5-电磁场理论.ppt

1820年奥斯特 电 磁 1831年法拉第 磁 电 1865年麦克斯韦的两个假设 产生 产生 涡旋 感生 电场 位移电流 变化的磁场 电场 变化的电场 磁场 激发 包含电阻 电感线圈的电路 电流是连续的 包含有电容的电流是否连续 一 位移电流 1 电流的连续性问题 稳恒电流 传导电流I 若包围电流任取一回路L 由安环定理有 为回路电流密度 积分范围中 S是以L为边界的任意曲面 但在非稳恒时 上面的安环定理表达式却存在问题 5位移电流电磁场理论 图示为电容器充 放电电路 k a时 电流i自0 I k b时 放电 电流不稳恒 且 电流不连续 在两极板间中断 包围电流任取一回路L 取以L为底的两个曲面S1 S2 如图 由安环定理有 矛盾 原因 电流的连续性在两极板间遭到破坏 即 2 麦氏位移电流假设 取图示高斯面 由高斯定理 自由电荷 传导电流 若把电位移矢量的通量对时间的变化率作为一种电流 那么电路就连续了 位移电流 麦克斯韦位移电流假设 变化的电场所在位置分布着位移电流场 且位移电流密度为 则通过任意面的位移电流为 位移电流与传导电流在磁效应方面等效 即 它们按照同一规律在周围空间激发涡旋磁场 二 全电流安培环路定理 1 全电流 其中 全电流密度 2 全电流的连续性 全电流连续性方程 全电流连续性方程 例 上述平板电容器的充电过程 3 全电流安培环路定理 S是以L为边界的任意曲面 L正绕向的法向 传导电流与变化的电场形成的位移电流同时在空中激发涡旋磁场 位移电流的引入深刻揭示了电场和磁场的内在联系与依存关系 反映了自然现象的对称性 变化的磁场激发涡旋电场 变化的电场激发涡旋磁场 对称美 4 传导电流I传与位移电流Id的异同 只有在激发磁场方面有相同的效应 其他方面有很大差异 I传是自由电荷的定向运动引起的 Id是变化的电场引起的 I传分布于导体中 而Id存在于介质 真空中 I传通过负载时产生焦耳热I2Rt 而位移电流Id虽有热效应 但遵从不同的规律 不产生热效应 由于分子热运动而产生较大的热量 三 电磁场 麦克斯韦方程组 静电场和静磁场 三 电磁场 麦克斯韦方程组 电磁场中采用以下物理量 电场 静电场 涡旋电场 磁场 传导电流产生 位移电流产生 自由电荷 电场的高斯定理 磁场的高斯定理 类似有 类似有 变化的磁场激发涡旋电场 变化的电场激发涡旋磁场 麦氏方程组 积分形式 电磁场量和表征介质电磁特性的量之间的关系 物性方程 各向同均匀介质 麦克斯韦认为静电场的高斯定理和磁场的高斯定理也适用于一般电磁场 所以 可以将电磁场的基本规律写成麦克斯韦方程组 积分形式 麦克斯韦电磁场理论是物理学上一次重大的突破 预言了电磁波的存在 爱因斯坦在一次纪念麦克斯韦的诞辰时所说的 这 是牛顿以来物理学上经历的最深刻和最有成果的一次变革 上述麦克斯韦方程组描述的是在某区域内以积分形式联系各点的电磁场量 D E B H 和电流 电荷之间的依存关系 而不能给出某一点上这些量之间的关系 通过数学变换可以得到麦克斯韦方程组的微分形式 它给出了电磁场中逐点的上述量之间的相互依存关系 电场和磁场的本质及内在联系 麦克斯韦电磁场理论的局限性 2 麦克斯韦电磁理论在微观区域里不完全适用 它可以看作是量子电动力学在某些特殊条件下的近似规律 1 麦克斯韦方程可用于高速领域 四 电磁场的物质性 1 电磁场具有实物物质的基本特性 能量 质量和动量 a 电磁场的电磁能量密度为 b 单位体积的场的质量 电磁场不为零 c 对于平面电磁波 单位体积的电磁场的动量和能量密度间的关系是 2 场物质与实物物质的不同 a 电磁场以波的形式在空间传播 而以粒子 光子 的形式和实物相互作用 光子没有静止质量 而电子 质子 中子等基本粒子却具有静止质量 b 实物可以以任意的速度 但不大于光速 在空间运动 其速度相对于不同的参考系也不同 但电磁场在真空中运动的速度永远是 并且其传播速度在任何参考系中都相同 c 一个实物的微粒所占据的空间不能同时为另一个微粒所占据 但几个电磁场可以相互叠加 可以同时占据同一空间 3 实物和场在某些情况下可以相互转化 实物和场都是物质存在的形式 它们分别从不同方面反映了客观真实 同一实物可以反映出场和粒子两个方面的特性 小结 例如 一个负电子和一个正电子可以转化为光子 五 电磁场的统一性和电磁场量的相对性 1 运动的相对性和电磁场的统一性 某参考系中的电荷 相对参考系静止的观察者考察该电荷 相对参考系匀直运动的观察者考察该电荷 电荷周围只有静电场 电荷周围有电场和磁场 观察结果的不同反映了电磁场的统一性和相对性 2 电磁场量的相对性 如图 设有两惯性系 系中观察 q产生了电场和磁场 系中观察 q产生了电场 更一般的情况下还有 按洛仑兹变换可以证明 在不同的惯性参考系中电磁场各场量的关系是 其中 上式中速度变为即得逆变