第五章_经典电磁学-3

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1、第五章经典电磁学的建立与发展(3)§1.对电磁现象的早期认识§2.富兰克林对雷电现象的研究§3.从定性到定量——库仑定律的发现§4.由静电到动电——电流的发现§5.电流的磁效应与安培定律§6.电磁感应现象的发现与研究§7.麦克斯韦电磁场理论的建立§8.电磁波的发现与应用背景：19世纪中期，描述电场、磁场的性质以及电、磁场相互关系的库仑定律、高斯定律、安培定律、法拉第电磁感应定律已相继建立，法拉第关于力线和场的概念已经提出。1847-1853年间，W.汤姆逊提出了铁磁质内磁场强度H和磁感应强度B的定义，并

2、导出了H=μB，同时还导出了磁场的能量密度为μH2/8π、载流导线的磁能LI2/2，并且于1851年提出了《磁的数学理论》。为后来迈克斯韦的研究做出了典范。总之到了十九世纪五六十年代，创立电磁场理论的条件已趋成熟。§7.麦克斯韦电磁场理论的建立从出生地来说他属于爱丁堡，从功绩上来说他属于全世界。——普朗克麦克斯韦电磁场理论的建立一.麦克斯韦（1831-1879）简介二.建立电磁场理论的工作三.麦克斯韦成功的基本要素四.意义麦克斯韦电磁场理论的建立麦克斯韦一.麦克斯韦（1831-1879）简介麦克斯韦是继

3、法拉第之后，集电磁学之大成的伟大科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一系列发现和实验成果，建立了第一个完整的电磁理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象的本质的统一性，完成了物理学的又一次大综合。这一理论自然科学的成果，奠定了现代的电力工业、电子工业和无线电工业的基础。麦克斯韦1831年6月出生于英国爱丁堡，他的父亲是一位律师，但对研究科学问题有强烈爱好，这对麦克斯韦的一生有深刻影响。1879年11月3日，4麦克斯韦逝世，时年49岁，在他的一生中共写

4、了100多篇有价值的论文。麦克斯韦10岁进入爱丁堡中学，14岁在中学时期就发表了第一篇科学论文《论卵形曲线的机械画法》，反映了他在几何和代数方面的丰富知识。16岁进入爱丁堡大学学习物理，三年后，他转学到剑桥大学三一学院。在剑桥学习时，打下了扎实的数学基础，为他以后把数学分析和实验研究紧密结合创造了条件。他精心研究了法拉第的《电学的实验研究》，以法拉第的力线概念为指导，透过这些似乎杂乱无章的实验记录，运用场论的观点，以演绎法建立了系统的电磁场理论。于1873年出版的《电学和磁学论》一书。这是一部可以同牛顿

5、的《自然哲学的数学原理》、达尔文的《物种起源》和赖尔的《地质学原理》相媲美的里程碑式的著作。1.类比：2.麦克斯韦的“以太涡旋”模型和“位移电流”3.麦克斯韦电磁方程组：4.电磁波的预言5.光波就是电磁波的提出二.麦克斯韦电磁场理论1.类比：1855年发表《论法拉第力线》，从几何观点，为法拉第力线作出了数学描绘。麦克斯韦用类比的方法，把力线看作不可压缩的流体的流线。如把正、负电荷比作流体的源和汇，电力线比作流管，电场强度比作流速等，引入了诺埃曼的矢势函数A，用于表示导体中引起的电动势。并指出，“电紧张态

6、”是场的一种运动性质，是一个物理真实。再论文末尾，迈克斯韦总结了六条定律，为以后建立电磁场理论奠定了基础。从而将法拉第的观念和直观的力线抽象为数学。麦克斯韦曾写道：“为了采用某种物理知识而获得物理思想，我们应当了解物理相似性的存在。……利用这种类似，可以用其中之一，说明其中之二。”1860年，麦克斯韦(30岁)带着上述论文拜访了的法拉第(70岁)。当法拉第看到麦可斯韦的文章后赞叹到：“我惊讶的看到，这个主题居然处理的如此之好！”。法拉第对麦克斯说:“你不要停留在用数学来解释我的观点上，而应该突破它。”2

7、.麦克斯韦的“以太涡旋”模型和“位移电流”1862年，麦可斯韦发表了第二篇电磁学论文《论物理力线》。提出了“电磁以太模型”，把电学量和磁学量之间的关系，形象的表现出来。电磁以太模型：如右图，充满空间的媒质分子在磁作用下具有旋转的性质，它们以磁力线为轴形成涡旋管，涡旋管转动的角速度正比于磁场强度H，涡旋媒质的密度正比于媒质磁导率μ。对磁极相互作用的解释：涡旋管旋转的离心效应，使管在横向扩张，同时产生纵向收缩。因此磁力线在纵向表现为张力，即异性磁极的吸引；在横向表现为压力，即同性磁极的排斥。由于相互紧密连接

8、的涡旋管的表面是沿相反方向运动的，为了互不妨碍对方的运动，麦可斯韦设想在相临涡旋管之间充满着一层起滚珠轴承作用的微小粒子。它们是些远比涡旋的线度小、质量可以忽略的带电粒子。粒子和涡旋的作用是切向的。粒子可以滚动，但没有滑动；在均匀恒定磁场中的情况：每个涡旋管转动速度相同的情况下，这些粒子只绕自身的轴自转，不产生位移。对于非均匀磁场：随位置不同磁力的强度不同，因而涡旋管的转速也不同的情况，涡旋管间的粒子则发生位移。如果此非均匀磁场为稳恒磁场，