16.5-1 麦克斯韦电磁场理论

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1、 麦克斯韦麦克斯韦（1831-1879）英国）英国物理学家物理学家.经典电磁理论的奠基经典电磁理论的奠基人人,气体动理论创始人之一气体动理论创始人之一.他他提出了有旋场提出了有旋场(感生电场感生电场)和位移和位移电流的概念电流的概念,建立了经典电磁理建立了经典电磁理论论,并预言了以光速传播的电磁并预言了以光速传播的电磁波的存在波的存在 .在气体动理论方面在气体动理论方面,他还提出了气体分子按速率分布他还提出了气体分子按速率分布的统计规律的统计规律.16.5 麦克斯韦电磁场理论麦克斯韦电磁场理论1820年奥斯特年奥斯特电电磁磁1831年法拉第年法拉第磁磁电电产生产生产生产生变化的电场变化的电场磁

2、场磁场变化的磁场变化的磁场电场电场激发激发一一.位移电流位移电流1、电磁场的基本规律、电磁场的基本规律对静电场对静电场对稳恒磁场对稳恒磁场对变化的磁场对变化的磁场在电流非稳恒状态下在电流非稳恒状态下,安培环路定理是否正确安培环路定理是否正确?对对 面面对对 面面矛盾矛盾+电容器破坏了电路中传导电流的连续性。电容器破坏了电路中传导电流的连续性。+II电容器极板在充放电过程中，造成极板上电荷积电容器极板在充放电过程中，造成极板上电荷积累随时间变化。累随时间变化。单位时间内极板上电荷增加（或减少）等于通入单位时间内极板上电荷增加（或减少）等于通入（或流出）极板的电流（或流出）极板的电流由高斯定理由高

3、斯定理:即即+II做一高斯面则则式中式中:传导电流传导电流 若把最右端若把最右端电位移通量的时间变化率电位移通量的时间变化率看作为一种电看作为一种电流，那么电路就连续了。麦克斯韦把这种电流称为流，那么电路就连续了。麦克斯韦把这种电流称为位移位移电流电流。麦克斯韦假设麦克斯韦假设:变化的电场象传导电流一样能产生变化的电场象传导电流一样能产生磁场磁场,从产生磁场的角度看从产生磁场的角度看,变化的电场可以等效为变化的电场可以等效为一种电流一种电流.定义定义（位移电流密度）（位移电流密度）通过电场中某截面的位移电流强度通过电场中某截面的位移电流强度 截面的电位移通量对时间的变化率。截面的电位移通量对时

4、间的变化率。等于通过该等于通过该电场中某点位移电流密度矢量电场中某点位移电流密度矢量矢量对时间的变化率。矢量对时间的变化率。等于该点电位移等于该点电位移位移电流的理解位移电流的理解1.位移电流与传导电流方向相同位移电流与传导电流方向相同如放电时如放电时反向反向同向同向2.位移电流和传导电流产生磁场相同位移电流和传导电流产生磁场相同.3.在真空中位移电流无热效应在真空中位移电流无热效应.二、全电流二、全电流全电流全电流通过某一截面的全电流是通过这一截面的通过某一截面的全电流是通过这一截面的传导电流传导电流 和和位移电流位移电流的的代数和代数和.在任一时刻在任一时刻,电路中的全电流总是连续的电路中

5、的全电流总是连续的.在非稳恒的电路中在非稳恒的电路中,安培环路定律仍然成立安培环路定律仍然成立.全电流定律全电流定律位移电流和传导电流一样，都能激发磁场位移电流和传导电流一样，都能激发磁场传导电流传导电流位移电流位移电流电荷的定向移动电荷的定向移动电场的变化电场的变化通过电流产生焦耳热通过电流产生焦耳热真空中无热效应真空中无热效应传导电流和位移电流在激发磁场上是等效传导电流和位移电流在激发磁场上是等效左旋左旋右旋右旋对称美对称美静电场和稳恒磁场的基本规律静电场和稳恒磁场的基本规律静电场静电场稳恒磁场稳恒磁场变变三、三、麦克斯韦方程组的积分形式麦克斯韦方程组的积分形式变化磁场变化磁场产生电场产生

6、电场变化电场变化电场产生磁场产生磁场稳恒稳恒情况情况的电的电磁场磁场规律规律将高斯定理也推广到一般将高斯定理也推广到一般：电场：电场：自由电荷的电场自由电荷的电场变化磁场的电场变化磁场的电场任意电场任意电场磁场磁场传导电流传导电流 I 的磁场的磁场位移电流位移电流 Id的磁场的磁场任意电流任意电流麦麦克克斯斯韦韦方方程程组组2.各方程的物理意义：各方程的物理意义：1.麦克斯韦方程组：麦克斯韦方程组：(1)在任何电场中，通过任何闭合曲面的电位移通量等于在任何电场中，通过任何闭合曲面的电位移通量等于 该闭合曲面内自由电荷的代数和。该闭合曲面内自由电荷的代数和。有源场有源场(2)在任何磁场中，通过任

7、何闭合曲面的磁通量在任何磁场中，通过任何闭合曲面的磁通量 恒等于恒等于0。无源场无源场(3)一般地，电场强度一般地，电场强度E沿任意闭合环路的积分等于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负值。穿过该环路磁通量随时间变化率的负值。有旋场有旋场(4)磁场强度磁场强度H沿任意闭合环路的积分，等于穿过该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。环路传导电流和位移电流的代数和。有旋场有旋场 qmiIm(1)(2)(3)(4)？结论：结论：无论是否有磁荷、磁流存在，麦克斯韦方程组无论是否有磁荷、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

8、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、无线电学等学科的践的检验，已成为现代电子学、无线电学等学科的 理论基础。理论基础。麦克斯韦完善了电磁场理论，预言了电磁波的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：存在，并计算出电磁波在真空的速度为：3108 m/s人们赞美人们赞美 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 象一首美丽的诗象一首美丽的诗!理论假设在先，实验检验在后理论假设在先，实验检验在后 麦克斯韦在电磁理论方面的杰出贡献在于：他完整而麦克斯韦在电磁理论方面的杰出贡献在于：他完整而深刻地揭示出深刻地揭示出变化的磁场可以激发电场、变化的

9、电场又能变化的磁场可以激发电场、变化的电场又能激发磁场这激发磁场这 一客观规律，一客观规律，从而使人们认识到电场与磁场间从而使人们认识到电场与磁场间互相依存、互相转化的关系互相依存、互相转化的关系,认识到认识到:电磁场的统一性。电磁场的统一性。麦克斯韦电磁场理论使人类对麦克斯韦电磁场理论使人类对宏观世界宏观世界的认识达到了一的认识达到了一个新的高度，是从牛顿力学到爱因斯坦相对论建立这段时期个新的高度，是从牛顿力学到爱因斯坦相对论建立这段时期中物理学史上最重要的理论成果。中物理学史上最重要的理论成果。18791879年年1111月月5 5日，麦克斯韦因病在剑桥逝世，年仅日，麦克斯韦因病在剑桥逝世

10、，年仅4848岁。那一年正好爱因斯坦诞生。岁。那一年正好爱因斯坦诞生。科学史上这种巧合还有科学史上这种巧合还有一次一次是在是在16421642年，那一年伽里略去世，牛顿诞生。年，那一年伽里略去世，牛顿诞生。五、五、电磁场的物质性电磁场的物质性实验证实：实验证实：电磁场电磁场客观存在的一种物质形态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。一切物质具有基本属性：能量、质量、动量。1.电磁场能量电磁场能量 能量密度能量密度静电场的能量密度：静电场的能量密度：稳恒磁场的能量密度：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：变化的电磁场同时具有电场能和磁场能：一般地：一般

11、地：2.电磁场质量密度电磁场质量密度电磁场具有有限的运动速度电磁场具有有限的运动速度C，则其具有一定的质量则其具有一定的质量M。由相对论质能关系：由相对论质能关系：E=MC2设单位体积中，电磁场质量为设单位体积中，电磁场质量为m，能量为能量为w：w=mC2设单位体积中，电磁场质量为设单位体积中，电磁场质量为m，能量为能量为w：w=mC2质量质量密度密度3.电磁场动量密度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电磁场物质性的特点（1）没有静止质量；）没有静止质量；Mo=0（2）电磁场以波的形式传播，）电磁场以波的

12、形式传播，以粒子的形式与实物相互作用；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；）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。）电磁波的波速与参照系无关。七、七、电磁波谱电磁波谱将电磁波按将电磁波按波长波长或或频率频率的顺序排列的顺序排列成谱成谱X射线射线紫外线紫外线红外线红外线微微 波波毫米波毫米波短无线电波短无线电波 射线射线频率频率(Hz)波长波长(m)长无线电波长无线电波可见光可见光电磁波的应用电磁波的应用从从1888年年赫兹赫兹用实验证明了电磁波的存在，用实验证明了电磁波的存在，1895年年俄国科学家波波夫发明了俄国科学家波波夫发明

13、了第一个无线电报系统第一个无线电报系统。1914年年语音通信语音通信成为可能。成为可能。1920年年商业商业无线电广播无线电广播开始使用开始使用。20世纪世纪30年代年代发明了发明了雷达雷达。40年代年代雷达和通讯得到飞速发展，雷达和通讯得到飞速发展，自自50年代第一颗人造卫星上天年代第一颗人造卫星上天，卫星通讯事业得到迅猛发展。卫星通讯事业得到迅猛发展。如今电磁波已在通讯、遥感、空间控测、军事应用、科学研究如今电磁波已在通讯、遥感、空间控测、军事应用、科学研究等诸多方面得到广泛的应用。等诸多方面得到广泛的应用。光是电磁波光是电磁波光色光色 波长波长(nm)频率频率(Hz)中心波长中心波长(nm)红红 760622 660 橙橙 622597 610 黄黄 597577 570 绿绿 577492 540 青青 492470 480 兰兰 470455 460 紫紫 455400 430 可见光七彩颜色的波长和频率范围可见光七彩颜色的波长和频率范围