經(jīng)典電磁學(xué)演示文稿

經(jīng)典電磁學(xué)演示文稿現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二（優(yōu)選）經(jīng)典電磁學(xué)現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的建立一.麥克斯韋（1831-1879）簡(jiǎn)介二.建立電磁場(chǎng)理論的工作三.麥克斯韋成功的基本要素四.意義現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的建立麥克斯韋一.麥克斯韋（1831-1879）簡(jiǎn)介麥克斯韋是繼法拉第之后，集電磁學(xué)之大成的偉大科學(xué)家。他依據(jù)庫(kù)侖、高斯、歐姆、安培、畢奧、薩伐爾、法拉第等前人的一系列發(fā)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)成果，建立了第一個(gè)完整的電磁理論體系，不僅科學(xué)地預(yù)言了電磁波的存在，而且揭示了光、電、磁現(xiàn)象的本質(zhì)的統(tǒng)一性，完成了物理學(xué)的又一次大綜合。這一理論自然科學(xué)的成果，奠定了現(xiàn)代的電力工業(yè)、電子工業(yè)和無(wú)線(xiàn)電工業(yè)的基礎(chǔ)。麥克斯韋1831年6月出生于英國(guó)愛(ài)丁堡，他的父親是一位律師，但對(duì)研究科學(xué)問(wèn)題有強(qiáng)烈愛(ài)好，這對(duì)麥克斯韋的一生有深刻影響?，F(xiàn)在是4頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二1879年11月3日，4麥克斯韋逝世，時(shí)年49歲，在他的一生中共寫(xiě)了100多篇有價(jià)值的論文。麥克斯韋10歲進(jìn)入愛(ài)丁堡中學(xué)，14歲在中學(xué)時(shí)期就發(fā)表了第一篇科學(xué)論文《論卵形曲線(xiàn)的機(jī)械畫(huà)法》，反映了他在幾何和代數(shù)方面的豐富知識(shí)。16歲進(jìn)入愛(ài)丁堡大學(xué)學(xué)習(xí)物理，三年后，他轉(zhuǎn)學(xué)到劍橋大學(xué)三一學(xué)院。在劍橋?qū)W習(xí)時(shí)，打下了扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，為他以后把數(shù)學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)研究緊密結(jié)合創(chuàng)造了條件。他精心研究了法拉第的《電學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究》，以法拉第的力線(xiàn)概念為指導(dǎo)，透過(guò)這些似乎雜亂無(wú)章的實(shí)驗(yàn)記錄，運(yùn)用場(chǎng)論的觀點(diǎn)，以演繹法建立了系統(tǒng)的電磁場(chǎng)理論。于1873年出版的《電學(xué)和磁學(xué)論》一書(shū)。這是一部可以同牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》、達(dá)爾文的《物種起源》和賴(lài)爾的《地質(zhì)學(xué)原理》相媲美的里程碑式的著作?，F(xiàn)在是5頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二1.類(lèi)比：

2.麥克斯韋的“以太渦旋”模型和“位移電流”

3.麥克斯韋電磁方程組：

4.電磁波的預(yù)言

5.光波就是電磁波的提出

二.麥克斯韋電磁場(chǎng)理論現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二1.類(lèi)比：

1855年發(fā)表《論法拉第力線(xiàn)》，從幾何觀點(diǎn)，為法拉第力線(xiàn)作出了數(shù)學(xué)描繪。麥克斯韋用類(lèi)比的方法，把力線(xiàn)看作不可壓縮的流體的流線(xiàn)。如把正、負(fù)電荷比作流體的源和匯，電力線(xiàn)比作流管，電場(chǎng)強(qiáng)度比作流速等，引入了諾埃曼的矢勢(shì)函數(shù)A，用于表示導(dǎo)體中引起的電動(dòng)勢(shì)。并指出，“電緊張態(tài)”是場(chǎng)的一種運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，是一個(gè)物理真實(shí)。再論文末尾，邁克斯韋總結(jié)了六條定律，為以后建立電磁場(chǎng)理論奠定了基礎(chǔ)。從而將法拉第的觀念和直觀的力線(xiàn)抽象為數(shù)學(xué)。現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二麥克斯韋曾寫(xiě)道：“為了采用某種物理知識(shí)而獲得物理思想，我們應(yīng)當(dāng)了解物理相似性的存在。……利用這種類(lèi)似，可以用其中之一，說(shuō)明其中之二?！?/p>

1860年，麥克斯韋(30歲)帶著上述論文拜訪(fǎng)了的法拉第(70歲)。當(dāng)法拉第看到麥可斯韋的文章后贊嘆到：“我驚訝的看到，這個(gè)主題居然處理的如此之好！”。法拉第對(duì)麥克斯說(shuō):“你不要停留在用數(shù)學(xué)來(lái)解釋我的觀點(diǎn)上，而應(yīng)該突破它。”

現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二2.麥克斯韋的“以太渦旋”模型和“位移電流”

1862年，麥可斯韋發(fā)表了第二篇電磁學(xué)論文《論物理力線(xiàn)》。提出了“電磁以太模型”，把電學(xué)量和磁學(xué)量之間的關(guān)系，形象的表現(xiàn)出來(lái)。電磁以太模型：如右圖，充滿(mǎn)空間的媒質(zhì)分子在磁作用下具有旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)，它們以磁力線(xiàn)為軸形成渦旋管，渦旋管轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度H，渦旋媒質(zhì)的密度正比于媒質(zhì)磁導(dǎo)率μ。現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二對(duì)磁極相互作用的解釋?zhuān)?/p>

渦旋管旋轉(zhuǎn)的離心效應(yīng)，使管在橫向擴(kuò)張，同時(shí)產(chǎn)生縱向收縮。因此磁力線(xiàn)在縱向表現(xiàn)為張力，即異性磁極的吸引；在橫向表現(xiàn)為壓力，即同性磁極的排斥。由于相互緊密連接的渦旋管的表面是沿相反方向運(yùn)動(dòng)的，為了互不妨礙對(duì)方的運(yùn)動(dòng)，麥可斯韋設(shè)想在相臨渦旋管之間充滿(mǎn)著一層起滾珠軸承作用的微小粒子。它們是些遠(yuǎn)比渦旋的線(xiàn)度小、質(zhì)量可以忽略的帶電粒子。粒子和渦旋的作用是切向的。粒子可以滾動(dòng)，但沒(méi)有滑動(dòng)；在均勻恒定磁場(chǎng)中的情況：每個(gè)渦旋管轉(zhuǎn)動(dòng)速度相同的情況下，這些粒子只繞自身的軸自轉(zhuǎn)，不產(chǎn)生位移。現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二

對(duì)于非均勻磁場(chǎng)：

隨位置不同磁力的強(qiáng)度不同，因而渦旋管的轉(zhuǎn)速也不同的情況，渦旋管間的粒子則發(fā)生位移。如果此非均勻磁場(chǎng)為穩(wěn)恒磁場(chǎng)，則粒子在產(chǎn)生一個(gè)位移之后到達(dá)一個(gè)新的平衡。此時(shí)并無(wú)電流產(chǎn)生。對(duì)于磁場(chǎng)隨時(shí)間變化的情況：

對(duì)于一非穩(wěn)恒磁場(chǎng)，當(dāng)磁場(chǎng)隨時(shí)間變化時(shí)，渦旋管的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，粒子和渦旋管間的平衡被破壞，粒子的位移也隨之變化，從而產(chǎn)生感生電流，產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)。其數(shù)學(xué)關(guān)系式可表示為：此式為電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)方程?，F(xiàn)在是11頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二對(duì)于靜電場(chǎng)中的情況：

麥克斯韋把渦旋模型又進(jìn)一步推廣到靜電場(chǎng)。無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)，由于H=0，渦旋管靜止。但當(dāng)處于電場(chǎng)中時(shí)，粒子層將受到電力E的作用而發(fā)生位移D，并給渦旋管以切向力使之發(fā)生形變。當(dāng)兩力平衡時(shí)，粒子和渦旋管保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。這時(shí)電場(chǎng)能在媒質(zhì)中轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥詣?shì)能。這時(shí)并無(wú)磁感應(yīng)產(chǎn)生。對(duì)于變化電場(chǎng)的情況：當(dāng)電場(chǎng)發(fā)生變化的時(shí)候，介質(zhì)中粒子的總位移D也跟著發(fā)生變化，從而形成正負(fù)方向上的電流。麥克斯韋稱(chēng)之為“位移電流”,并表示為i∝?E/?t。粒子位移的變化，使渦旋管所受到的切向力發(fā)生變化，使渦旋管和粒子間的平衡被破壞，渦旋管旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)?，F(xiàn)在是12頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二

麥克斯韋利用他所構(gòu)造的電磁以太力學(xué)模型。不僅說(shuō)明了法拉第磁力線(xiàn)的應(yīng)用性質(zhì)，還建立了全部主要電磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系；但麥克斯韋清楚的認(rèn)識(shí)到上述模型的暫時(shí)性，他僅僅把他看做是一個(gè)“力學(xué)上可以想象和便于研究的適宜于揭示已知電磁現(xiàn)象之間真實(shí)的力學(xué)聯(lián)系”的模型。所以在1864～1865年的論文《電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論》中，他完全放棄了這個(gè)模型，去掉了關(guān)于媒質(zhì)結(jié)構(gòu)的假設(shè)，只以幾個(gè)基本的實(shí)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)，以場(chǎng)論的觀點(diǎn)對(duì)自己的理論進(jìn)行了重建。對(duì)“以太渦旋”模型的放棄現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二

他說(shuō)“我所提出的理論可以稱(chēng)為電磁場(chǎng)理論，因?yàn)樗仨毶婕暗綆щ婓w和磁性物質(zhì)周?chē)目臻g；它也可以叫做動(dòng)力學(xué)理論，因?yàn)樗俣ㄔ谠摽臻g存在著正在運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)，從而才產(chǎn)生了我們所觀察到的電磁現(xiàn)象。”“電磁場(chǎng)就是處于電磁狀態(tài)的物體周?chē)目臻g，包括這些物體本身在內(nèi)：場(chǎng)中可以只有某種物質(zhì)，也可以抽成沒(méi)有宏觀物質(zhì)的空間，象蓋斯勒管或其它叫真空的情形那樣”。麥克斯韋假設(shè)真空中雖沒(méi)有“宏觀物質(zhì)”存在，但有以太媒質(zhì)。這種以太媒質(zhì)充滿(mǎn)整個(gè)空間，滲透物體內(nèi)部，具有能量密度，并能以有限速度傳播電磁作用。至此，電磁場(chǎng)理論的統(tǒng)一基本完成。電磁場(chǎng)理論確立：現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二3.麥克斯韋電磁方程組：

1873年，麥克斯韋出版《電磁學(xué)通論》，創(chuàng)造性的建立了電磁場(chǎng)理論的完整體系。把以前的電磁場(chǎng)理論都綜合在一組方程式中，得到了電磁場(chǎng)的數(shù)學(xué)方程-----麥克斯韋電磁方程組。以簡(jiǎn)潔的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，揭示了電場(chǎng)和磁場(chǎng)內(nèi)在的完美對(duì)稱(chēng)。

最初，在《電磁學(xué)通論》書(shū)中，麥克斯韋共列出了20個(gè)分量方程，如果采用矢量方程，則僅有8個(gè)。后來(lái)簡(jiǎn)化成四個(gè)。1890年前后，德國(guó)物理學(xué)家赫茲和英國(guó)物理學(xué)家亥維賽，又兩次簡(jiǎn)化麥克斯韋方程組，才得到我們現(xiàn)在通用的微分形式?，F(xiàn)在是15頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二1電場(chǎng)中的高斯定理2法拉第電磁感應(yīng)定律3磁場(chǎng)中的高斯定理4安培環(huán)路定律麥克斯韋方程組：現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二

當(dāng)有介質(zhì)時(shí)，需要補(bǔ)充三個(gè)描述介質(zhì)性質(zhì)的方程式。對(duì)于各向同性介質(zhì)，有：D=εrε0EB=μrμ0Hj=σE式中，εr、μr、σ分別是介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)、相對(duì)磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率。方程組中，1表示電量守恒，指出靜電場(chǎng)是有源場(chǎng)；2是電磁感應(yīng)定律的推廣，表明變化著的磁場(chǎng)產(chǎn)生渦旋電場(chǎng)；3是表明磁場(chǎng)是有旋場(chǎng)；4是安培定律的推廣，表明電流和變化著的電場(chǎng)在其周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)。現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二4.電磁波的預(yù)言

麥克斯韋方程組的一個(gè)重要結(jié)果，就是預(yù)言了電磁波的存在。麥克斯韋通過(guò)計(jì)算，從方程組中導(dǎo)出了自由空間中電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的波動(dòng)方程為：

式中v是波在介質(zhì)中的傳播速度。

式中ε是介電常數(shù)，μ為磁導(dǎo)率。它表示：電或磁的擾動(dòng)，將在以太媒質(zhì)里以速度v傳播著。并且推出了電磁波的傳播速度為：現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二5.光波就是電磁波的提出：

1856年韋伯測(cè)定上述速度值為：v=31.074萬(wàn)公里/秒,麥克斯韋發(fā)現(xiàn)這個(gè)值與1849年斐索測(cè)得的光速31.50萬(wàn)公里/秒十分接近。他認(rèn)為這不是巧合，而是由于光的本質(zhì)與電磁波相同，從而提出了光的電磁理論。它表明“光本身乃是以波的形式在電磁場(chǎng)中按電磁規(guī)律傳播的一種電磁振動(dòng)”。從而將電、磁、光理論進(jìn)行了一次偉大的綜合。把數(shù)學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)研究聯(lián)合使用所得到的物理知識(shí)，比之一個(gè)單純實(shí)驗(yàn)人員或單純的數(shù)學(xué)家能具有的知識(shí)更堅(jiān)實(shí)、有益和鞏固。——麥克斯韋現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二1.對(duì)不同現(xiàn)象之間的聯(lián)系的堅(jiān)定信念。2.

重視科學(xué)方法的應(yīng)用（建模、數(shù)學(xué)推理，理論綜合）。麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的建立三.麥克斯韋成功的基本要素3.豐富的想象力及大膽猜測(cè)和假設(shè)。4.深厚的數(shù)學(xué)和物理知識(shí)底蘊(yùn)。5.對(duì)理論完美和諧的不懈追求。麥克斯韋認(rèn)為：自然界是和諧的，一種反映自然規(guī)律的理論，如果框架上不完善，不和諧，也就意味著要進(jìn)一步改進(jìn)和探索。現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的建立四.意義經(jīng)典電磁理論的確立，完成了物理學(xué)理論的第二次大綜合，也掀起了第二次工業(yè)革命，進(jìn)一步說(shuō)明了科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力?，F(xiàn)在是21頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二盡管麥克斯韋理論具有內(nèi)在的完美性并和一切經(jīng)驗(yàn)相符合，但它只能逐漸地被物理學(xué)家接受。

——?jiǎng)诙螂姶挪ǖ陌l(fā)現(xiàn)§8.電磁波的發(fā)現(xiàn)一.赫茲（1857-1894）二.電磁波的發(fā)現(xiàn)三.成果現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二赫茲像電磁波的發(fā)現(xiàn)一.赫茲（1857-1894）：德國(guó)物理學(xué)家

1878年是基爾霍夫和亥姆霍茲的學(xué)生，1880年獲博士學(xué)位。

1885年發(fā)現(xiàn)電磁波，

1889年到波恩大學(xué)任教。

1894年因血中毒而去世?，F(xiàn)在是23頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二電磁波的發(fā)現(xiàn)二.電磁波的發(fā)現(xiàn)

麥克斯韋《電磁論》發(fā)表后，由于理論難懂，無(wú)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里并未受到重視和普遍承認(rèn)。

1879年，柏林科學(xué)院設(shè)立了有獎(jiǎng)?wù)魑模笞C明以下三個(gè)假設(shè)：①如果位移電流存在，必定會(huì)產(chǎn)生磁效應(yīng)；②變化的磁力必定會(huì)使絕緣體介質(zhì)產(chǎn)生位移電流；③在空氣或真空中，上述兩個(gè)假設(shè)同樣成立。這次征文成為赫茲進(jìn)行電磁波實(shí)驗(yàn)的先導(dǎo)。

1885年，赫茲利用一個(gè)具有初級(jí)和次級(jí)兩個(gè)繞組的振蕩線(xiàn)圈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，偶然發(fā)現(xiàn)：當(dāng)初級(jí)線(xiàn)圈中輸入一個(gè)脈沖電流時(shí)，次級(jí)繞組兩端的狹縫中間便產(chǎn)生電火花，赫茲立刻想到，這可能是一種電磁共振現(xiàn)象。既然初級(jí)線(xiàn)圈的振蕩電流能夠激起次級(jí)線(xiàn)圈的電火花，那么它就能在鄰近介質(zhì)中產(chǎn)生振蕩的位移電流，這個(gè)位移電流又會(huì)反過(guò)來(lái)影響次級(jí)繞組的電火花發(fā)生的強(qiáng)弱變化?，F(xiàn)在是24頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二

1886年，赫茲設(shè)計(jì)了一種直線(xiàn)型開(kāi)放振蕩器（下圖），留有間隙的環(huán)狀導(dǎo)線(xiàn)C作為感應(yīng)器，放在直線(xiàn)振蕩器AB附近，當(dāng)將脈沖電流輸入AB并在間隙產(chǎn)生火花時(shí)，在C的間隙也產(chǎn)生火花。實(shí)際這就是電磁波的產(chǎn)生、傳播和接收?，F(xiàn)在是25頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二

1887年又設(shè)計(jì)了“感應(yīng)平衡器”（如右圖示）：即將1886年的裝置一側(cè)放置了一塊金屬板D，然后將C調(diào)遠(yuǎn)使間隙不出現(xiàn)火花，再將金屬板D逐漸靠近AB，這時(shí)C的間隙又出現(xiàn)電火花。這是因?yàn)镈中感應(yīng)出來(lái)的振蕩電流產(chǎn)生一個(gè)附加電磁場(chǎng)作用于C，當(dāng)D靠近時(shí)，C的平衡遭到破壞。

這一實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：振蕩器AB使附近的介質(zhì)交替極化而形成變化的位移電流，這種位移電流又影響“感應(yīng)平衡器C”的平衡狀態(tài)。使C出現(xiàn)電火花。當(dāng)D靠近C時(shí)，平衡狀態(tài)再次被破壞，C再次出現(xiàn)火花。從