16.5麦克斯韦电磁场理论

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1、第16章电磁感应及电磁场16.5麦克斯韦电磁场理论麦克斯韦（1831-1879）英国物理学家.经典电磁理论的奠基人,气体动理论创始人之一.他提出了有旋场和位移电流的概念,建立了经典电磁理论,并预言了以光速传播的电磁波的存在.在气体动理论方面,他还提出了气体分子按速率分布的统计规律.1865年麦克斯韦在总结前人工作的基础上，提出完整的电磁场理论，他的主要贡献是提出了“有旋电场”和“位移电流”两个假设，从而预言了电磁波的存在，并计算出电磁波的速度（即光速）.1888年赫兹的实验证实了他的预言,麦克斯韦理论奠定了经典动力学的基础，为无线电技术和

2、现代电子通讯技术发展开辟了广阔前景.(真空中)引言：静电场稳恒磁场电电磁磁电磁磁电变化磁场感应电场变化电场？麦克斯韦又敏锐提出了：变化电场涡旋磁场产生如何提出？感应磁场1.引入S1S2RIC在电容的充放电过程中：以左极板边缘取为积分回路L，并以L为边界作曲面S1、S2。对S1面：对S2面：相矛盾！安培定律有问题？否！安培定律对非稳恒情况不适用。IS1极板q(t)极板间D(t)S2麦克斯韦分析矛盾后，指出：大胆地从理论上提出：位移电流的概念.一、位移电流IS1S2以左极板为例，如图取高斯面：0穿过S1的电流：位移电流——变化电场若S

3、2面不随时间t变化：有电流的量纲RIC2.定义：位移电流位移电流密度：电容充电：电容放电：结论：在电容器中，Id总=I，极板中断的电流由Id接替，保持电流的连续性。位移电流：RIC3.全电流麦克斯韦假设电场中某一点位移电流密度等于该点电位移矢量对时间的变化率.在非稳恒情况，往往是传导电流I与位移电流同时存在，两者之和的电流总是闭合的。4.全电流安培环路定理：传导电流+位移电流=全电流即：磁场强度H沿任意闭合环路的积分等于穿过此环路的传导电流与位移电流的代数和。S1S2RIC对S1面：对S2面：而：I=Id二、位移电流（变化电场）产生的磁场

4、。Id在激发磁场方面完全等效于IcId所激发的磁场H(B)与其成右手螺旋关系：三、传导电流与位移电流的比较位移电流Id的实质是变化电场！2.Ic产生焦耳热而Id不产生焦耳热！Ic和Id以共同的形式激发磁场。1.传导电流Ic和电荷的宏观定向运动有关,而共同点——不同点——3.Ic只存在于导体中，而Id可存在于导体、介质和真空中。例1有一圆形平行平板电容器,.现对其充电,使电路上的传导电流,若略去边缘效应,求（1）两极板间的位移电流;（2）两极板间离开轴线的距离为的点处的磁感强度.*解如图作一半径为平行于极板的圆形回路，通过此圆面积的电位移通

5、量为计算得代入数据计算得*四、麦克斯韦方程组的积分形式变化磁场产生电场变化电场产生磁场稳恒情况的电磁场规律将高斯定理也推广到一般：电场：自由电荷的电场变化磁场的电场任意电场磁场传导电流I的磁场位移电流Id的磁场任意电流麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组象一首美丽的诗!☆人们赞美2.各方程的物理意义：1.麦克斯韦方程组：(1)在任何电场中，通过任何闭合曲面的电通量等于该闭合曲面内自由电荷的代数和。——有源场(2)在任何磁场中，通过任何闭合曲面的磁通量恒等于0。——无源场(3)一般地，电场强度E沿任意闭合环路的积分等于穿过该环路磁通量随时间变化率的

6、负值。——有旋场(4)磁场强度H沿任意闭合环路的积分，等于穿过该环路传导电流和位移电流的代数和。——有旋场qmiIm(1)(2)(3)(4)？结论：无论是否有磁荷、磁流存在，麦克斯韦方程组不受影响。它成为电磁场理论的基础，并经受了实践的检验，已成为现代电子学、无线电学等学科的理论基础。3.洛仑兹力事物之间相互联系相互制约方程组激发电磁场电荷电流及电磁场内部运动的一面。电磁场反过来对电荷有作用力。电荷q在广义的电磁场中受力：对任何速度v的带电粒子都成立！麦克斯韦完善了电磁场理论，预言了电磁波的存在，并计算出电磁波在真空的速度为：3×10

7、8m/s五、电磁场的物质性实验证实：电磁场——客观存在的一种物质形态一切物质具有基本属性：能量、质量、动量。1.电磁场能量能量密度静电场的能量密度：稳恒磁场的能量密度：变化的电磁场同时具有电场能和磁场能：一般地：2.电磁场质量密度电磁场具有有限的运动速度C，则其具有一定的质量M。由相对论质能关系：E=MC2设单位体积中，电磁场质量为m，能量为w：w=mC2设单位体积中，电磁场质量为m，能量为w：w=mC2——质量密度3.电磁场动量密度根据相对论动量和能量的关系，电磁场动量密度为4.电磁场物质性的特点（1）没有静止质量；Mo=0（2）电磁场

8、以波的形式传播，以粒子的形式与实物相互作用；（3）电磁场可相互迭加，同时占具同一空间；（4）电磁波的波速与参照系无关。