大学物理课件麦克斯韦方程组福州大学李培官
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
今天是2019年11月3日星期日
大学物理
---麦克斯韦方程组
福州大学至诚学院
大学物理教研室 李培官
第八章.电磁感应 -电磁场
8-4-2.麦克斯韦方程组
2
一.麦克斯韦方程组
在前人成就的基础上，麦克斯韦提出涡旋电场和位移电流的 假说，把电磁场规律总结提高为：麦克斯韦方程组。
1. 麦克斯韦方程组的积分形式
稳恒情况
非稳恒情况
SDdSS内qi LEdl 0
EE 静电 E 感应
LEdlSB tdS
SBdS0
LHdl
Ii i
HH 传导H 位移
LH dl S （ j传导 D t） dS
3 10
同理在非稳恒情况中
DD 静电D 感应 BB传导B位移
迪什实验室，并任第一任主任。1879年11月5日在剑桥逝
世。
麦克斯韦集成并发展了法拉第关于电磁相互作用的思
想，并于1864年发表了著名的《电磁场动力学理论》的论文， 将所有电磁现象概括为一组偏微分方程组，预言了电磁波的存
在，并确认光也是一种电磁波，从而创立了经典电动力学。麦
克斯韦还在气体运动理论、光学、热力学、弹性理论
3).磁单极子
1931年狄拉克预言：gm
n0hc
e
注：
n =1
g068.5e(C)
m 021011(g)
无论是否有磁荷、磁流存在，麦克斯韦方程组 不受影响。它成为电磁场理论的基础，并经受了实 践的检验，已成为现代电子学、无线电学等学科的 理论基础。
7 13
三.电磁场的物质性
自然界物质存在有两种基本的形式：实物和场 1.电磁场的物质性
Dr0EEBr0HHj E
4 11
2.麦克斯韦方程组的微分形式
利用如下数学定理
Gauss定理 S A d S V ( A )d V
Stokes定理 L A d l S ( A )d S
可把麦克斯韦方程组积分形式变为微分形式
SD dSVdV
SBdS0
——无源场
注：
LH dl S(j传导 D t) dS —— 有旋 场
1) 麦克斯韦方程组中的: D 、 E 、 B 、 H
不仅是空间函数而且是时间的函数,内容丰富。
2) 麦氏电磁理论是物理学史上的一次重大突破
*解释 一切宏观的电磁现象； *预言 电磁波的存在； *指出 光波就是电磁波。
14
五.麦克斯韦简介
麦克斯韦（1831-1879） 英国物理学家 . 经典电磁理 论的奠基人 , 气体动理论创 始人之一 . 他提出了有旋场 (感生电场)和位移电流的概 念 , 建立了经典电磁理论 , 并预言了以光速传播的电磁 波的存在 .在气体动理论方 面 , 他还提出了气体分子按 速率分布的统计规律.
11
例：振荡电偶极子的远场 －近似的平面电磁波 传播方向～ EB
E B
p C
E B
12
电磁波的应用
从1888年赫兹用实验证明了电磁波的存在， 1895年俄国科学家波波夫发明了第一个无线电报系统 1914年语音通信成为可能。 1920年商业无线电广播开始使用。 20世纪30年代发明了雷达。 40年代雷达和通讯得到飞速发展， 自50年代第一颗人造卫星上天，卫星通讯事业得到迅猛
D
麦
LEdlSB tdS E Bt
氏 方 程 组
SBdS0
B0
LH dl S(j传导 D t)dSH j Dt
微 分 形 式
5 14
二.麦克斯韦方程组的物理意义
SD dSVdV ——有源场
LEdlSB tdS ——有旋场
人们赞美 麦克斯韦方程组 象一首美丽的诗 !
麦克斯韦电磁场理论使人类对宏观世界的认识达到了一 个新的高度，是从牛顿力学到爱因斯坦相对论建立这段时期 中物理学史上最重要的理论成果。
1879年11月5日，麦克斯韦因病在剑桥逝世，年仅48 岁。那一年正好爱因斯坦诞生。科学史上这种巧合还有 一次是在1642年，那一年伽里略去世，牛顿诞生。
（3）电磁场可相互迭加，同时占具同一空间；
（4）电磁波的波速与参考系无关。
9 17
四.麦克斯韦的贡献
1. 完善了宏观的电磁场理论，利用4个徵分方 程、3个介质方程和洛仑兹力公式，在确定的边 界条件下，原则上可解决电磁场的一般问题。
2. 麦克斯韦方程组，是爱因斯坦相对论的重要 实验基础。
3.预言了电磁波的存在，并计算出电磁波在真空 的速度为：
（1）能量密度 变化的电磁场同时具有电场能和磁场能 w w e w m 1 2 E D 1 2 B H 一般地： w w (x,y,z,t)
（2）质量密度 设单位体积中,电磁场质量为m,由相对论
质能关系w其能量1为w=mc2 则 m c 2 2c2(DEBH) ——质量密度
？ 麦方程并非
完全对称，
你是否想作
6 12
SD dSV 磁 子单是dV 极否
LEdl存S在B t?dS
SD dSVdV
LE dlS(j m B t)dS
SBdS0
SBdSV mdV
LH dl S(j传导 D t)dSLH dl S(j传导 D t)dS
8 16
（3）动量密度
其动电量磁p为场m 中,c单w位体1积(D 的E 质量B 为H m)——cw动2 量密度 c 2c
实验事实证明电磁场有：质量和动量 例：引力红移、光压等
2. 电磁场物质性的特点 （1）没有静止质量 m0=0 （2）电磁场以波的形式传播，
以粒子的形式与实物相互作用；
等方面有重要贡献。
来自百度文库
16
Tips for Better Life
欢f迎or 指201导3
再见
今天是2019年11月3日星期日
17
发展。如今电磁波已在通讯、遥感、空间控测、军事应用、科 学研究等诸多方面得到广泛的应用。
13
理论假设在先，实验检验在后 麦克斯韦在电磁理论方面的杰出贡献在于：他完整而深
刻地揭示出变化的磁场可以激发电场、变化的电场又能激 发磁场这 一客观规律，从而使人们认识到电场与磁场间互 相依存、互相转化的关系, 认识到:电磁场的统一性。
15
【麦克斯韦生平简介】
麦克斯韦是19世纪伟大的英国物理学家、数学家。经
典电动力学的创始人，统计物理学的奠基人之一。
麦克斯韦1831年6月13日出生于爱丁堡。16岁时进
入爱丁堡大学，三年后转入剑桥大学学习数学，1854年毕业并 留校任教，两年后到苏格兰的马里沙耳学院任自然哲学教授， 1860年到伦敦国王学院任教，1871年受聘筹建剑桥大学卡文
C
1
oo
3×108 m/s
1886年赫兹发现了电磁波 证实了麦的预言。 10
1886年赫兹用实验证实了电磁波的存在
高频加速
赫兹振子 谐振器
运动电荷
赫兹
1886年29岁的赫兹发现：当电池通过一 对线圈中的一个放电时，在另一个线圈里产 生火花。
1888年他总结出：电磁感应是以波动形式传播的， 并第一次使用了“电磁波”一词。
电场、磁场的通量也推广到一般 SD dSVdV
SBdS0
任意电场 任意磁场
SD dSVdV
麦 克
LEdlSB tdS
斯 韦
SBdS0 LH dl S(j传导 D t)dS
方 程 组
方程组中各场量在各向同性的线性介质中，有
大学物理
---麦克斯韦方程组
福州大学至诚学院
大学物理教研室 李培官
第八章.电磁感应 -电磁场
8-4-2.麦克斯韦方程组
2
一.麦克斯韦方程组
在前人成就的基础上，麦克斯韦提出涡旋电场和位移电流的 假说，把电磁场规律总结提高为：麦克斯韦方程组。
1. 麦克斯韦方程组的积分形式
稳恒情况
非稳恒情况
SDdSS内qi LEdl 0
EE 静电 E 感应
LEdlSB tdS
SBdS0
LHdl
Ii i
HH 传导H 位移
LH dl S （ j传导 D t） dS
3 10
同理在非稳恒情况中
DD 静电D 感应 BB传导B位移
迪什实验室，并任第一任主任。1879年11月5日在剑桥逝
世。
麦克斯韦集成并发展了法拉第关于电磁相互作用的思
想，并于1864年发表了著名的《电磁场动力学理论》的论文， 将所有电磁现象概括为一组偏微分方程组，预言了电磁波的存
在，并确认光也是一种电磁波，从而创立了经典电动力学。麦
克斯韦还在气体运动理论、光学、热力学、弹性理论
3).磁单极子
1931年狄拉克预言：gm
n0hc
e
注：
n =1
g068.5e(C)
m 021011(g)
无论是否有磁荷、磁流存在，麦克斯韦方程组 不受影响。它成为电磁场理论的基础，并经受了实 践的检验，已成为现代电子学、无线电学等学科的 理论基础。
7 13
三.电磁场的物质性
自然界物质存在有两种基本的形式：实物和场 1.电磁场的物质性
Dr0EEBr0HHj E
4 11
2.麦克斯韦方程组的微分形式
利用如下数学定理
Gauss定理 S A d S V ( A )d V
Stokes定理 L A d l S ( A )d S
可把麦克斯韦方程组积分形式变为微分形式
SD dSVdV
SBdS0
——无源场
注：
LH dl S(j传导 D t) dS —— 有旋 场
1) 麦克斯韦方程组中的: D 、 E 、 B 、 H
不仅是空间函数而且是时间的函数,内容丰富。
2) 麦氏电磁理论是物理学史上的一次重大突破
*解释 一切宏观的电磁现象； *预言 电磁波的存在； *指出 光波就是电磁波。
14
五.麦克斯韦简介
麦克斯韦（1831-1879） 英国物理学家 . 经典电磁理 论的奠基人 , 气体动理论创 始人之一 . 他提出了有旋场 (感生电场)和位移电流的概 念 , 建立了经典电磁理论 , 并预言了以光速传播的电磁 波的存在 .在气体动理论方 面 , 他还提出了气体分子按 速率分布的统计规律.
11
例：振荡电偶极子的远场 －近似的平面电磁波 传播方向～ EB
E B
p C
E B
12
电磁波的应用
从1888年赫兹用实验证明了电磁波的存在， 1895年俄国科学家波波夫发明了第一个无线电报系统 1914年语音通信成为可能。 1920年商业无线电广播开始使用。 20世纪30年代发明了雷达。 40年代雷达和通讯得到飞速发展， 自50年代第一颗人造卫星上天，卫星通讯事业得到迅猛
D
麦
LEdlSB tdS E Bt
氏 方 程 组
SBdS0
B0
LH dl S(j传导 D t)dSH j Dt
微 分 形 式
5 14
二.麦克斯韦方程组的物理意义
SD dSVdV ——有源场
LEdlSB tdS ——有旋场
人们赞美 麦克斯韦方程组 象一首美丽的诗 !
麦克斯韦电磁场理论使人类对宏观世界的认识达到了一 个新的高度，是从牛顿力学到爱因斯坦相对论建立这段时期 中物理学史上最重要的理论成果。
1879年11月5日，麦克斯韦因病在剑桥逝世，年仅48 岁。那一年正好爱因斯坦诞生。科学史上这种巧合还有 一次是在1642年，那一年伽里略去世，牛顿诞生。
（3）电磁场可相互迭加，同时占具同一空间；
（4）电磁波的波速与参考系无关。
9 17
四.麦克斯韦的贡献
1. 完善了宏观的电磁场理论，利用4个徵分方 程、3个介质方程和洛仑兹力公式，在确定的边 界条件下，原则上可解决电磁场的一般问题。
2. 麦克斯韦方程组，是爱因斯坦相对论的重要 实验基础。
3.预言了电磁波的存在，并计算出电磁波在真空 的速度为：
（1）能量密度 变化的电磁场同时具有电场能和磁场能 w w e w m 1 2 E D 1 2 B H 一般地： w w (x,y,z,t)
（2）质量密度 设单位体积中,电磁场质量为m,由相对论
质能关系w其能量1为w=mc2 则 m c 2 2c2(DEBH) ——质量密度
？ 麦方程并非
完全对称，
你是否想作
6 12
SD dSV 磁 子单是dV 极否
LEdl存S在B t?dS
SD dSVdV
LE dlS(j m B t)dS
SBdS0
SBdSV mdV
LH dl S(j传导 D t)dSLH dl S(j传导 D t)dS
8 16
（3）动量密度
其动电量磁p为场m 中,c单w位体1积(D 的E 质量B 为H m)——cw动2 量密度 c 2c
实验事实证明电磁场有：质量和动量 例：引力红移、光压等
2. 电磁场物质性的特点 （1）没有静止质量 m0=0 （2）电磁场以波的形式传播，
以粒子的形式与实物相互作用；
等方面有重要贡献。
来自百度文库
16
Tips for Better Life
欢f迎or 指201导3
再见
今天是2019年11月3日星期日
17
发展。如今电磁波已在通讯、遥感、空间控测、军事应用、科 学研究等诸多方面得到广泛的应用。
13
理论假设在先，实验检验在后 麦克斯韦在电磁理论方面的杰出贡献在于：他完整而深
刻地揭示出变化的磁场可以激发电场、变化的电场又能激 发磁场这 一客观规律，从而使人们认识到电场与磁场间互 相依存、互相转化的关系, 认识到:电磁场的统一性。
15
【麦克斯韦生平简介】
麦克斯韦是19世纪伟大的英国物理学家、数学家。经
典电动力学的创始人，统计物理学的奠基人之一。
麦克斯韦1831年6月13日出生于爱丁堡。16岁时进
入爱丁堡大学，三年后转入剑桥大学学习数学，1854年毕业并 留校任教，两年后到苏格兰的马里沙耳学院任自然哲学教授， 1860年到伦敦国王学院任教，1871年受聘筹建剑桥大学卡文
C
1
oo
3×108 m/s
1886年赫兹发现了电磁波 证实了麦的预言。 10
1886年赫兹用实验证实了电磁波的存在
高频加速
赫兹振子 谐振器
运动电荷
赫兹
1886年29岁的赫兹发现：当电池通过一 对线圈中的一个放电时，在另一个线圈里产 生火花。
1888年他总结出：电磁感应是以波动形式传播的， 并第一次使用了“电磁波”一词。
电场、磁场的通量也推广到一般 SD dSVdV
SBdS0
任意电场 任意磁场
SD dSVdV
麦 克
LEdlSB tdS
斯 韦
SBdS0 LH dl S(j传导 D t)dS
方 程 组
方程组中各场量在各向同性的线性介质中，有