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1、麦克斯韦的电磁场理论,靖边中学 李靖东,第三章 划时代的发现,伟大的丰碑,接力棒 从一位巨人的手中传到了另位巨人手中,法拉第麦克斯韦（电磁学） 第谷开普勒（天体力学） 伽利略牛顿（经典力学）,四种作用力之迷,库仑力（电荷间作用力） 磁极间作用力 电流元之间作用力 万有引力,场和力线的新概念,超距说物体间的相互吸引力的传递，是不需要通过任何介质、不需要时间的。 场磁体和电荷周围并不是空无一物，而是存在着一种由电荷和磁体本身产生的连续的介质，通过这种介质传递着电磁相互作用。,法拉第,在对电、磁现象作出物理解释的过程中，法拉第有着深邃的物理思想，没有用数学形式表达，而是凭着他丰富的想象力和科学的抽象
2、思维能力，创造了“力线”这种形象化的图示方法。,电作用或磁作用正是通过电场或磁场传递的！,法拉第1837年，提出了“场” 和“力线”的概念。,经典电磁理论的奠基人 , 气体动理论创始人之一。提出了有旋场和位移电流的概念 , 建立了经典电磁理论 (1864) , 并预言了以光速传播的电磁波的存在。在气体动理论方面 , 提出了气体分子按速率分布的统计规律。,麦克斯韦（1831-1879）英国物理学家,在法拉第发现电磁感应定律那一年，即1831年，麦克斯韦在英国的爱丁堡出生了。他从小聪明好问。父亲是个机械设计师，很赏识自己儿子的才华，常带他去听爱丁堡皇家学会的科学讲座。十岁时送他到爱丁堡中学。在中学
3、阶段，他就显示出了在数学和物理方面的才能，十五岁那年就写了一篇关于卵形线作图法的论文，被刊登在爱丁堡皇家学会学报上。1847年，十六岁的麦克斯韦考入爱丁堡大学。1850年又转入剑桥大学。他学习勤奋，成绩优异，经著名数学家霍普金斯和斯托克斯的指点，很快就掌握了当时先进的数学理论。这为他以后的发展打下了良好的基础。1854年在剑桥大学毕业后，曾先后任亚伯丁马里夏尔学院、伦敦皇家学院和剑桥大学物理学教授。他的口才不行，讲课效果较差。,麦克斯韦在电磁学方面的贡献是总结了库仑、高斯、安培、法拉第、诺埃曼、汤姆逊等人的研究成果特别是把法拉第的力线和场的概念用数学方法加以描述、论证、推广和提升，创立了一套完
4、整的电磁场理论。,麦克斯韦除了在电磁学方面的贡献外，还是分子运动论的奠基人之一。,其特点是：电场、磁场各自独立存在。,静电场,静电场是由电量不随时间变化的静止电荷产生的;恒定磁场是由恒定的电流产生的，两种场都不随时间变化,称为:静态场。,麦克斯韦的发展,变化的电场和变化的磁场相互联系,形成一个不可分割的统一体电磁场.电场和磁场只是电磁场这个统一体的两种具体表现形式。,变化的磁场产生电场,当用磁棒接近或远离闭合电路时，电路中就产生感应电动势，它推动着电路各处的自由电荷形成电流，仿佛沿着电路有一个电场一样。,这个感应电动势的大小跟电路的具体结构无关，只跟磁通量的变化率有关。,麦克斯韦的进一步推广,
5、如果没有实际的电路，在同样大小的空间范围内也将产生同样大小的感应电动势。,变化的电场产生磁场,由于交变电流能使电容器两极反复充放电，极板上电荷量的变化，相当于导线中不断有电荷在流动，导致电灯发光。,交变电流为什么能通过电容器呢？,麦克斯韦引入位移电流,把电容器充、放电过程在电路中形成的电流看成有一个新的电流，叫做位移电流。,导线中靠自由电子的运动导电， 电容器中靠位移电流导电。,（1）有旋电场（感应电场） 假设：,麦克斯韦假设,（2）位移电流假设：,变化的磁场要激发电场,变化的电场要激发磁场,电场和磁场之间存在密切联系,一座伟大的丰碑,磁场的变化是均匀的，产生的电场是稳定的 磁场的变化是不均匀
6、的，产生的电场是变化的,电场的变化是均匀的，产生的磁场是稳定的 电场的变化是不均匀的，产生的磁场是变化的,变化的磁场能产生电场,变化的电场能产生磁场,根据麦克斯韦电磁场理论,电场和磁场将相互激发,由近及远向周围空间传播出去,形成电磁波。,物理学史上三次大综合,17世纪，伽利略研究地面上物体的运动，打开了通向近代物理学的大门。牛顿在此基础上把地面上物体的运动和天体运动统一起来，揭示了天上地下一切物体的普遍运动规律，建立了经典力学体系，实现了物理学史上第一次大综合。 18世纪，经过迈尔、焦耳、卡诺、克劳修斯等人的研究，经典热力学和经典统计力学正式确立，从而把热与能、热运动的宏观表现与微观机制统一起
7、来，实现了物理学史上的第二次大综合。 19世纪，麦克斯韦在库仑、安培、法拉第等物理学家研究的基础上，经过深入研究，把电、磁、光统一起来，建立了经典电磁理论，预言了电磁波的存在，实现了物理学史上第三次大综合。,谢谢,在有电容器的电路中，电容器极板表面被中断的传导电流I，可以由位移电流Id继续下去，从而构成了电流的连续性。,位移电流：电场中某一点位移电流密度矢量 等于该点电位移矢量对时间的变化率；通过电场中某一截面的位移电流 等于通过该截面电位移通量 对时间的变化率，即,3. 位移电流与传导电流的关系,位移电流与传导电流在产生磁效应上是等效的。,(2) 产生的原因不同：传导电流是由自由电荷运动 引
8、起的，而位移电流本质上是变化的电场。,(3)通过导体时的效果不同：传导电流通过导体时产生焦耳热，而位移电流不产生焦耳热。,全电流,传导电流,位移电流,在磁场中沿任意闭合回路 的线积分在数值上等于穿过以该闭合回路为边线的任意曲面的传导电流和位移电流的代数和，这称为全电流安培定律，简称全电流定律。,位移电流与传导电流有什么相同和不同？,1、相同点：传导电流和位移电流都能产生磁场； 正因如此,麦克斯韦预言电磁波的存 在，数年后（1880年）赫兹用实验 证实了电磁波的存在。 2、不同点：1）位移电流不能直接检测出来； 2）位移电流没有热效应，而传导电 流有热效应。,感生电场假设,位移电流假设,麦克斯韦
9、尔假设二:,麦克斯韦尔假设一:,（1）有旋电场（感应电场） 假设：,麦克斯韦两条假设,（2）位移电流假设：,变化的磁场要激发电场；,变化的电场要激发磁场。,二、 麦克斯韦方程组 (Maxwell equations),（1）静电场的高斯定理,（2）静电场的环路定理,（4）稳恒磁场的环路定理,（3）稳恒磁场的高斯定理,引入有旋电场和位移电流的概念后，适用于一般电磁场的方程组为：,2）麦克斯韦方程组的积分形式,变化磁场要激发电场,变化电场要激发磁场,三、麦克斯方程： 麦克斯韦方程是经典电磁理论的核心，积分形式为：,安培定律,法拉第定律,磁场连续性方程,高斯定理,问题4：麦克斯韦方程组的积分形式是怎
10、样的？,（由1个学生上台填写）,上式为麦克斯韦方程式的非限定形式,适用于任意媒质。,、微分形式：,1 ) 安培定律积分式：,从斯托克斯定理：,所以,）法拉第定律积分式：,从斯托克斯定理：,所以：,（由2个学生推导）,）磁场连续性方程：,据散度定理,有:,） 高斯定理：,据散度定理,有:,麦克斯韦方程式的物理意义：,）时变电场是有旋有散的，电力线可闭合也可不闭合； ）时变磁场是有旋无散的，磁力线总是闭合的； ）不闭合的电力线从正电荷到负电荷； 闭合的电力线与磁力线相交链； 闭合的磁力线要么与电力线交链，要么与电流相交链。,）在无源区域（即：无电荷，也无电流）时变电场和时变磁 场都是有旋无散，电力线与磁力线自行闭合，相互交链； ）由于电场、磁场相互激发，转化可形成电磁波，以有限的速度向空间传播,形成电磁波。,麦克斯韦方程经典电磁理论的基本定律.麦克斯韦方程如下: 微分形式 积分形式,(安培定理),(法拉第电磁感觉定理),(磁通连续性方程),(高斯定理),