麦克斯韦方程组.ppt
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1、?本章共本章共3.5讲讲第三篇第三篇 相互作用和场相互作用和场第十一章第十一章 变化中的磁场和电场变化中的磁场和电场 11.3 11.3 位移电流位移电流麦克斯韦提出又一重要假设:麦克斯韦提出又一重要假设:位移电流位移电流随时间变化的磁场随时间变化的磁场 感生电场(涡旋电场)感生电场(涡旋电场)随时间变化的电场随时间变化的电场 磁场磁场对称性对称性一一.问题的提出问题的提出稳恒磁场的安培环路定理:稳恒磁场的安培环路定理:穿过以穿过以L为边界的任意曲面的传导电流为边界的任意曲面的传导电流非稳恒情况如何?非稳恒情况如何?非稳恒情况举例:电容器充放电非稳恒情况举例:电容器充放电取回路取回路 ,作以,
2、作以 为边界的曲面为边界的曲面导线穿过导线穿过导线不穿过导线不穿过说明将安培环路定理推广到一般情况时需要进行说明将安培环路定理推广到一般情况时需要进行补充和修正补充和修正.对对矛盾!矛盾!对对出现矛盾的原因:非稳恒情况下传导电流不连续出现矛盾的原因:非稳恒情况下传导电流不连续(流入流入 ,不流出,不流出 )传导电流不连续的后果:传导电流不连续的后果:电荷在极板上堆积。电荷在极板上堆积。电荷密度随时间变化电荷密度随时间变化(充电(充电 ,放电,放电 )极板间出现变化电场极板间出现变化电场.解决问题思路:解决问题思路:寻找极板上传导电流与极板间变寻找极板上传导电流与极板间变化电场之间的关系化电场之
3、间的关系.大小:大小:传导电流传导电流板间电场板间电场结论结论与与 同向同向与与 同向同向充电充电放电放电与与 反向反向与与 同向同向板间电场的电位移矢量板间电场的电位移矢量 对时间的变化率对时间的变化率 等于极板上的传导电流密度等于极板上的传导电流密度 .穿过极板的电位移通量穿过极板的电位移通量 对时间的变化率对时间的变化率 等于极板上的传导电流等于极板上的传导电流 .传导电流传导电流 在极板上中断在极板上中断,可由,可由 接替接替 ;可由可由 接替接替.传导电流密度传导电流密度 在极板上中断在极板上中断 ,解决了非稳恒情况电流的连续性问题解决了非稳恒情况电流的连续性问题 将将 视为一种电流
4、,视为一种电流,为其电流密度为其电流密度.问题的解决办法:问题的解决办法:充电充电放电放电二二.位移电流位移电流1.1.就电流的磁效应而言,变化的电场与电流等效就电流的磁效应而言,变化的电场与电流等效.称为位移电流称为位移电流真空中:真空中:揭示变化电场与电流的等效关系揭示变化电场与电流的等效关系2.2.物理意义物理意义空间电场变化空间电场变化电介质分子中电介质分子中电荷微观运动电荷微观运动3.3.比较比较载流子宏观载流子宏观定向运动定向运动变化电场和极化变化电场和极化电荷的微观运动电荷的微观运动只在导体中存在只在导体中存在并产生焦耳热并产生焦耳热无焦耳热,无焦耳热,在导体、电介质、真空在导体
5、、电介质、真空 中均存在中均存在都能激发磁场都能激发磁场P334 P334 问题:问题:比较导体、介质中比较导体、介质中 数量级数量级起源起源特点特点共同点共同点传导电流传导电流位移电流位移电流三三.安培环路定理的推广安培环路定理的推广对对对对不矛盾!不矛盾!2.2.推广的安培环路定理推广的安培环路定理1.1.全电流全电流对任何电路,全电流总是连续的对任何电路,全电流总是连续的练习:练习:P344 11-19P344 11-19已知:已知:对平行板电容器充电对平行板电容器充电求:求:解:解:练习:练习:设平行板电容器内交变电场强度:设平行板电容器内交变电场强度:求:求:1 1)电容器内位移电流
6、密度的大小;)电容器内位移电流密度的大小;2 2)电容器内到两板中心连线距离)电容器内到两板中心连线距离0.010.01米处磁场米处磁场 强度的峰值(不计传导电流的磁场)。强度的峰值(不计传导电流的磁场)。解:解:1 1)2 2)作如图作如图r0.01m的环路,的环路,由安培环路定理:由安培环路定理:11.4 11.4 麦克斯韦方程组的积分形式麦克斯韦方程组的积分形式 麦克斯韦是麦克斯韦是1919世纪伟大的英世纪伟大的英国物理学家、数学家。主要从国物理学家、数学家。主要从事电磁理论、分子物理学、统事电磁理论、分子物理学、统计物理学、光学、力学、弹性计物理学、光学、力学、弹性理论方面的研究。尤其
7、是他建理论方面的研究。尤其是他建立的电磁场理论,将电、磁、立的电磁场理论,将电、磁、光、统一起来,是光、统一起来,是1919世纪物理世纪物理学发展的最光辉的成果,是科学发展的最光辉的成果,是科学史上最伟大的综合之一。学史上最伟大的综合之一。一一.麦克斯韦方程组的积分形式麦克斯韦方程组的积分形式 高斯定理高斯定理环路定理环路定理磁场磁场电电场场静电场静电场感生感生电场电场一般一般电场电场麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组积分形式积分形式微分形式微分形式二二.意义意义1.1.是对电磁场宏观实验规律的全面总结和概括,是对电磁场宏观实验规律的全面总结和概括,是经典物理三大支柱之一是经典物理三大支柱之一.未发
8、现磁单极未发现磁单极法拉第电磁法拉第电磁感应定律感应定律安培定律安培定律位移电流假设位移电流假设库仑定律库仑定律感生电场假设感生电场假设电场性质电场性质变化磁场变化磁场产生电场产生电场变化电场变化电场产生磁场产生磁场磁场性质磁场性质方方 程程实实 验验 基基 础础意意 义义方程中各量关系:方程中各量关系:定义:定义:2.2.揭示了电磁场的统一性和相对性揭示了电磁场的统一性和相对性电磁场是统一的整体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可以表现为不同形态.空间空间带电体带电体对相对其静止的观察者对相对其静止的观察者 静电场
9、静电场对相对其运动的观察者对相对其运动的观察者电场电场磁场磁场3.3.预言了电磁波的存在预言了电磁波的存在由自由空间(由自由空间()麦克斯韦方程组微分形式出发,)麦克斯韦方程组微分形式出发,可以推导出(详见教材可以推导出(详见教材P428P428)波动方程波动方程变化电场变化电场 变化磁场变化磁场变化电场变化电场 磁场磁场变化磁场变化磁场 电场电场可脱离电荷、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(自由空间(自由空间 )4.4.预言了光的电磁本性预言了光的电磁本性电磁波的传播速率电磁波的传播速率实验证实:实验证实:德国科学家赫兹(德国科学家赫兹(1888 1888 年完成)年完成
10、)用电磁波重复了所有光学反射、折射、衍射、干涉、用电磁波重复了所有光学反射、折射、衍射、干涉、偏振实验偏振实验.相距相距1010米米赫兹赫兹(德(德.1857.185718941894)互互补补法拉第:来自社会底层、实验巨匠法拉第:来自社会底层、实验巨匠.善于通过直觉善于通过直觉把握物理本质把握物理本质.麦克斯韦:出身名门望族、数学高手、善于建立模麦克斯韦:出身名门望族、数学高手、善于建立模型、综合、提高型、综合、提高.大大4040岁岁历史历史之旅之旅实验实验 理论理论 实验实验法拉第法拉第 麦克斯韦麦克斯韦 赫兹赫兹 蓝图(基础)蓝图(基础)建设大厦建设大厦使其中住满人使其中住满人二者结合:
11、理想类型的物理学家二者结合:理想类型的物理学家 起初当我看到你用这样的数学威力来针对这样的主题,我起初当我看到你用这样的数学威力来针对这样的主题,我几乎吓坏了。后来我才惊讶地看到,这个主题居然处理得如此几乎吓坏了。后来我才惊讶地看到,这个主题居然处理得如此之好!之好!18571857年法拉第给麦克斯韦的回信年法拉第给麦克斯韦的回信5.5.是经典物理是经典物理 近代物理桥梁近代物理桥梁麦氏方程不满足伽利略变换麦氏方程不满足伽利略变换 相对论建立相对论建立“我曾确信,在磁场中作用于一个运动电荷我曾确信,在磁场中作用于一个运动电荷 的的力不过是一种电场力罢了,正是这种确信或多或力不过是一种电场力罢了
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