大学物理麦克斯韦电磁理论课件

第四章麦克斯韦电磁理论主要内容：4.1位移电流4.2麦克斯韦电磁场方程组4.3电磁波的产生和传播4.4电磁场的能量和动量经典电磁理论的奠基人，气体动理论创始人之一。提出了有旋电场和位移电流的概念，建立了经典电磁理论，预言了以光速传播的电磁波的存在.在气体动理论方面，提出了气体分子按速率分布的统计规律。麦克斯韦（1831－1879）英国物理学家

1865

年麦克斯韦在总结前人工作的基础上，提出完整的电磁场理论，他的主要贡献是提出了“有旋电场”和“位移电流”两个假设，从而预言了电磁波的存在，并计算出电磁波的速度（即光速）。

(

真空中)

1888

年赫兹的实验证实了他的预言，麦克斯韦理论奠定了经典电动力学的基础，为无线电技术和现代电子通讯技术发展开辟了广阔前景。§4.1位移电流非稳恒电流，以L为边做任意曲面

S1和S2稳恒磁场中，安培环路定理图4-1矛盾

麦克斯韦假设可以把电位移通量对时间的变化率看作是一种电流，称为位移电流。图4-2

位移电流

位移电流密度

电场中某点的位移电流密度

的大小等于该点电位移的时间变化率，通过电场中某截面的位移电流

等于通过该截面电位移通量的时间变化率。++++----（1）位移电流同传导电流一样会激发磁场。（2）位移电流仅在激发磁场方面是等效于传导电流，它与传导电流有本质的区别。（3）在真空中的位移电流没有热效应，在介质中位移电流也会产生热效应，但不服从焦耳定律。++++----

全电流§4.2

麦克斯韦电磁场方程组

稳恒磁场的高斯定理

稳恒磁场的安培环路定理

静电场的环流定理

静电场的高斯定理对于静电场和稳恒磁场方程的积分形式麦克斯韦电磁场（1）感生电场麦克斯韦假设（2）位移电流一、电磁振荡

§4.3电磁波的产生和传播

变化的磁场激发变化的电场，而变化的电场也会激发磁场。变化的电场和变化的磁场相互依存、又相互激发，并以有限的速度在空间传播，这就是电磁波。EEEEHHHH以LC振荡电路为例介绍图4-4(a)(b)(c)(d)

电荷和电流随时间作周期性变化的现象，称为电磁振荡。自由振荡的振荡方程SABLC电磁振荡电路εLC发射电磁波须具备两个条件:

一是振荡频率要高，二是电路要开放。

根据要求对电路进行改造使整个LC振荡电路演变为一根直导线，电流往返振荡，两端出现正负交替变化的等量异号电荷，此电路就称为振荡电偶极子，或偶极振子

。以偶极振子为天线可有效地在空间激发电磁波。二、偶极振子发射的电磁波

图4-6(a)(b)(c)(d)(e)不同时刻振荡电偶极子附近的电场线偶极振子的电偶极矩振荡电偶极子附近的电磁场线图4-7图注：图中的闭合曲线代表场线，“×”和“·”分别表示穿入纸面和穿出纸面的磁线。这些磁感线是环绕电偶极子轴线的同心圆。

极轴传播方向图4-8平面电磁波电磁波的特性(1)电磁波是横波,

(2)

和同相位

(3)

和数值成比例

(4)真空中电磁波传播速度等于真空中的光速760nm400nm

可见光

电磁波谱红外线

紫外线

射线X射线长波无线电波频率波长短波无线电波三电磁波的波谱光谱区频率范围（Hz）空气中的波长（nm）产生方式γ射线＞1020＜10-3原子核衰变X射线1020～101610-3～10内层电子跃迁远紫外光1016～101510～200电子跃迁紫外光1015～7.5×1014200～400可见光7.5×1014～4.0×1014400～750价电子跃迁近红外光4.0×1014～1.2×1014750～2.5×103振动跃迁红外光1.2×1014～10112.5×103～106振动或转动跃迁微波1011～108106～109转动跃迁无线电波108～1051.0×109～1.0×1012原子核旋转跃迁各种电磁波的波长和频率的大致范围§4.4电磁场的能量和动量

电磁场能量密度

一、电磁场的能量某一区域电磁场的能量

利用

在单位时间内通过垂直于传播方向的单位面积的辐射能称为能流密度。由于电场强度、磁场强度和电磁波的传播方向垂直---------电磁波的能流密度(坡印廷)矢量

由于或能流密度取一个周期内的平均值------平均能流密度平面电磁波中能流密度正比于电场或磁场振幅的平方。所以＊二、电磁场的动量

根据相对论的质能关系，光子能量

E=mc2

动量密度为单位体积的动量，即光子质量