大学物理_第7章.ppt

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1、第七章第七章 电磁场理论电磁场理论位移电流位移电流麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 基本要求基本要求1.理解位移电流的概念及其物理本质 明确变化的电场可以产生磁场2.理解安培环路定理的一般形式3.理解麦克斯韦方程组及其物理意义麦克斯韦麦克斯韦（James Clerk Maxwell 1831-1879James Clerk Maxwell 1831-1879)麦克斯韦是19世纪伟大的英国物理学家、数学家。2.预言电磁波的存在1.完善了宏观的电磁场理论麦克斯韦的贡献麦克斯韦的贡献由电磁感应定律知，感生电场与变化磁场之间的关系由电磁感应定律知，感生电场与变化磁场之间的关系7-6 位移电流位移电流(di

2、splacement current)1.1.感生电场感生电场（induced electric field)变化磁场变化磁场产生产生 (涡旋涡旋)电场电场电磁感应定律的实质：电磁感应定律的实质：问题问题1一一.问题的提出问题的提出产生磁场产生磁场?变变化电场化电场在仅考虑磁场随在仅考虑磁场随时间变化，时间变化，导线不动的条件下导线不动的条件下*静态场静态场 无无矛矛盾盾对对S1面面对对S2面面2.2.时变电磁场时变电磁场 (electromagnetic field)电荷守恒定律一般形式电荷守恒定律一般形式 稳恒磁场的安培环路定律稳恒磁场的安培环路定律电荷守恒定律电荷守恒定律 稳恒磁场的安培

3、环路定律稳恒磁场的安培环路定律结论：电荷守恒定律与结论：电荷守恒定律与安培环路定律安培环路定律不矛盾不矛盾*时变电磁场时变电磁场 对对S1面面对对S2面面电荷守恒定律电荷守恒定律如何解决矛盾如何解决矛盾?结论结论：电荷守恒定律与电荷守恒定律与安培环路定律发生了安培环路定律发生了矛盾矛盾 原因是传导电流在两个极板之间中断了原因是传导电流在两个极板之间中断了问题问题2稳恒磁场的安培环路定律稳恒磁场的安培环路定律思考之一：思考之一：电荷守恒定律是精确的普遍规律电荷守恒定律是精确的普遍规律思考之二：思考之二：安培环路定律是恒定情形下的特殊规律，应予安培环路定律是恒定情形下的特殊规律，应予 以修正以修正

4、假设：假设：电容器内存在一个称为电容器内存在一个称为位移电流位移电流的物理量，与的物理量，与 变化的电场有关变化的电场有关假设：假设：位移电流与传导电流一样产生磁效应位移电流与传导电流一样产生磁效应根据根据位位移电流与传导电流共同构成连续的移电流与传导电流共同构成连续的闭合闭合电流电流位移电流与传导电流一样产生磁效应，安培环路定律修改为位移电流与传导电流一样产生磁效应，安培环路定律修改为二二.位移电流位移电流 (displacement current)全电流定律全电流定律三三.位移电流、传导电流的比较位移电流、传导电流的比较1.1.共同点共同点 具有电流的磁效应具有电流的磁效应2.2.不同点

5、不同点(1)(1)产生机理不同产生机理不同(2)(2)存在条件不同存在条件不同传导电流传导电流存在于导体中、介质中存在于导体中、介质中位移电流存在于真空中、导体中、介质中位移电流存在于真空中、导体中、介质中(3)(3)位移电流没有热效应，传导电流产生焦耳热位移电流没有热效应，传导电流产生焦耳热位移电流的实质：位移电流的实质：变化电场变化电场产生变化磁场产生变化磁场全电流定律与电荷守恒定律是不矛盾的，是协调的全电流定律与电荷守恒定律是不矛盾的，是协调的例例设设平行板电容器极板为圆板，平行板电容器极板为圆板，半径为半径为R，两极板间距为，两极板间距为d,用缓变电流用缓变电流 IC 对电容器充电对电

6、容器充电解解求求 P1,P2 点处的磁感应强度点处的磁感应强度解解任一任一时刻极板间的电场时刻极板间的电场 极板间任一点的位移电流密度极板间任一点的位移电流密度由全电流安培环路定理由全电流安培环路定理静静态场态场涡旋电场涡旋电场 四四.麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 (Maxwell equations)稳恒电流稳恒电流磁场磁场位移电流位移电流磁场磁场全电流定律全电流定律电磁感应定律电磁感应定律磁通连续性原理磁通连续性原理高斯定理高斯定理麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组无源区时变电磁场是有旋无散的。电场线与磁场线相互无源区时变电磁场是有旋无散的。电场线与磁场线相互交链，自行闭合，从而在空间形成交链，

7、自行闭合，从而在空间形成电磁波。电磁波。五五.麦克斯韦方程的辅助方程麦克斯韦方程的辅助方程 六六.电荷守恒定律电荷守恒定律（时变电磁场）（时变电磁场）七七.洛伦兹力洛伦兹力洛伦兹力洛伦兹力公式公式各向同性线性介质各向同性线性介质状态方程状态方程2.2.麦克斯韦电磁理论在微观区域里不完全适麦克斯韦电磁理论在微观区域里不完全适 用，它可以看作是量子电动力学在某些特用，它可以看作是量子电动力学在某些特 殊条件下的近似规律。殊条件下的近似规律。1.1.麦克斯韦方程可用于高速领域。麦克斯韦方程可用于高速领域。麦克斯韦电磁场理论的局限性麦克斯韦电磁场理论的局限性电磁场的动量和能量满足相对论关系电磁场的动量

8、和能量满足相对论关系;*电磁场在真空中的传播速度，就是光速，电磁场在真空中的传播速度，就是光速，光就是电磁光就是电磁波。波。*电磁场具有能量密度电磁场具有能量密度 *电磁场具有质量密度电磁场具有质量密度 相对论质能关系相对论质能关系八八.电磁场的物质性电磁场的物质性1.1.电磁场的物质性电磁场的物质性电磁场具有统一性，相对性。具有能量、质量、动量电磁场具有统一性，相对性。具有能量、质量、动量等等物质的一切重要属性，物质的一切重要属性，它是物质的一种形态。它是物质的一种形态。*电磁场具有动量密度电磁场具有动量密度(单位体积内的动量单位体积内的动量)，对于平面电磁，对于平面电磁波波1920年列别捷

9、夫的光压实验证明电磁场与实物间有动量传递，并满足守恒定律a a 电磁场以波的形式在空间传播，而以粒子电磁场以波的形式在空间传播，而以粒子(光子光子)的形式的形式和实物相互作用。光子没有静止质量，而电子、质子、和实物相互作用。光子没有静止质量，而电子、质子、中子等基本粒子却具有静止质量。中子等基本粒子却具有静止质量。2.2.电磁场和实物物质的不同电磁场和实物物质的不同 b b 实物可以以任意的速度实物可以以任意的速度(但不大于光速但不大于光速)在空间运动在空间运动,其其 速度相对于不同的参考系也不同速度相对于不同的参考系也不同,但电磁场在真空中运但电磁场在真空中运 动的速度永远是动的速度永远是 ，并且其传播速度在任何，并且其传播速度在任何 参考系中都相同。参考系中都相同。c c 一个实物的微粒所占据的空间不能同时为另一个微粒所一个实物的微粒所占据的空间不能同时为另一个微粒所 占据，但几个电磁场可以相互叠加，可以同时占据同一占据，但几个电磁场可以相互叠加，可以同时占据同一 空间。空间。实物和场都是物质存在的形式，它们分别从不同方面实物和场都是物质存在的形式，它们分别从不同方面反映了客观真实。同一实物可以反映出场和粒子两个方反映了客观真实。同一实物可以反映出场和粒子两个方面的特性，且面的特性，且实物和场在某些情况下可以相互转化。实物和场在某些情况下可以相互转化。