合线圈中的感应电动势与通过该线圈内部的磁通量变化率成正比. 1. 电磁感应定律 ②感应电动势的方向: 实验结果:当通过S的磁通量增加时,在线圈L上的感应电动势与我们规定的L的围绕方向相反,因此用负号表示. L 如图所示,L为闭合线,S为L所围的一个曲面, 为S上的一个面元. 我们规定:L的围绕方向与 的法线方向成右手螺旋关系. 在国际单位制中,电磁感应定律为 感应电流表明空间中存在着电场. 电磁感应现象的实质是变化磁场在其周围空间中激发了电场,这是电场和磁场内部相互作用的一个方面. 因此电磁感应定律可写为 感应电动势是电场强度沿闭合回路的线积分,即 若回路L是空间中的一条固定回路,则上式中对t的全微商可改为偏微商: 化为微分形式后可得 ——这是磁场对电场作用的基本规律. 由上式可以看出,感应电场是有旋场. 感应电场是由变化着的磁场激发的涡旋状的场,所以场线是闭合的,即所谓的横场. 由于场线闭合,所以 , 由此, 我们得到 一般说来,在非恒定情况下,电荷分布随时间变化,由电荷守恒定律有 电流不再是闭合的. 所以对非恒定电流 2. 位移电流 能不能推广到非恒定电流情形? 来自于恒定电流激发的磁场 问题: 不能推广到非恒定电流情形! 令 位移电流 注意到电荷守恒定律和电场散度公式 引入位移电流 的目的是使 把上述情况推广的一个方案是假设存在一个称为位移电流的物理量 , 由上式可知,位移电流实质上是电场的变化率,它是麦克斯韦首先引入的. 位移电流假设的正确性由以后关于电磁波的广泛实践所证明. 是位移电流的最佳定义,由此 可见, 关于磁场的另一规律 ,由于不存在自 由磁荷而仍然成立. 电场、磁场是统一的,即电磁场. 电荷、电流是电磁场之源,来源“实体”物质. 电磁场可以独立于电荷、电流,具有“物质性”. 真空中的 麦克斯韦方程组是线性方程,满足叠加原理. 3. 真空中的麦克斯韦方程组 无源的情况 麦克斯韦方程组可用于静电场和静磁场,也可以用于随时间变化的电场和磁场. 变化的电场、磁场可以交替激发,形成电磁波,这是麦克斯韦方程组最重要的理论预言. 变化的磁场激发的电场与静电场不同,电场线是闭合的. 即电场线即可不闭合,也可闭合;磁感线总是闭合的. 麦克斯韦方程组的特点和物理意义 特点: (a) 反映一般情况下电荷、电流激发电磁场以及电磁场内部运动的规律. (b) 在电荷和电流密度为零的区域,电场和磁场通过本身的互相激发而运动传播. 物理意义: (a) 揭示了电磁场的运动规律. (b) 揭示了电磁场可以独立于电荷与电流之外而存在. 带电体单位体积所受的洛伦兹力密度为 4. 洛伦兹力 单个带电体运动所受的力为 库仑定律+安培定
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