清华大学物理学课件-麦克斯韦电磁场理论的建立与电磁波的发现

麦克斯韦电磁场理论的建立

与电磁波的发现

“一个民族要想站在科学的顶峰，就一刻也不能没有理论思维。〞——恩格斯恩格斯一、一场伟大的变革在1999年，英国播送公司〔BBC〕所评选出的1000年来最伟大的10位思想家中麦克斯韦与马克思、爱因斯坦、牛顿等人一起榜上有名，他排名第九.后由英国杂志《物理世界》在100位著名物理学家中选出的10位最伟大者中，麦克斯韦紧跟爱因斯坦和牛顿排名第三.Maxwell(1831~1879)1831年出生苏格兰爱丁堡一个名门望族1847年16岁爱丁堡大学学习1851年20岁剑桥大学1852年21岁剑桥大学三一学院研究员1856年25岁被阿伯丁马里歇尔学院聘为教授1860年29岁伦敦皇家学院物理教授2.Fraday的思想对Maxwell的影响1.麦克斯韦简介：法拉第无疑是一位伟大的实验家，有丰富的想象力，但他一系列观点还缺乏严格的数学形式,在理论上不够严密。加上当时在学术界中，“超距作用〞的传统观念还很深，所以当时学术界对法拉第学说表示出冷漠、甚至非议。可是年轻的麦克斯韦却有与众不同的眼光，他体会到了“场〞的引入的革命性意义。他被法拉第的成果所吸引。在1856年以后，他致力于用数学语言翻译和表述电磁场的运动规律。“法拉第和麦克斯韦在电磁场方面的工作引起一场最伟大的革命〞——爱因斯坦二、麦克斯韦方程组的建立1.麦克斯韦的科学思想:(1)他把以库仑定律为根底导出反映电荷与其所产生的电场之间的静电场方程推广到对变化的电场也成立。(2)把法拉第电磁感应定律进行推广。他认为如果仅用场的概念来表达的话，法拉第的电磁感应定律可简述为:

磁场随时间的变化必定在其周围产生电场。(3)由于磁感线无头无尾总是闭合的，因此通过封闭曲面的磁通量为零，这也反映了自然界中不存在类似电荷那样的磁荷这一事实。(4)麦克斯韦通过对前人的发现和成果加以总结和升华以及结合位移电流概念的引入，提出了：

变化电场可在周围激发磁场的假设这样在传导电流中断处,就有位移电流接上去了,保持了电流的连续性.

19世纪50-60年代,无论是实验上还是理论上都为麦克斯韦建立统一的电磁场理论作好了充分的准备.库仑定律安培定律电磁感应定律高斯定律电磁学四大定律2.麦克斯韦建立电磁场理论的背景穿越一闭合曲面B的通量=0穿越一闭合曲面的D的通量=面内所有的电荷和3.麦克斯韦方程组E绕一环路的线积分=穿越该回路的B通量随时间变化量H绕一环路的线积分=穿过该环路的电流+穿过该回路的E通量的时间变化量描述介质性质的物理量微分形式积分形式麦克斯韦的电磁理论具有以下几个特点：〔1〕物理概念创新〔2〕逻辑体系严密〔3〕数学形式简单优美〔4〕演绎方法出色〔5〕电场与磁场以及时间空间的明显对称性麦克斯韦方程组是物理与数学相结合的伟大成果。简明精确的数学语言是表述科学概念、科学理论的重要形式，是科学开展的要求，也是科学成熟的标志之一。正如马克思所说：“科学只有成功运用数学时，才算到达了完善的地步。〞随着科学技术的进步，现代科学的开展已日趋定量化，只有定量化的数学描述才能经得起在量上的实验检验，也才能从量的细微差异上寻找理论的缺乏之处和改进方法。虽然他们两人的科学方法与科学风格迥然不同,然而麦克斯韦并不因此贬低法拉第的风格。他曾说：“因为人们的心灵各有不同的类型。科学的真理也应当以种种不同的形式来表现。不管他以粗豪的物理方式说明其生动的颜色也好。还是以—种朴素无味的符号表现也好，都应当被当作是同样科学的。〞麦克斯韦终身都保持着谦逊谨慎的高尚品格。他曾认为，他自己与法拉第相比，只不过是—只笔，写出了法拉第那些杰出的科学思想。爱因斯坦指出：在牛顿的观点中，质点是我们表示实在的唯一形式，是实在的唯一代表。这种观点本质上是原子论的和机械论的。一切事件都要用机械的方式来解释。然而，在法拉第和麦克斯韦的观点中，物理实在是由连续的场来表示的。不能对它作机械论的解释。实在概念这一变革，是物理学自牛顿以来的一次最深刻和最富有成效的变革。三、预言电磁波，实现第三次大综合麦克斯韦从他所提出的方程组出发，他发现：如果空间某处有一电磁振源，假定其能产生交变电场〔或磁场〕，那么在其周围可产生交变磁场〔或电场〕。于是这种交变电磁场可不断由振源向远处传播开来，电磁振荡在空间的传播就形成了电磁波。麦克斯韦还推导出了电磁波在真空中的传播速度为“电磁波的这一速度与光速如此接近，看来我们有充分的理由断定，光本身是以波动形式在电磁场中按电磁波规律传播的一种电磁振动〞。电磁波振动的电场与磁场相互垂直,且振动方向都与传播方向垂直,故电磁波是横波.深刻、完美、新颖的麦克斯韦方程组于1864年提出，但开始并不被人们接受。Hertz（1857-1894）

在麦克斯韦逝世9年后(1888年)由德国物理学家赫兹通过实验证实了电磁波的存在。赫兹又用类似的实验证明电磁波具有类似光的特性,如：反射、折射、衍射、偏振等，证实了麦克斯韦电磁场理论的正确性。从此麦克斯韦方程组才被世人公认。

赫兹验证电磁波存在的实验：赫兹用来研究电磁波反射的实验装置电磁波的实验轰动了整个物理学界，全世界许多物理实验室投入了对电磁波性质及其应用的研究。在赫兹宣布他的发现后不到六年，意大利的和俄罗斯的波波夫分别实现了无线电波远距离传播，并很快投入实际应用。无线电报、无线电播送、无线、、电视以及雷达等无线电技术像雨后春笋般涌现出来，近几十年来，又实现了卫星遥感、卫星通信等。麦克斯韦电磁理论和赫兹实验不仅分别预言和证实了电磁波的存在，同时也迎来了无线电通信的新时代无线电技术是谁创造的？在人们心目中，一般认为:波波夫是无线电技术的最早创造人马可尼是无线电实用电报技术的创造人他们都是“无线电之父〞！马可尼?波波夫?1.电磁波谱：1895年伦琴发现的X射线；1896年发现的放射性射线中的一种射线；红外线与紫外线均为电磁波这些电磁波本质上完全相同，只是频率与波长不同而已四、电磁波的应用电磁波的速度与频率及波长有如下关系：电磁波谱⑴无线电波2.各种电磁涉及其应用：①产生：L、C电磁振荡电路电容器中形成电场电容器充电电感线圈中形成磁场电容器中形成电场形成交变电磁场开关Ｋ接右电容器放电反向对电容器充电开关Ｋ接左频率：无线电波产生的条件：(1)频率足够高(2)电路必须开放LC振荡回路的改造:极板面积减小，间距增大，线圈匝数减少LC振荡回路+_+_+_振荡偶极子交变的电场(或磁场)在周围产生交变磁场(或电场),交变电磁场不断由振源向远处传播;电磁振荡在空间的传播就形成了电磁波。②无线电波的实际应用：１.无线电波的四个波段及波长范围：微波短波中波长波1~10-4m102~1m103~102m105~103m接收天线接收天线地波电离层空间波地球天波发射天线２.三种传播方式：地波传播：沿地球外表附近空间的传播天波传播：通过电离层反射方式而进行的传播空间波传播：沿直线的传播各种无线电波的波长范围和用途名称长波中波中短波短波米波微波分米波厘米波毫米波波长3000～30000m200～3000m50～200m10～50m1～10m10～100cm1～10cm0.1～1cm频率10～100kHz100～1500kHz1.5～6MHz6～30MHz30～300MHz300～3000MHz3000～30000MHz30000～300000MHz主要用途越洋长距离通讯和导航无线电广播电报通讯无线电广播和电报通讯调频无线电广播、电视广播和无线电导航电视、雷达、无线电导航等从传播特点而言，长波、中波由于波长很长,它们的衍射能力很强，适合传送电台的播送信号。短波衍射能力小，靠电离层向地面反射来传播，能传得很远。微波由于波长很短，在空间按直线传播，容易被障碍物所反射，远距离传播要用中继站。适合于电视和无线电定位〔雷达〕和无线电导航技术。波长范围大约在0.6mm～760nm之间的电磁波称为红外线，它的波长比红光更长。红外线主要来源于炽热物体的热辐射，给人以热的感觉。它能透过浓雾或较厚大气层而不易被吸收。红外线虽然看不见，但可以通过特制的透镜成像。根据这些性质可制成红外夜视仪，在夜间观察物体。⑵红外线(infrared)可见光光谱⑶可见光(visiblelight)可见光在整个电磁波谱中所占的波段最窄，其波长范围在760nm～400nm之间。这一波段的电磁波能使人眼产生光的感觉，所以称为光波。可见光的不同频率决定了人眼感觉到的不同颜色，白光那么是由各种颜色的可见光——红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，按一定光强比例混合而成，称为复色光。波长范围在400nm～5nm之间的电磁波称为紫外线,它比可见光的紫光波长更短，人眼也看不见。当炽热物体〔例如太阳〕的温度很高时，就会辐射紫外线。由于紫外线的能量与一般化学反响所涉及的能量大小相当，因此它有明显的化学效应和荧光效应，也有较强的杀菌本领。无论是红外线、可见光或紫外线，它们都是由原子的外层电子受激发后产生的。⑷紫外线〔ultraviolet〕伦琴在1895年发现了X射线。它的波长比紫外线更短，它是由原子中的内层电子受激发后产生的，其波长范围在0.04～5nm之间。X射线具有很强的穿透能力，在医疗上用于透视和病理检查；在工业上用于检查金属材料内部的缺陷和分析晶体结构等。随着X射线技术的发展，它的波长范围也朝着两个方向发展，在长波方向与紫外线有所重叠，短波方向则进入了射线的领域。⑸X射线(X-Rays)这是一种比X射线波长更短的电磁波，它来自于宇宙射线或某些放射性元素在衰变过程中的辐射，其波长范围在以下，甚至更短。它的穿透力比X射线更强，对生物的破坏力很大。除了用于金属探伤外，还可用于了解原子核的内部结构。

⑹宇宙射线(Gamma-Rays)麦克斯韦的奉献不仅在