大学物理：14第十四讲　电磁场与电磁波.ppt

1,根据已知电磁场基本规律：,静止电荷静电场；,变化的磁场,电场（涡旋电场）,变化的电场,磁场,？,传导（稳恒）电流稳恒磁场；,启示,麦克斯韦对此引入位移电流的概念，提出假说：,变化的电场 位移电流 磁场,该假设正确地回答了变化的电场激发磁场的问题,并在此基础上建立了麦克斯韦电磁场理论麦克斯韦方程组电磁学发展的第二个里程碑-,引 言,2,一、旧理论在新问题中的矛盾,稳恒电路中电流连续，故安培环路定理：,对同一环路L所围成的任意曲面S均成立 位移电流与全电流定律,如右图所示，曲面S1和S2均由环路L所围成，上式对两者均成立3,适用于稳恒电路的安培环路定理在电流不连续的情况下出现矛盾！,对L所围成的S1面,而对L所围成的S2面,将稳恒电路的环路定理用于非稳恒电路时，将出现矛盾以如图电容器充电电路为例：,4,充电时，穿过S1面的电流累积为极板上的电荷根据电荷守恒定律有：,二、位移电流,而两极板间的电位移D和电通量D为,（无论充电或放电， 方向均与电流方向相同.）,充电时，,的方向与D方向一致，也与I 的方向一致；,放电时，,的方向与D方向相反，但仍与 I 方向一致充电,放电,5,启示：在非稳恒电路中，电场的变化等效于某种电流。

6,即穿过S1的传导电流I，等于穿过S2的电位移通量的时间变化率麦克斯韦定义位移电流：,位移电流密度矢量：,这样，在极板上中断的传导电流I，被位移电流Id 所接替，两者保持了电流的连续性根据,7,与回路中的 成右旋关系麦克斯韦指出：在产生磁效应方面位移电流与传导电流完全相同，两者在激发磁场时也遵守同样的规律三、位移电流的磁场,传导电流：,位移电流 Id 产生的磁场,类比得位移电流：,8,四、全电流定律,1.全电流,全电流密度,全电流在任何情况下都是连续的或：,2.全电流定律,磁场强度的环流等于穿过环路面积的全电流的代数和.,9,位移电流与传导电流的异同,传导电流I 位移电流Id,相异点：,起源,热效应,电荷的运动,电场的变化,有,无,相同点：,两者均产生涡旋磁场，而且电流与磁场的方向均满足右手螺旋关系10,例:半径为R的圆形平板电容器，两极板间电场的时间变化率为 求：1.两极板间的位移电流; 2.两极板间内、外的磁感应强度解：1.两极板间的位移电流,2.如图取半径 的圆形回路，由全电流定律得,(设极板间电场均匀分布，且忽略边缘效应.),11,当 r R，穿过回路的电通量分布在半径R范围内，所以,12,在极板边缘处，r = R,感应磁场分布曲线如图。

13,解：根据欧姆定律有,例：导体中通有简谐电流 电流沿横截面S均匀分布，试计算导体中传导电流与位移电流的比值位移电流,位移电流与传导电流的振幅比,一般良导体，,只要电流变化频率,通常导体内的位移电流与传导电流相比微不足道例如，市电频率：50Hz，,14,例：带不同电量的两长直细线以不同的速率沿长度方向作同向运动，试比较它们之间相互作用的磁力和电力的大小解：两带电线匀速运动时的等效电流分别为,单位长度线段间的相互作用磁力,带电直线1在直线2处产生的电场强度,15,带电直线2单位长度所受电力,故，磁力与电力的比值,磁力远小于电力！（通常现象中 v c),导线中正负电荷的电场对另一导线的电力作用彼此抵消在原子内部，电荷间的相互作用主要是电力，而磁力不过是（v/c ）的二级小的效应问题：但实验中为何只观察到通电导线间的磁力？,注意:例题中讨论的是带电线，其中正负电荷未抵消，而是有净余电荷16, 麦克斯韦方程组,一般情况，总电磁场包括静态场、稳恒场和动态场,Maxwell电磁理论基本思想, 变化的电场和变化的磁场相互激发、相互依存，实为一个整体,组成统一的电磁场静电荷产生的静电场变化的磁场产生的涡旋电场传导电流产生的稳恒磁场变化的电场产生的磁场,17,总结电磁学方程,18,Maxwell方程组的积分形式,物质方程：,19,Maxwell方程组的微分形式,Maxwell方程的适用范围：一切宏观电磁现象。

当讨论局部性问题时，常用到微分形式的方程组.,20,Maxwell方程组的科学价值,完整地概括了电磁场的运动规律，能推断和解释一切宏观的电磁现象预言了光的电磁本性，将光学和电磁学统一起来方程蕴含着完美的对称结构时空对称、电磁对称不仅说明电磁场是最简单的规范场，也为相对论的产生提供了邹形它在技术上的应用促进了电子技术和生产力的高度发展可以说近代一切无线电技术、雷达、电视、电子计算机等等都只不过是麦克斯韦方程组的应用而已爱因斯坦把麦克斯韦的电磁场贡献评价为“自牛顿时代”以来物理学所经历的最深刻最有成效的变化21,麦克斯韦简介,麦克斯韦1831年出生在英国爱丁堡的一个名门望族，8岁时母亲去世，在父亲的诱导下学习科学他从小便显露出数学天才，15岁时就在爱丁堡皇家学会的刊物上发表了第一篇数学论文16岁进入爱丁堡大学学习数学、物理学和哲学1850年转入剑桥大学三一学院，主攻数学和物理学1854年以优异成绩毕业并留校任职19世纪末是经典物理学向现代物理学转化的时期，麦克斯韦则是科学革命前的重要转折人物一方面，他是近代物理学的巨匠、经典物理学大厦的主要完成者之一；另一方面，他由于加速了牛顿力学观的崩溃而成为现代物理学的先驱。

麦克斯韦对科学的伟大贡献在于他提出和发展了新的世界观，为未来的科学研究指明了方向他的电磁学理论通向相对论；他的气体动力学理论对量子论起过作用；他筹建并领导的卡文迪许实验室引导了实验原子物理学的发展这一切使他成为牛顿之后、爱因斯坦之前最重要的物理学家22,他的巨著电磁学通论的重大意义，完全可以与牛顿的自然哲学的数学原理和达尔文的物种起源等价爱因斯坦曾评价说：“这个理论从超距作用过渡到以场为基本量，以致成为一个革命的理论”1879年11月5日，麦克斯韦患癌症去世，终年只有48岁这位科学巨匠生前的荣誉远远不及法拉第，直到他死后许多年，在赫兹证明了电磁波存在以后人们才意识到，并且公认他是“牛顿以后世界上最伟大的数学物理学家”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自然科学理论的成果，奠定了现代的电力工业、电子工业和无线电工业的基础23,变化的电磁场在空间的传播叫电磁波 电磁波,一、电磁波,电磁波的形成：变化着的电场和磁场相互激发、交替产生,并以有限速度在空间中传播，即为电磁波。

解：,平面简谐电磁波方程（波源作简谐振荡）,振幅关系,24,平面简谐电磁波的基本性质,电磁波是横波 均垂直于其传播方向电磁波具有偏振性 分别有各自的振动面 电磁场的量值均作周期性变化，且变化的位相相同.其瞬时关系:,波速,真空中:,光是一种电磁波!,介质中:,25,辐射强度矢量 （能流密度矢量）,电磁波的传播过程就是电磁能的传播过程电磁波所携带的能量叫做辐射能矢量形式：,二、电磁波的能量,电磁波能量密度,单位时间通过垂直于波传播方向单位面积的辐射能.,大小,方向与电磁波的传播速度方向一致26,电磁场的能量密度,相应的质量密度和动量密度：,三、电磁场的物质性与统一性,1.电磁场的物质形态,1920年列别捷夫的光压实验证明电磁场与实物间有动量传递，并满足守恒定律2.电磁场是统一的整体,电场与磁场相互激发, 交替作用电场与磁场相互联系，相互依存，不可分割根据狭义相对论原理不难说明：磁现象是电现象的一种相对效应总之：电磁场具有统一性，相对性；具有物质的一切重要属性电磁场是物质的一种形态27,按频率或波长的顺序把各种电磁波排列起来，就构成了电磁波谱一定波源发出的电磁波的频率 不变,但波速c 、波长 都与介质有关。

电磁波谱,28,例：半径为R的长直螺线管（单位长度匝数为n）其导线中通有变化的电流i，且di/dt 0，管内磁导率为求：1.管内与轴线相距 r 的某点p处的磁场强度；2. p点处的感生电场强度；3. p点处的坡印廷矢量解：1.管内为均匀磁场,左视图,2.在管内取回路L，则,29,式中负号表明感生电场满足楞次定律的要求或者根据前面电磁感应部分的讨论，直接写出：,故有：,又由：,右视图,30,3. p 点处的坡印廷矢量大小,由对称性知，各点 S 的方向均指向螺线管轴线方向指向中心o：,轴线上,故整个螺线管不向外辐射电磁能量。