电磁学通论教学PPT（共8章）Chapter8麦克斯韦电磁场理论.pptxVIP

第8章 麦克斯韦电磁场理论;麦克斯韦关于电磁场的动力学理论，最终凝聚为四个方程，它是宏观电磁场理论的至高总结。本章对于构建麦克斯韦方程组过程中的假设、推广、位移电流的引入、电荷守恒律的支持和理论自洽性的审视，作了系统的论述和推演，并给出磁单极子存在时的麦克斯韦方程组；对于自由空间电磁场运动所遵从的波动方程和电磁波具有的基本性质，作了系统的论述和推证；采用一种特别简明的方式，导出电磁场能量密度、电磁场能流密度矢量 和动量密度矢量 ，并对光压和光镊作??介绍。 本章最后，对于电磁波的产生，赫兹实验和偶极振子其近源区的非辐射场及其远场区的辐射场之性质，作了详细的分析和描述。物理学崇尚理性崇尚实验之两大品格，在本章内容中得以生动而集中的体现，麦克斯韦电磁理论的建立，正是理性的魅力与实验的强力之完美结合，而成为物理学发展中的一个光辉典范。 ;8.1 位移电流;▲ 引言;;面对这幅理论图景鉴赏之，审视思辨之，可以发现电与磁之间有着某种理论形式上的不对称性，比如，变化着的磁场将激发涡旋电场，而磁场的旋度仅决定于传导电流，当然这只是静磁场情形。那么，在交变电场情形下，磁场环路定理中是否也将显露出一个（ ）模样的因子来，这只是一种期望一种预想。此时更值得关切的是，在交变电场情形下，安培环路定理不再成立，它明显地失去了理论自洽性，换言之，在交变情形下安培环路定理遭遇到困难。就在这思辨王国里，并借助法拉第倡导的力线图象，年青的J. C. 麦克斯韦提出了位移电流的假设，使那困难得以消解，使那期望得以实现。这是引言，随后陈述。;;(a) 恒定电流的闭合性，;解决思路，寻找新物理量。;▲ 位移电流的假设;最终，形成了普遍情形下的磁场环路定理为;▲普遍的磁场规律;▲位移电流的内涵 极化电流密度;兹证明极化电流密度 ，如下：;根据电功率体密度一般公式，;▲位移电流与传导电流之比值;根据电功率体密度一般公式，;▲【讨论】电容器中的位移电流 电磁场;8.2 电磁场的麦克斯韦方程组;基于法拉第电磁感应定律，麦克斯韦提炼出涡旋电场概念，它不仅揭示了变化的磁场将激发电场这一片新天地，而且为构建普遍的电场规律开辟了一条通途。 总电场源于两部分：与电荷相联系的非旋电场 与 相联系的涡旋电场 ，即 ;（基于涡旋电场线的闭合性），;;;;;▲评述;（2）在麦克斯韦方程组中，场随空间分布与场随时间变化之间的关联，电场与磁场的交织，显现得一目了然。一种高度抽象的理论形式，竟同时显现如此丰富而深刻的物理图景，跃然纸上，这在物理学理论宝库中，实属典范。这预示着，一旦局域出现电磁扰动，由于这种关联和交织，这电磁扰动就将由此及彼、由近及远而传播开来。麦克斯韦方程取得的最伟大的理论成果，是预言了电磁波的存在，并于1865年作出了电磁波具有光速的推论。;（3）鉴赏麦克斯韦方程，不难发觉电场 规律与磁场 规律。两者在理论形式稍有不对称性，（8.12-1）式表明电场 是一有散场，而（8.12-3）式表明磁感 总是一无散场。这一差别源于不存在自由磁荷 。如果引入自由磁荷，则磁感 将成为一有散场。 至于那“一”号，即（ ）对应（ ），这正体现了电与磁的一个原则区别。倘若没有这“一”号的差异，就不会出现电磁振荡电磁波，那电磁世界将是怎样的一种图景，真是难以想象。对称性诚可爱，非对称价更高，一切顺乎其然。;▲ 自由磁荷存在时的麦克斯韦方程组;如果磁单极子确定存在，则在一定程度上解释了目前实验上精确观测到的带电粒子的电荷量子化现象。狄拉克关于存在磁单极子的假设，引起了物理学界的广泛兴趣。实验物理学家们，先后精心设计了多种方案进行实验，旨在探测或捕获到磁单极子。比如，挖取深海沉积物的泥浆，注入置于10特斯拉磁场中的一个管道，并从管口近侧一孔中流出，希望此泥浆中的磁单极子在强磁场的吸引并加速下，获得极大速度去轟击前方一块靶上，以观测其磁效应；又比如，将1kg的深海泥浆，由一传送带运行并通过一个超导螺线管，希望样品中磁单极子所形成的磁流，在含超导线圈的闭合回路中产生甚大的感应电流，然后切断电路，通过一个电阻器放磁，以造成一个甚高电压，而测量之。迄今为止，还尚未在实验室中得到证实。虽然曾经有实验小组宣布找到了磁单极子，但未被国际物理学界正式认同。;倘若存在自由磁荷 或其体密度 ，则麦克斯韦方程组将要作适当变动。自由磁荷是以磁库仑定律为基础在空间产生磁场 ，故 场是一个有散非旋场，即;;(a)磁流的电效应符合左手定则， (b)电流的磁效应符合右手定则.;▲ 介质方程;8.3 自由空间电磁场运动方程 电磁波性质;▲关于波动方程的准备知识 ;对上述平面简谐波函