麦克斯韦电磁理论电磁学

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1、第十章麦克斯韦电磁理论§10.1实验规律的总结和推广§10.2麦克斯韦方程组和边界条件§10.3电磁波§10.4电磁波的辐射§10.5电磁波谱§10.6电磁场的能量、动量和角动量§10.1实验规律的总结和推广1实验规律的总结2实验规律的推广和位移电流假设电磁学发展简介1840年前后，大部分电磁学实验规律相继发现，剩下的问题是对这些实验规律进行概括和总结，寻求他们之间的联系，建立统一理论。当时电磁理论存在许多学派，他们均试图建立起统一的电磁理论。超距作用观点近距作用观点§10.1.1实验规律的总结静电学中的基本实验规律库仑定律描述静电场性质的高斯定理和环路定理静磁学中的基本实验规律安培定

2、律描述静磁场性质的高斯定理和安培环路定理麦克斯韦提出涡旋电场的假设电荷守恒定律（实验总结）§10.1.2实验规律的推广和位移电流假设静电场是一个保守力场，做功与路径无关。但在迅变的情况下，变化的磁场产生涡旋电场，若空间既存在静止电荷，又存在变化磁场，那么空间总电场的环流量将不为零。考虑安培回路定律：其物理意义是无论载流回路周围是真空还是磁介质，都可以写成：安培回路定律在迅变情况下是否成立呢？答案不成立。构造不同两个曲面，由安培回路定理可得不同的结果：在电流随时间变化时安培回路定律不再适用。电位移通量和位移电流引入电位移通量：通过任一曲面S的电位移通量。由此，麦克斯韦定义了位移电流ID和

3、电流密度jD（电位移矢量的时间变化率）：传导电流和位移电流合起来称为全电流。在非稳定情况下，凡传导电流中止的地方，由位移电流接上。由此，麦克斯韦把安培回路定律推广到非恒定情况下也适用的普遍形式：在普遍情况下，全电流是产生磁场的源。位移电流的物理本质是：空间中随时间变化的电场可以激发磁场。假定空间中不存在自由电荷和传导电流，则：即随时间变化的磁场在空间激发电场；随时间变化的电场在空间激发磁场；两个方程相差一个符号，这恰恰是电磁波在空间传播所需要的。§10.2麦克斯韦方程组和边界条件麦克斯韦在对电磁现象的实验做了以上创造性的总结和发展后，得到了普遍情况下电磁场必须满足的四个方程：在空间中有

4、介质存在时需加上描述介质性质的本构方程：在两种不同介质的界面上，还应加上边界条件：可以证明，只要给定空间的电荷和电流分布，给定边界条件，就可以由麦克斯韦方程组得到电磁场的唯一确定的解，这就是电磁场的唯一确定原理。Maxwell电磁场理论的意义在物理学史中，Maxwell电磁场理论是继Newton力学之后划时代的卓越贡献。它被誉为19世纪物理学最伟大的成就，由此，Maxwell和Faraday也当之无愧地被誉为19世纪最伟大的物理学家.Maxwell电磁场理论是一个完整的理论体系，它的建立不仅为电磁学领域已有的研究成果作了很好的总结，而且为进一步的研究提供了理论基础，从而迎来了电磁学全面

5、蓬勃发展的新时期.Maxwell电磁场理论的建立开辟了许多新的研究课题和新的研究方向.例如，电磁波的研究带来了通讯、广播和电视事业的发展；例如，物质电磁性质的研究推动了材料科学的进展;又如，带电粒子和电磁场相互作用的探讨，与许多其他分支学科有关，导致不少交叉学科（如等离子体物理、磁流体力学等）的形成与发展.所有这些，对于20世纪科学的发展、技术的进步以及物质文化生活的繁荣昌盛，都起了重要的作用。光的电磁理论是Maxwell电磁场理论的重大成果之一，它证明光波就是电磁波，从而把光现象纳入了电磁学领域，实现了光学与电磁学的统一。Maxwell电磁场理论的历史意义还在于引起了物理实在观念的深

6、刻变革。在电磁场理论建立之前，所谓物理实在指的就是质点即实物粒子，当时认为世间万物无非都是质点的组合，别无其他。质点的运动遵循Newton定律。此外，对于非接触物体之间的各种作用（如引力，磁力，电力），超距作用观点占据统治地位，即认为既无需媒介物传递，也无需传递时间.电磁场理论使人们认识到除了实物粒子外，还有电磁场这种完全不同于实物粒子的另一类物理实在，电磁场具有能量、动量等基本物理性质，电磁场可以脱离物质单独存在，并且能够与物质交换能量和动量，电磁场的运动变化遵循Maxwell方程，非接触的电磁物体之间的电磁作用，是以电磁场为媒介物传递的，是需要传递时间的，即是近距作用。§10.3电

7、磁波§10.3.1自由空间电磁波§10.3.2定态波动方程§10.3.3平面电磁波§10.3.1自由空间电磁波1894年12月8日，麦克斯韦在英国皇家学会报告了他的论文《电磁场的动力学原理》，从方程组出发，导出了电磁场的波动方程，于是预言了迅变电磁场互相激发并以波的形式在空间传播，并得到电磁波的传播速度与真空中的光速相等。于是他预言了：光是按照电磁定律经过场传播的电磁扰动－即光就是电磁波。假设在空间中，q0=0，j=0，这时麦克斯韦方程组变为：