1、麥克斯韋的電磁場(chǎng)實(shí)際麥克斯韋的電磁場(chǎng)實(shí)際靖邊中學(xué) 李靖東第三章劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)第三章劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)偉大的豐碑偉大的豐碑接力棒接力棒從一位巨人的手中傳到了另位巨人手中從一位巨人的手中傳到了另位巨人手中v法拉第法拉第麥克斯韋電磁學(xué)麥克斯韋電磁學(xué)v第谷第谷開普勒天膂力學(xué)開普勒天膂力學(xué)v伽利略伽利略牛頓經(jīng)典力學(xué)牛頓經(jīng)典力學(xué)四種作用力之迷四種作用力之迷v庫侖力電荷間作用力庫侖力電荷間作用力v磁極間作用力磁極間作用力v電流元之間作用力電流元之間作用力v萬有引力萬有引力場(chǎng)和力線的新概念場(chǎng)和力線的新概念v超距說超距說物體間的相互吸引力的傳送，是物體間的相互吸引力的傳送，是不需求經(jīng)過任何介質(zhì)、不需求時(shí)間的。不需求經(jīng)過

2、任何介質(zhì)、不需求時(shí)間的。v場(chǎng)場(chǎng)磁體和電荷周圍并不是空無一物，而磁體和電荷周圍并不是空無一物，而是存在著一種由電荷和磁體本身產(chǎn)生的延續(xù)是存在著一種由電荷和磁體本身產(chǎn)生的延續(xù)的介質(zhì)，經(jīng)過這種介質(zhì)傳送著電磁相互作用。的介質(zhì)，經(jīng)過這種介質(zhì)傳送著電磁相互作用。 經(jīng)典電磁實(shí)際的奠基經(jīng)典電磁實(shí)際的奠基人人 , 氣體動(dòng)實(shí)際開創(chuàng)人之氣體動(dòng)實(shí)際開創(chuàng)人之一。提出了有旋場(chǎng)和位移一。提出了有旋場(chǎng)和位移電流的概念電流的概念 , 建立了經(jīng)典建立了經(jīng)典電磁實(shí)際電磁實(shí)際 (1864) , 并預(yù)言并預(yù)言了以光速傳播的電磁波的了以光速傳播的電磁波的存在。在氣體動(dòng)實(shí)際方面存在。在氣體動(dòng)實(shí)際方面 , 提出了氣體分子按速率分提出了氣體分

3、子按速率分布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。麥克斯韋麥克斯韋1831-1879英國物理學(xué)家英國物理學(xué)家 在法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律那一年，即在法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律那一年，即1831年，麥年，麥克斯韋在英國的愛丁堡出生了。他從小聰明好問。父親克斯韋在英國的愛丁堡出生了。他從小聰明好問。父親是個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)師，很賞識(shí)本人兒子的人才，常帶他去聽是個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)師，很賞識(shí)本人兒子的人才，常帶他去聽愛丁堡皇家學(xué)會(huì)的科學(xué)講座。十歲時(shí)送他到愛丁堡中學(xué)。愛丁堡皇家學(xué)會(huì)的科學(xué)講座。十歲時(shí)送他到愛丁堡中學(xué)。在中學(xué)階段，他就顯示出了在數(shù)學(xué)和物理方面的才干，在中學(xué)階段，他就顯示出了在數(shù)學(xué)和物理方面的才干，十五歲那年就寫了一篇關(guān)于卵

4、形線作圖法的論文，被刊十五歲那年就寫了一篇關(guān)于卵形線作圖法的論文，被刊登在登在上。上。1847年，十六歲的麥克年，十六歲的麥克斯韋考入愛丁堡大學(xué)。斯韋考入愛丁堡大學(xué)。1850年又轉(zhuǎn)入劍橋大學(xué)。他學(xué)習(xí)年又轉(zhuǎn)入劍橋大學(xué)。他學(xué)習(xí)勤勞，成果優(yōu)良，經(jīng)著名數(shù)學(xué)家霍普金斯和斯托克斯的勤勞，成果優(yōu)良，經(jīng)著名數(shù)學(xué)家霍普金斯和斯托克斯的指點(diǎn)，很快就掌握了當(dāng)時(shí)先進(jìn)的數(shù)學(xué)實(shí)際。這為他以后指點(diǎn)，很快就掌握了當(dāng)時(shí)先進(jìn)的數(shù)學(xué)實(shí)際。這為他以后的開展打下了良好的根底。的開展打下了良好的根底。1854年在劍橋大學(xué)畢業(yè)后，年在劍橋大學(xué)畢業(yè)后，曾先后任亞伯丁馬里夏爾學(xué)院、倫敦皇家學(xué)院和劍橋大曾先后任亞伯丁馬里夏爾學(xué)院、倫敦皇家學(xué)院和

5、劍橋大學(xué)物理學(xué)教授。他的口才不行，講課效果較差。學(xué)物理學(xué)教授。他的口才不行，講課效果較差。 麥克斯韋在電磁學(xué)方面的奉獻(xiàn)是總結(jié)了庫侖、高麥克斯韋在電磁學(xué)方面的奉獻(xiàn)是總結(jié)了庫侖、高斯、安培、法拉第、諾埃曼、湯姆遜等人的研討成果斯、安培、法拉第、諾埃曼、湯姆遜等人的研討成果特別是把法拉第的力線和場(chǎng)的概念用數(shù)學(xué)方法加以描特別是把法拉第的力線和場(chǎng)的概念用數(shù)學(xué)方法加以描畫、論證、推行和提升，創(chuàng)建了一套完好的電磁場(chǎng)實(shí)畫、論證、推行和提升，創(chuàng)建了一套完好的電磁場(chǎng)實(shí)際。際。 麥克斯韋除了在電磁學(xué)方面的奉獻(xiàn)外，還是分子麥克斯韋除了在電磁學(xué)方面的奉獻(xiàn)外，還是分子運(yùn)動(dòng)論的奠基人之一。運(yùn)動(dòng)論的奠基人之一。其特點(diǎn)是：電場(chǎng)

6、、磁場(chǎng)各自獨(dú)立存在。其特點(diǎn)是：電場(chǎng)、磁場(chǎng)各自獨(dú)立存在。靜電場(chǎng)靜電場(chǎng) 靜電場(chǎng)是由電量不隨時(shí)間變化的靜止靜電場(chǎng)是由電量不隨時(shí)間變化的靜止電荷產(chǎn)生的電荷產(chǎn)生的;恒定磁場(chǎng)是由恒定的電流產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)是由恒定的電流產(chǎn)生的，兩種場(chǎng)都不隨時(shí)間變化的，兩種場(chǎng)都不隨時(shí)間變化,稱為稱為:靜態(tài)場(chǎng)。靜態(tài)場(chǎng)。麥克斯韋的開展麥克斯韋的開展 變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)相互聯(lián)絡(luò)變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)相互聯(lián)絡(luò),構(gòu)成一個(gè)構(gòu)成一個(gè)不可分割的一致體不可分割的一致體電磁場(chǎng)電磁場(chǎng).電場(chǎng)和磁場(chǎng)只是電電場(chǎng)和磁場(chǎng)只是電磁場(chǎng)這個(gè)一致體的兩種詳細(xì)表現(xiàn)方式。磁場(chǎng)這個(gè)一致體的兩種詳細(xì)表現(xiàn)方式。變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)v當(dāng)用磁棒接近或遠(yuǎn)離閉合電路

7、時(shí)，電路中就產(chǎn)生當(dāng)用磁棒接近或遠(yuǎn)離閉合電路時(shí)，電路中就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，它推進(jìn)著電路各處的自在電荷構(gòu)成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，它推進(jìn)著電路各處的自在電荷構(gòu)成電流，仿佛沿著電路有一個(gè)電場(chǎng)一樣。電流，仿佛沿著電路有一個(gè)電場(chǎng)一樣。NS 這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小跟電路的詳細(xì)構(gòu)造無這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小跟電路的詳細(xì)構(gòu)造無關(guān)，只跟磁通量的變化率有關(guān)。關(guān)，只跟磁通量的變化率有關(guān)。NS麥克斯韋的進(jìn)一步推行麥克斯韋的進(jìn)一步推行v假設(shè)沒有實(shí)踐的電路，在同樣大小的空間范假設(shè)沒有實(shí)踐的電路，在同樣大小的空間范圍內(nèi)也將產(chǎn)生同樣大小的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。圍內(nèi)也將產(chǎn)生同樣大小的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。NSNS變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng) 由于交變電流能使

8、電容器兩極反復(fù)充放電，由于交變電流能使電容器兩極反復(fù)充放電，極板上電荷量的變化，相當(dāng)于導(dǎo)線中不斷有電荷極板上電荷量的變化，相當(dāng)于導(dǎo)線中不斷有電荷在流動(dòng)，導(dǎo)致電燈發(fā)光。在流動(dòng)，導(dǎo)致電燈發(fā)光。v交變電流為什么能經(jīng)過交變電流為什么能經(jīng)過電容器呢？電容器呢？麥克斯韋引入位移電流麥克斯韋引入位移電流v把電容器充、放電過程在電路中構(gòu)把電容器充、放電過程在電路中構(gòu)成的電流看成有一個(gè)新的電流，叫成的電流看成有一個(gè)新的電流，叫做位移電流。做位移電流。導(dǎo)線中靠自在電子的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)電，導(dǎo)線中靠自在電子的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)電，電容器中靠位移電流導(dǎo)電。電容器中靠位移電流導(dǎo)電。1有旋電場(chǎng)感應(yīng)電場(chǎng)有旋電場(chǎng)感應(yīng)電場(chǎng) 假設(shè)：假設(shè)：麥克斯韋假設(shè)

9、麥克斯韋假設(shè)2位移電流假設(shè)：位移電流假設(shè)：變化的磁場(chǎng)要激發(fā)電場(chǎng)變化的磁場(chǎng)要激發(fā)電場(chǎng)變化的電場(chǎng)要激發(fā)磁場(chǎng)變化的電場(chǎng)要激發(fā)磁場(chǎng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間存在親密聯(lián)絡(luò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間存在親密聯(lián)絡(luò)一座偉大的豐碑一座偉大的豐碑v磁場(chǎng)的變化是均勻磁場(chǎng)的變化是均勻的，產(chǎn)生的電場(chǎng)是的，產(chǎn)生的電場(chǎng)是穩(wěn)定的穩(wěn)定的v磁場(chǎng)的變化是不均磁場(chǎng)的變化是不均勻的，產(chǎn)生的電場(chǎng)勻的，產(chǎn)生的電場(chǎng)是變化的是變化的v電場(chǎng)的變化是均勻電場(chǎng)的變化是均勻的，產(chǎn)生的磁場(chǎng)是的，產(chǎn)生的磁場(chǎng)是穩(wěn)定的穩(wěn)定的v電場(chǎng)的變化是不均電場(chǎng)的變化是不均勻的，產(chǎn)生的磁場(chǎng)勻的，產(chǎn)生的磁場(chǎng)是變化的是變化的變化的磁場(chǎng)能產(chǎn)生電場(chǎng)變化的磁場(chǎng)能產(chǎn)生電場(chǎng)變化的電場(chǎng)能產(chǎn)生磁場(chǎng)變化的電場(chǎng)能產(chǎn)生磁

10、場(chǎng) 根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)實(shí)際,電場(chǎng)和磁場(chǎng)將相互激發(fā),由近及遠(yuǎn)向周圍空間傳播出去,構(gòu)成電磁波。物理學(xué)史上三次大綜合物理學(xué)史上三次大綜合 v17世紀(jì)，伽利略研討地面上物體的運(yùn)動(dòng)，翻開了通世紀(jì)，伽利略研討地面上物體的運(yùn)動(dòng)，翻開了通向近代物理學(xué)的大門。牛頓在此根底上把地面上物向近代物理學(xué)的大門。牛頓在此根底上把地面上物體的運(yùn)動(dòng)和天體運(yùn)動(dòng)一致同來，提示了天上地下一體的運(yùn)動(dòng)和天體運(yùn)動(dòng)一致同來，提示了天上地下一切物體的普遍運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立了經(jīng)典力學(xué)體系，實(shí)切物體的普遍運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立了經(jīng)典力學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)史上第一次大綜合?，F(xiàn)了物理學(xué)史上第一次大綜合。v18世紀(jì)，經(jīng)過邁爾、焦耳、卡諾、克勞修斯等人的世紀(jì)，經(jīng)過

11、邁爾、焦耳、卡諾、克勞修斯等人的研討，經(jīng)典熱力學(xué)和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)正式確立，從而研討，經(jīng)典熱力學(xué)和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)正式確立，從而把熱與能、熱運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)與微觀機(jī)制一致同來，把熱與能、熱運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)與微觀機(jī)制一致同來，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)史上的第二次大綜合。實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)史上的第二次大綜合。v19世紀(jì)，麥克斯韋在庫侖、安培、法拉第等物理學(xué)世紀(jì)，麥克斯韋在庫侖、安培、法拉第等物理學(xué)家研討的根底上，經(jīng)過深化研討，把電、磁、光一家研討的根底上，經(jīng)過深化研討，把電、磁、光一致同來，建立了經(jīng)典電磁實(shí)際，預(yù)言了電磁波的存致同來，建立了經(jīng)典電磁實(shí)際，預(yù)言了電磁波的存在，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)史上第三次大綜合。在，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)史上第三

12、次大綜合。ddddddddDDjISttt 在有電容器的電路中，電容器極板外表被中斷在有電容器的電路中，電容器極板外表被中斷的傳導(dǎo)電流的傳導(dǎo)電流I，可以由位移電流，可以由位移電流Id繼續(xù)下去，從而構(gòu)繼續(xù)下去，從而構(gòu)成了電流的延續(xù)性。成了電流的延續(xù)性。 位移電流：電場(chǎng)中某一點(diǎn)位移電流密度矢量位移電流：電場(chǎng)中某一點(diǎn)位移電流密度矢量 等等于該點(diǎn)電位移矢量對(duì)時(shí)間的變化率；經(jīng)過電場(chǎng)中某一于該點(diǎn)電位移矢量對(duì)時(shí)間的變化率；經(jīng)過電場(chǎng)中某一截面的位移電流截面的位移電流 等于經(jīng)過該截面電位移通量等于經(jīng)過該截面電位移通量 對(duì)時(shí)對(duì)時(shí)間的變化率，即間的變化率，即djdI 位移電流與傳導(dǎo)電流在產(chǎn)生磁效應(yīng)上是等效位移電流與

13、傳導(dǎo)電流在產(chǎn)生磁效應(yīng)上是等效的。的。(2) 產(chǎn)生的緣由不同：傳導(dǎo)電流是由自在電荷運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的緣由不同：傳導(dǎo)電流是由自在電荷運(yùn)動(dòng) 引起的，而位移電流本質(zhì)上是變化的電場(chǎng)。引起的，而位移電流本質(zhì)上是變化的電場(chǎng)。(3)經(jīng)過導(dǎo)體時(shí)的效果不同：傳導(dǎo)電流經(jīng)過導(dǎo)體時(shí)經(jīng)過導(dǎo)體時(shí)的效果不同：傳導(dǎo)電流經(jīng)過導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生焦耳熱，而位移電流不產(chǎn)生焦耳熱。產(chǎn)生焦耳熱，而位移電流不產(chǎn)生焦耳熱。sdIIIlHHlHd)(d)2()1(dSIII 全電全電流流 傳導(dǎo)電流傳導(dǎo)電流 位移電流位移電流StDSjIIlHcdddd 在磁場(chǎng)中沿恣意閉合回路在磁場(chǎng)中沿恣意閉合回路 的線積分在數(shù)值上等的線積分在數(shù)值上等于穿過以該閉合回路為邊線的恣

14、意曲面的傳導(dǎo)電流和于穿過以該閉合回路為邊線的恣意曲面的傳導(dǎo)電流和位移電流的代數(shù)和，這稱為全電流安培定律，簡稱全位移電流的代數(shù)和，這稱為全電流安培定律，簡稱全電流定律。電流定律。H位移電流與傳導(dǎo)電流有什么一樣和不同？位移電流與傳導(dǎo)電流有什么一樣和不同？1、一樣點(diǎn)：傳導(dǎo)電流和位移電流都能產(chǎn)生磁場(chǎng)； 正因如此,麥克斯韋預(yù)言電磁波的存 在，數(shù)年后1880年赫茲用實(shí)驗(yàn) 證明了電磁波的存在。2、不同點(diǎn)：1位移電流不能直接檢測(cè)出來； 2位移電流沒有熱效應(yīng)，而傳導(dǎo)電 流有熱效應(yīng)。感生電場(chǎng)假設(shè)感生電場(chǎng)假設(shè)位移電流假設(shè)位移電流假設(shè)電場(chǎng)電場(chǎng)變化的磁場(chǎng)變化的磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁場(chǎng)變化的電場(chǎng)變化的電場(chǎng) 麥克斯韋爾假設(shè)二麥克斯韋爾

15、假設(shè)二: 麥克斯韋爾假設(shè)一麥克斯韋爾假設(shè)一:1有旋電場(chǎng)感應(yīng)電場(chǎng)有旋電場(chǎng)感應(yīng)電場(chǎng) 假設(shè)：假設(shè)：麥克斯韋兩條假設(shè)麥克斯韋兩條假設(shè)2位移電流假設(shè)：位移電流假設(shè)：變化的磁場(chǎng)要激發(fā)電場(chǎng)；變化的磁場(chǎng)要激發(fā)電場(chǎng)；變化的電場(chǎng)要激發(fā)磁場(chǎng)。變化的電場(chǎng)要激發(fā)磁場(chǎng)。tDjtIDDDddStBlELdd1 1靜電場(chǎng)的高斯定理靜電場(chǎng)的高斯定理qdVSDVsd2 2靜電場(chǎng)的環(huán)路定理靜電場(chǎng)的環(huán)路定理0dlEl0dSBs4 4穩(wěn)恒磁場(chǎng)的環(huán)路定理穩(wěn)恒磁場(chǎng)的環(huán)路定理cSLISdjlHd 3 3穩(wěn)恒磁場(chǎng)的高斯定理穩(wěn)恒磁場(chǎng)的高斯定理 引入有旋電場(chǎng)和位移電流的概念后，適用于普通電磁場(chǎng)的方程組為：引入有旋電場(chǎng)和位移電流的概念后，適用于普通

16、電磁場(chǎng)的方程組為：qVSDvsddStBlEsLdd0dSBsStDjlHsLd)(d2 2麥克斯韋方程組的積分方式麥克斯韋方程組的積分方式 0dSBSVSVSDddStDjd)(SLlHdStBlESLdd變化磁場(chǎng)要激發(fā)電場(chǎng)變化磁場(chǎng)要激發(fā)電場(chǎng)變化電場(chǎng)要激發(fā)磁場(chǎng)變化電場(chǎng)要激發(fā)磁場(chǎng)三、麥克斯方程：三、麥克斯方程： 麥克斯韋方程是經(jīng)典電磁實(shí)際的中心，積分方麥克斯韋方程是經(jīng)典電磁實(shí)際的中心，積分方式為：式為：0sBdScsddt BElSsdqDS安培定律法拉第定律磁場(chǎng)延續(xù)性方程高斯定理問題問題4：麥克斯韋方程組的積分方式是怎樣的？：麥克斯韋方程組的積分方式是怎樣的？()csddtDHlJS由由1個(gè)

17、學(xué)生上臺(tái)填寫個(gè)學(xué)生上臺(tái)填寫上式為麥克斯韋方程式的非限定方式,適用于恣意媒質(zhì)。、微分方式：()csddtDHlJStDHJ1 ) 安培定律積分式：從斯托克斯定理：從斯托克斯定理：sddHlHS所以所以法拉第定律積分式：法拉第定律積分式：從斯托克斯定理：從斯托克斯定理：csddt BElScsdd ElESBEt 所以：所以：由由2個(gè)學(xué)生推導(dǎo)個(gè)學(xué)生推導(dǎo)0sdBS磁場(chǎng)延續(xù)性方程：磁場(chǎng)延續(xù)性方程：據(jù)散度定理據(jù)散度定理,有有:sdqd DSsddBBS 高斯定理：高斯定理：據(jù)散度定理據(jù)散度定理,有有: 0B Dsdd DD麥克斯韋方程式的物理意義：麥克斯韋方程式的物理意義：v時(shí)變電場(chǎng)是有旋有散的，電力線可閉合也可不閉合；時(shí)變電場(chǎng)是有旋有散的，電力線可閉合也可不閉合；v時(shí)變磁場(chǎng)是有旋無散的，磁力線總是閉合的；時(shí)變磁場(chǎng)是有旋無散的，磁力線總是閉合的；v不閉合的電力線從正電荷到負(fù)電荷；不閉合的電力線從正電荷到負(fù)電荷；v閉合的電力線與磁力線相交鏈；閉合的電力線與磁力線相交鏈；v閉合的磁力線要么與電力線交鏈，要么與電流相交鏈。閉合的磁力線要么與電力線交鏈，要么與電流相交鏈。在無源區(qū)