对麦克斯韦电磁场理论的研究与实验探讨

密度， 即位移电流密度。这个方程是麦克斯
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Hale Waihona Puke 工 程 论 坛中国科技信息 ２００６ 年第 ３ 期 ＣＨＩＮＡ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｆｅｂ．２００６
软土地基塑料排水板施工技术
陈殿文 龙建路桥股份有限公司第二工程处
对安培环路定律的微分形式有
，这就要求 ｄ ｉ ｖ ｊ ＝ ０ 。
也就是说该定律只能在闭合回路中成立。 为了克服这一困难，麦克斯韦引进了全电流思 想。麦克斯韦通过理论研究和实验探索，对安 培全电流定理：电流流过导体，在其周围产生 磁场，如果右手大拇指与电流方向一致，则右手 四指方向就是磁场方向，安培全电流定理实验 证明，磁场强度 Ｈ 沿任一闭合回路 ｌ 的线积分等 于穿过回路 １ 所包围面积的电流 ＩＴ，即全电流。 Ｉ 在导电媒质中叫传导电流 Ｉｃ，它由导体中自由 电子的定向运动引起；在气体或真空中叫运流 电流 Ｉｖ ，它由真空或气体中荷电粒子的运动引 起。所以 Ｉ 包括传导电流与运流电流两部分，即 Ｉ＝Ｉｃ＋Ｉｖ。另外一项Ｉｄ 叫位移电流，它并不代表 电荷的运动，因而与传导电流，运流电流不同。传 导电流、运流电流和位移电流之和叫全电流。
由于该段软基淤泥下地质情况复杂，塑料 排水板打下去后最关键的问题就是让板在地底锚 固。在施工过程中，如某段软基施工时施工人 员把插板的插管提起来时，刚打入衡泥中的塑 料板就跑着上来导致插板失败，经详细查阅资 料及研究，发现主要问题是插管打下 ８ — ９ ｍ 后，遇上细沙层，塑料板无法在上面锚固，经 改进连接从导管靴穿出塑料排水板的桩尖形状得 以解决。若施工时不注意塑料排水板与桩尖的 连接，易导致打下去的塑料插板的管头破裂， 影响塑料板的固定。在某段软基塑排施工时， 发现软基表层虽然是淤泥，底层却是一条老河 床，有沉、冲积垢猁砾石层，板子刚好找到上 面无法固定。处理方法是调整桩尖与塑排的连 接形式，改进桩尖的外形，问题得以解决。
得
，写成现代形式的方程为
。
Ｅ． 电弹性方程 Ｅ ＝ Ｋ Ｄ 电动力作用于电介质，使它的每一部分极 化，它的相对的面上出现相反的电荷，这个电量 取决于电动力和电介质的性质。对各向同性的 电介质电动力 Ｅ 与电位移 Ｄ 方向相同，其大小 成正比，比例系数为 Ｋ。写成现代形式的方程为 Ｄ＝ εＥ。 Ｆ．电阻方程 Ｅ＝ ρ ｊ 电动力作用在导体上产生通过导体的电流。 式中ρ为单位体积导体中的电阻，写成现代形 式为 ｊ ＝ σ Ｅ ，σ为电导率。 Ｇ．自由电荷方程 ｅ＋ｄｉｖＤ＝０ 式中 Ｅ 是单位体积内的正的自由电荷量。写 成现代形式的方程 ｄ ｉ ｖ Ｄ ＝ ４ πρ。 麦克斯韦在《电学和磁学通论》一书中对上 式说明如下：“如果电荷 ｅ 均匀地分布在一个球 面上，在介质中与球心距离 ｒ 处的任何点的电动 力强度正比于 ｅ／ｒ ２，因此介质中的电位移将正 比于 ｅ ／ ｒ ２ ，如果我们画出半径为 ｒ 的同心球 面，通过这个面的总电位移将正比于 ｅ，而与 ｒ 无关。如果 Ｕ１ 和 Ｕ２ 分别是内球面和外球面的电 势，则增加电位移 Ｄ Ｅ 所作的功将为（ Ｕ １ － Ｕ ２ ） ＤＥ。如果取外球面在无限远，则 Ｕ１ 成为带电球 的势，而 Ｕ ２ 就变为零，于是这个功就为 Ｕ ｄ Ｅ 。 但是这个功也是 Ｕｄｅ ，在这里 ｄｅ 是球的电荷的 增加。如果我们承认电能存在于介质中，则 Ｄｅ＝ｄｅ，即穿过任何同心球面的电位移等于球上 的电荷。由此得出结论：位移电流给任何其它有 限长的电流提供了一个连续的，等同于闭合环 路 中 的 电 流 。”
麦克斯韦认为电磁场既可在物体内存在， 也可在真空中存在。在论文的第三部分麦克斯 韦建立了电磁场的普遍方程，它与我们今天所 熟悉的麦克斯韦方程组已经非常接近，一共有 八组方程，他把前六组矢量方程写成直角坐标 分量式，所以这是一组包括 ２０个变量由 ２０个方 程构成的方程组。在这篇文章中，麦克斯韦 直接根据电磁学的实验事实和普遍原理给出这 些方程。我们用今天使用的术语和符号，把 这些方程表示如下：
Ｈ． 连续性方程
这就是电荷守恒
定律。 以上八个方程就是麦克斯韦最早提出的电
磁场方程组。这是一套完备的电磁场方程组。 这个方程组概括了各个电磁学的实验规律，是 能够完整和充分地反映电磁场客观运动规律的 理论。１ ８ ９ 年，德国物理学家赫兹又把这组方 程写成最简单的具有完美对称形式的四个方 程。这些规律最基本的形式是真空中的电磁场 规律，它们是
１，实验过程探讨与电磁场方程组产生
１ ８ ６ ５ 年，麦克斯韦发表了电磁场理论的 第三篇重要论文《电磁场的动力学理论》。最早 明确地提出了电磁场的概念。他在评价韦伯和 纽曼的超距作用的电磁理论时写道：“在依赖于 粒子速度的力超距作用在另一些粒子上的假设 中包含着力学上的困难，阻止我认为这一理论 是最终的理论。”“所以，我宁愿从另一方面去寻 找对这一事实的解释，假设它们是被周围媒质 以及在激发物体中所发生的作用而产生，而不 需要假定它相当距离上直接作用的力存在就可 以解释远距离物体之间的作用。”“所以，我提出 的理论可以称为电磁场理论，因为它与带电体 或磁体附近的空间有关；它也可以称为动力学 理论，因为它假定在该空间中有运动的物质，从 而产生了我们所观察到的电磁现象。”
Ａ． 全电流方程
式中ｊ为真实的传导电流密度，ｊ′为总电流
韦电磁理论的核心，它把麦克斯韦关于位移电 流的思想定量化了。
Ｂ． 磁力方程 式中 Ｈ 为磁场强度，μ为磁导率，Ｈ 即磁感 应强度 Ｂ。α为电磁动量，麦克斯韦把它定义为
，这里α是与法拉第称为的电紧张
态相同的量。上式表明了在磁场中沿任意闭合 回路的电磁动量的总和等于穿过回路的磁力线 数。对此式两边取散度，即得现代形式的方程 ｄｉｖＢ＝０。
摘 要：软土地基塑料排水板深层自治施工，对其施工关键技术进行了简述。 关键词：软土地基；塑料排水板；施工技术
１，软基地段塑料排水板设计
方案的确定
１．１地质特点 鸡石一级公路第九合同段路线位于建水盆地 及构造河谷地貌区，相关地貌区，路线通过区域 地层单一，主要为第四秒河流侵蚀堆积层，第四 系冲积层沿芦江河两岩呈之带状分布，贯穿于整 个合同段。地层由黏土、亚黏土、砂土、圆砾土 及卵石组成。地层内地下水主要为孔隙水 ８ ，分 布于芦江河两岩冲、洪积，砂、砾、卵石层，为 潜水，局部水具承压性。而路线区哉地表水发 育，以芦江河为主，其次为农用灌溉水。农用 灌溉水对表层 ０ — ４ｍ 范围内土质影响甚大，多 数地段由于受地表水浸泡致使土质软化，该合 同段大部分地基数泥炭饱和淤泥地段且土基松 软，且多数软土下为松散的细砂层，在进行软 土自治时，要将软土与松散细砂层统一考虑 （要考虑砂土的液化。故处治浓度应穿过下部 细砂层，并做好地表、地下水的排水设施，属 于土深层处治。 １．２设计方案的定型 该段软基要处治的浓度为 ４．９０ — ９．４８ｍ 不 等，从经济及处治效果考虑宜采用塑料排水板深 层软基自治方案。塑料排水板是在纸板排水的基 础上发展而来的。它的特点是单孔过水断面大、 排水畅通、质量轻、强度高，耐久性好。适用于 泥炭饱和淤泥地段或土基松软，地下水位较高的 情况下。其处治目的在于增强路堤的稳定性，减 少工后不均匀下沉。该合同段计有 ５ 段共 ３ ０ ３ １４９ｍ 软土地基需和塑料排水板深层处理，其浓度 ４．９０ — ９．４８ｍ 不等。设计塑料排水板在平面上呈 等边三角形排列，间距为 ２ｍ。施工后塑料排水板 顶部应贯穿砂垫层及碎石垫层，搭接采用滤套内 平接的方法，芯板对扣，凹对齐，搭接长主东小 于 ２０ｃｍ，滤套包裹用可靠措施固定，塑料排水板
工 程 论 坛
中国科技信息 ２００６ 年第 ３ 期 ＣＨＩＮＡ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｆｅｂ．２００６
对麦克斯韦电磁场理论的研究与实验探讨
夏玉珍 李帮军 临沂师范学院实验中心 ２７６００５
摘 要：麦克斯韦是怎样用类比研究方法建立他的电磁场理论的？场的概念和麦克斯韦方程是怎样建立的？“感生电场”和“位移电流”的假设 是怎样提出来的？实验证明了“感生电场”和“位移电流”的假设是正确的。 关键词：感生电场；位移电流
Ｃ． 电流方程 根据实验可知，当磁极在磁场中移动的闭 合回路未绕过电流时不产生功，而磁极沿绕过 电流的回路移动时所产生的功与绕过的电流有 关，由此得出电流方程．将它与 Ａ 式结合起来，即
为
，写成现代形式（ 高斯制，
以下同此） 的方程为
。
１ ８ ７ ３ 年，麦克斯韦在他的《电学和磁学 通论》这部经典著作中，叙述了引入位移电流 概念这一思想过程。他评述道：“只有很少的 实验证明介质中位移电流的改变与电流的电磁 作用相联系。但是协调电磁定律与不闭合电流 存在的极大困难使我们必须接受瞬变电流的存 在是由于位移变化产生的。这是许多理由中的 一 个 理 由 。”
综述
静磁现象和静电现象很早就受到人类注 意。公元前六、七世纪发现磁石吸铁、磁针指 南以及摩擦生电等现象。系统地对这些现象进 行研究则始于十六世纪，此时，人类只是把电 与磁分开来研究，经过漫长的三个世纪才把它 们联系起来，开始了电磁学的新阶段。十九世 纪二、三十年代成了电磁学发展的时期。
首先对电磁作用力进行研究的是法国科学 家安培，他在得知奥斯特发现了电流的磁效应 之后，重复了奥斯特的实验，提出了右手定则， 并用电流绕地球内部流动解释地磁的起因。建 立了电流元之间的相互作用规律——安培定律。 与此同时，比奥—沙伐定律也得到发现。英国 物理学家法拉第对电磁学的贡献尤为突出，他 在大量实验的基础上创建了力学思想和场的概 念，为麦克斯韦电磁场理论奠定了基础。麦克 斯韦是继法拉第之后集电磁学大成的伟大科学 家。他全面地总结了电磁学研究的全部成果，并 在此基础上提出了“感生电场”和“位移电流” 的假说，建立了完整的电磁理论体系，不仅科 学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、 磁现象的内在联系及统一性，完成了物理学的 又一次大综合。
的办法，芯板对扣。为保证输水畅通，并有足 够的搭接强度，搭接长度不小于 ２ ０ ｃ ｍ，并且滤 套包裹，用可靠措施固定。
（５ ）严格控制间距和深度，凡塑料板带出 ２ ｍ Ｒ 的应作废补打。
（６ ）导管与桩尖要衔接适当，避免错缝， 防止淤泥进入，增大塑料板与导管壁的摩擦 力，防止塑料板带出。
３，施工中出现的问题及解决办法
式中 Ｅ 为电动力，即电场强度。第一项表 示导体本身运动产生的电动力。麦克斯韦指出 这个电动力与运动方向和力线垂直。如果以速 度 ｖ 和磁感应强度μ Ｈ 为平行四边形的两个邻 边，则这个力的大小等于平行四边形的面积，力 的方向垂直平行四边形的平面。第二项表示在 场中由于磁体或电流强度的改变，或位置的变 化而引起的电动力。第三项表示电势 ｊ 引起的电 动力。将此式两边取旋度并与 Ｂ 式结合起来，即
的芯板抗拉强度不小于 １ ３ ０ Ｎ ／ ｃ ｍ ，排水能力不 低于 ３０ｃｍ３／ｓ，滤套渗透系数不小于１０－２ｍ／ｓ。 施工中要求泥土等杂物不得进入插板及套管， 冻得损塑料排水板，所采用排水板为聚氯乙烯 特殊加工，宽 １ ０ ０ ｍ ｍ ，厚 １ ． ６ ｍ ｍ 。
２，塑料排水板主要施工技术
２．１塑料排水板原材料采购 塑料排水板原材料的质量合格是保证规范施 工的前提，故购买的塑料排水板道德应符合设计 要求。本段采用的塑料排水板带是江苏建湖土工 器材厂生产的 Ｂ 型塑料排水带。南京水利科学研 究院土工研所按ＪＴＪ／Ｔ２５７ — ９６ 标准对该型塑料 排水带进行检测的报告：该型号排水板断面尺寸 符合设计要求，塑料排水板抗拉强度为 ２８０Ｎ／ｃｍ ＞ １ ３ ０ Ｎ ／ ｃ ｍ ，纵向排水能力为 ６ ６ ｃ ｍ ３ ／ Ｓ ＞ ３０ｃｍ３，滤套渗透系数为５ × １０－２ｍ／ｓ ＞ １ × １０－ ２ ｍ ／ ｓ 。其它各项检测均满足设计要求 ２．２插板机的选取 本段施工机械为 ＬＪＢ－６ 型步履式插板机，套 管为矩形套管，导管直径 １ ３ ０ — １ ４ ６ ｍ ｍ，施工 时振动锤击振力拟用 ４ ９ ｋ Ｎ （单管）。 ２．３主要施工方法 塑料排水板施工工艺按以下程序进行： 整平原地面→摊铺下层砂垫层→机具就位→ 塑料排水板穿靴→插入套管→拔出套管→割断塑 料排水板→机具移位→摊铺上层砂垫层。 施工过程中要注意以下事项。 （１ ）施工现场堆放塑料排水板带要加以覆 盖，以防暴露在空气中老化。 （２ ）塑料板插入过程中，钢套管不得弯曲 透水滤乏应被撕破、污染，并防止淤泥进入板 芯堵塞输水通道，影响排水效果。 （３ ）塑料板与桩尖连接要牢固，避免提管 时脱开，将塑料板带出。 （４ ）塑料排水板接长时，采用滤套内平接