位移电流.pdf

1 电磁学是物理学对人类社会作出的最大贡献之一 电磁感应 电磁能的应用 发电机 电动机等的发现 及发展直接带来了第二次工业革命 电磁学是物理学对人类社会作出的最大贡献之一 电磁感应 电磁能的应用 发电机 电动机等的发现 及发展直接带来了第二次工业革命 而电磁学的发展 以麦克斯韦方程组的确定为时代标志 而电磁学的发展 以麦克斯韦方程组的确定为时代标志 麦克斯韦预言 并由赫兹发现的电磁波理论及应用 彻底改变了人们 的时空观 在十年时间内使经典物理学的成熟与局限 同时呈现 在物理理论方面直接带来了相对论以及量 子物理的诞生 在技术方面使电报 广播电视 微波 通信等等信息技术成为可能 第三次工业革命 信息 革命 的根本属于电磁学 麦克斯韦预言 并由赫兹发现的电磁波理论及应用 彻底改变了人们 的时空观 在十年时间内使经典物理学的成熟与局限 同时呈现 在物理理论方面直接带来了相对论以及量 子物理的诞生 在技术方面使电报 广播电视 微波 通信等等信息技术成为可能 第三次工业革命 信息 革命 的根本属于电磁学 电磁场方程组电磁场方程组 从场的角度认识从场的角度认识 8 6 8 6稳恒电流稳恒电流 dt dq I 方向 正电荷运动的方向 单位 安培 方向 正电荷运动的方向 单位 安培 A 1A 1C s 实际中 整个导体内各处电流形成一个电流场 则需引入电流密度的概念 实际中 整个导体内各处电流形成一个电流场 则需引入电流密度的概念 电磁场方程组电磁场方程组 电流和电流密度电流和电流密度 电流是电荷的定向运动 形成电流的带电粒子统称 载流子 电流是电荷的定向运动 形成电流的带电粒子统称 载流子 一 电流强度一 电流强度 大小 大小 单位时间内通过导体某一横截面的电量单位时间内通过导体某一横截面的电量 2 二 电流密度二 电流密度 dS dI J ds sdr 2 电流密度和电流强度的关系2 电流密度和电流强度的关系 S sdJI r r dI 导体中某点的电流密度 数值上等于和该点正电荷定向移 动方向垂直的单位面积上的电流强度 方向 该点正电荷定向移动的方向 导体中某点的电流密度 数值上等于和该点正电荷定向移 动方向垂直的单位面积上的电流强度 方向 该点正电荷定向移动的方向 n e v tvd Sd t Stqnv I d dcosd d 单位时间通过单位时间通过ds的电量为电流即的电量为电流即 Sdvd v v qnI vJqn v 其中其中 对有限面积的电流对有限面积的电流 iiii vnqJ v vv J 1 电流密度1 电流密度 三三 电流连线性方程电流连线性方程 dt dq sdJ S 内 r r 电流线发出于正电荷减少的地方 终止于正电荷增加的地方 电流线发出于正电荷减少的地方 终止于正电荷增加的地方 S J r 线线 dt dq内 0R T r I Sr IR B oo 6 22 2 1067 6 22 B v rR Rr 8 8 电磁场 麦克斯韦方程组的积分形式 8 8 电磁场 麦克斯韦方程组的积分形式 0d SB S rr S t D j r r r d S L lH rr d V S S VqSDdd 0 1 内 rr 0d 2 SD S rr 2 1 DDD rrr VS VSDdd rr 0d 1 L lE rr S t B lE L r r rr dd 2 2 1 EEE rrr S t B lE S L r r rr dd 高斯定理环路定理 磁 场 电场 静电场 感生 电场 一般 电场 高斯定理环路定理 磁 场 电场 静电场 感生 电场 一般 电场 10 以上四个方程式是普遍情况下电磁场所满足 的基本方程式 称为 以上四个方程式是普遍情况下电磁场所满足 的基本方程式 称为麦克斯韦方程组 麦克斯韦方程组 电场环路定理电场环路定理 S t B lE SL v v vv dd 磁场的高斯定理磁场的高斯定理 S SB0d vv VS SD dd 0 vv 高斯定理高斯定理 安培环路定理安培环路定理 SL S t D j lH v v vrv d d 0 麦克斯韦方程组的积分形式麦克斯韦方程组的积分形式 介质的三个电 磁性质方程 介质的三个电 磁性质方程 ED r rr 0 HB r rr 0 Ej rr 原则上 上述方程组 满足的边界条 件 可定量地解决宏观电磁场的各种问题 原则上 上述方程组 满足的边界条 件 可定量地解决宏观电磁场的各种问题 E B rr 构成阐述电 磁场性质的 构成阐述电 磁场性质的完 备方程组 完 备方程组 麦克斯韦方程组 边界条件 麦克斯韦方程组 边界条件 D1n D2n E1t E2t B1n B2t H1t H2t 能流密度矢量能流密度矢量 S v HES vvv E v S v H v 在不同惯性参照系中 麦克斯韦方程有同样的形式 在不同惯性参照系中 麦克斯韦方程有同样的形式 11 微分形式微分形式 t B E r r 0 B r 0 D r t D JH r rr 0 积分形式微分形式积分形式微分形式 S t B lE SL v v vv dd S SB0d vv VS SDdVd 0 vv SL S t D j lH v v vvv d d 0 麦克斯韦方程组的意义麦克斯韦方程组的意义 1 是对电磁场宏观实验规律的全面总结和概括 1 是对电磁场宏观实验规律的全面总结和概括 BvqEqF r r rr 方程中各量关系 ED r rr 0 HB r rr 0 Ej rr E B rr 定义 未发现磁单极 法拉第电磁 感应定律 安培定律 位移电流假设 库仑定律 感生电场假设 电场性质 变化磁场 产生电场 变化电场 产生磁场 VS VSDdd rr 0d SB S rr S t B lE S L r r rr dd 磁场性质 方程实 验 基 础意 义 S t D j r r r d S L lH rr d 12 2 揭示了电磁场的统一性和相对性 电磁场是统一的整体 2 揭示了电磁场的统一性和相对性 电磁场是统一的整体 电荷与观察者相对运动状态不同时 电磁场 可以表现为不同形态 电荷与观察者相对运动状态不同时 电磁场 可以表现为不同形态 空间带电体 对相对其静止的观察者 空间带电体 对相对其静止的观察者 静电场 对相对其运动的观察者 电场 磁场 静电场 对相对其运动的观察者 电场 磁场 3 预言了电磁波的存在 自由空间 3 预言了电磁波的存在 自由空间 0 0 j r 0d SD S rr 0d SB S rr S t B lE S L r r rr dd S t D lH LS r r rr dd 变化电场变化磁场变化电场变化磁场 变化电场磁场 变化磁场电场 变化电场磁场 变化磁场电场 H r E r o S r 可脱离电荷 电流在空间传播可脱离电荷 电流在空间传播电磁波电磁波 如振荡偶极子如振荡偶极子 能流密度矢量能流密度矢量S v HES vvv 13 4 预言了光的电磁本性 电磁波的传播速率 4 预言了光的电磁本性 电磁波的传播速率 cv 00 1 麦克斯韦对两个预言坚信不疑 麦克斯韦对两个预言坚信不疑 火花 实验实验证实 赫兹 1888 年完成 用电磁波重复了所有 光学反射 折射 衍 射 干涉 偏振实验 证实 赫兹 1888 年完成 用电磁波重复了所有 光学反射 折射 衍 射 干涉 偏振实验 感应圈 5 是经典物理5 是经典物理 近代物理桥梁 麦氏方程不满足伽利略变换相对论建立 近代物理桥梁 麦氏方程不满足伽利略变换相对论建立 我曾确信 在磁场中作用于一个运动电荷 的力不过是一种电场力罢了 正是这种确信或 多或少直接地促使我去研究狭义相对论 我曾确信 在磁场中作用于一个运动电荷 的力不过是一种电场力罢了 正是这种确信或 多或少直接地促使我去研究狭义相对论 爱因斯坦 创新物理概念 涡旋电场 位移电流 严密逻辑体系 简洁数学形式 正确科学推论 两个预言 爱因斯坦 创新物理概念 涡旋电场 位移电流 严密逻辑体系 简洁数学形式 正确科学推论 两个预言 爱因斯坦相对论的重要实验基础爱因斯坦相对论的重要实验基础 14 6 局限性 1 是在承认电荷连续分布基础上建立的宏观 经典理论 未和物质微观结构联系起来 2 不完全对称 不存在磁单极 1895年 汤姆生发现电子 20 世纪初 洛仑兹建立电磁现象微观理论 经典电子论 量子电磁理论 6 局限性 1 是在承认电荷连续分布基础上建立的宏观 经典理论 未和物质微观结构联系起来 2 不完全对称 不存在磁单极 1895年 汤姆生发现电子 20 世纪初 洛仑兹建立电磁现象微观理论 经典电子论 量子电磁理论 思考 如果存在磁单极 麦克斯韦方程如何修正 引入磁荷 磁流 思考 如果存在磁单极 麦克斯韦方程如何修正 引入磁荷 磁流 m m j r 由对称性 由对称性 V e S VSDdd rr V m S VSBdd 0 rr S t B jlE m S L r r rrr d d 0 S t D j S r r r d L lH rr d 15 一 从电磁振荡一 从电磁振荡 electromagnetic oscillation 到电磁波到电磁波 电磁波的产生和传播电磁波的产生和传播 变化的电场和变化的磁场互相依存 又互相激 发 变化的电场和变化的磁场互相依存 又互相激 发 并以有限的速度在空间传播 就是电磁波 并以有限的速度在空间传播 就是电磁波 LC振荡电路原则上可作发射电磁波的波源 电荷和电流随时间作周期性变化的现象 称为 振荡电路原则上可作发射电磁波的波源 电荷和电流随时间作周期性变化的现象 称为 电磁振荡电磁振荡 固有振荡频率为 固有振荡频率为 f LC 1 2 EEEE HHHH LC 三 赫兹实验三 赫兹实验 Hertzian experiment 赫兹利用电容器充电 后通过火花隙放电会产 生振荡的原理 做成振 荡器 赫兹实验在人类历史上 赫兹利用电容器充电 后通过火花隙放电会产 生振荡的原理 做成振 荡器 赫兹实验在人类历史上首次首次发射和接收了电 磁波 且通过多次实验证明了电磁波与光波一 样能够发生反射 折射 干涉 衍射和偏振 验证了麦克斯韦预言 揭示了光的电磁本质 从而 发射和接收了电 磁波 且通过多次实验证明了电磁波与光波一 样能够发生反射 折射 干涉 衍射和偏振 验证了麦克斯韦预言 揭示了光的电磁本质 从而将光学与电磁学统一起来 将光学与电磁学统一起来 T D C P K Q 16 108106104 102 10 0 10 210 4 10 610 810 1010 1210 1410 16 波长波长 m 100 102104 10610810101012101410161018102010221024 频率频率 Hz 长无线电波短无线电波长无线电波短无线电波 调幅 频波 电视波调幅 频波 电视波 可见光可见光 红外红外 紫外线紫外线 射线 射线 X 射线射线 四 电磁波的波谱四 电磁波的波谱 spectrum of electromagnetic wave 真空中电磁波具有相同的传播速度 真空中电磁波具有相同的传播速度 将各种电磁 波按照频率或波长的大小顺序排列起来形成波谱 将各种电磁 波按照频率或波长的大小顺序排列起来形成波谱 m 10m10nm1 39 电磁场的动量和能量满足相对论关系 电磁场的动量和能量满足相对论关系 电磁场具有统一性 相对性 电磁场具有统一性 相对性 有物质的一切重 要属性 具有能量 动量 它是物质的一种形态 有物质的一切重 要属性 具有能量 动量 它是物质的一种形态