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第八章 麦克斯韦电磁场理论与电磁波
第八章
麦克斯韦电磁场理论和电磁波
§1 麦克斯韦电磁理论
一、位移电流 二、.电磁场理论的基本概念
三、麦克斯韦方程组
§2 电磁波
一、电磁波的产生、传播 二、电磁波的辐射
三、电磁波的性质 四、光的电磁理论
五、电磁波谱
§3 电磁场的能流密度
一、电磁场具有能量 二、次开发
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电磁场的基本理论是麦克斯韦方程组。这是他在前人实践和理论的基础上对整个电磁现象作系统研究,特别对库仑、安培、法拉第等电磁学说加以总结、发展,提出了“涡旋”电场和“位移电流”的假说。在1865年他预言了电磁波的存在,并计算出其传播速度等于光速,提出了光的统一电磁场理论。
麦克斯韦的电磁场理论把电、磁、光三个领域综合到一起,具有划时代意义,爱因斯坦评价麦克斯韦的工作,他说“这是自牛顿以来,物理学上经历的最深刻和最有成果的一次变革。”
§1 麦克斯韦电磁理论
位移电流
位移电流的假说,是麦克斯韦对电磁理论所作重大贡献的核心,问题是由含有电容的交变电路引出。
我们知道,稳恒电流磁场的安培环路定理具有如下形势:
图中、是一曲线为边线的两个曲面,在稳恒电路中,穿过,的电流相同。
但是在含有的交流电路中,将安培环路定理应用于闭合曲线上。
对于面:
而对于面:
矛盾的焦点:在非稳恒情况下,得环流应是怎样的表达式?
麦克斯韦提出应满足下式:
其中是以为边线的任意曲面
——位移电流密度(矢量)
——位移电流(标量)
——全电流
即
比较
*
*式满足非稳恒,也满足稳恒 ,反映了新的物理规律——位移电流与传导电流在激发磁场方面是等效的。
不同方面:
[例] 求平行板电容器中的位移电流(忽略边缘效应)
解:在电容器充、放电的过程中,存在变化的电流
1)
二.电磁场理论的基本概念
1.按照位移电流的概念,任何随而变的电场都要在邻近空间激发磁场,因而总是与磁场的存在相联系
变化电场周围空间的磁场
与成右旋关系
说明当电场发生加速运动时,在其周围除了磁场之外,还有随变化的电场。一把而言,随变化的电场(位移电流)也是的函数。因此有它激发的磁场也随变化。此时,空间存在变化的磁场、变化的电场。
2.按照涡旋电场的概念,任何随而变化的磁场要在邻近空间激发涡旋电场,因而总是和电场的存在相联系。
变化的磁场周围空间的电场
与成右旋关系
电流产生磁场,变化的电流产生变化的磁场。一般而言,随变化的磁场也是的函数,因此变化磁场与变化电场相联系,即此时,空间充满变化的磁场,充满变化的电场。
可见,这连中变化的场相互联系,互为激发,互为影响,形成了电磁场。
三、麦克斯韦方程组
麦克斯韦总结前人的工作(库仑定律、安培定律、法拉第电磁感应定律),在此基础上,大胆提出涡旋电场和位移电流两个假说,把电磁场方程推广到最一般形式,不但揭示了电磁场的运动定律,更揭示了电磁场可以独立与电和之外单独存在,加深了我们对电磁场物质性的认识。
麦克斯韦方程组有积分形式和微分形式两种
稳恒磁场环路定理
静电场环路定理
积分形式适用于一定范围电磁场,而不能适用于某一给定点上的电磁场,而在实际应用中,更重要的是要知道场中各点的场量,这就必须将积分形式变换未相应的微分形式。在书上848页,介绍了食粮场的散度与旋度的概念。
矢量场的通量和散度(矢量场的散度是个标量场)
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