经典电磁理论的建立.
电磁学发展简史
电磁学发展简史一.早期的电磁学研究早期的电磁学研究比较零散，下面按照时间顺序将主要事件列出如下：1650年，德国物理学家格里凯在对静电研究的基础上，制造了第一台摩擦起电机。
1720年，格雷研究了电的传导现象，发现了导体与绝缘体的区别，同时也发现了静电感应现象。
1733年，杜菲经过实验区分出两种电荷，称为松脂电和玻璃电，即现在的负电和正电。
他还总结出静电相互作用的基本特征，同性排斥，异性相吸。
1745年，荷兰莱顿大学(图1)的穆欣布罗克和德国的克莱斯特发明了一种能存储电荷的装置－莱顿瓶，它和起电机一样，意义重大，为电的实验研究提供了基本的实验工具。
1752年，美国科学家富兰克林对放电现象进行了研究，他冒着生命危险进行了著名的风筝实验，发明了避雷针。
1777年，法国物理学家库仑通过研究毛发和金属丝的扭转弹性而发明了扭秤，如图2所示。
1785－1786年，他用这种扭秤测量了电荷之间的作用力，并且从牛顿的万有引力规律得到启发，用类比的方法得到了电荷相互作用力与距离的平反成反比的规律，后来被称为库仑定律。
图2在早期的电磁学研究中，还值得提到的一个科学家是大家都已经在中学物理课本中学过的欧姆定律的创立者－欧姆。
欧姆,1787年3月16日生于德国埃尔兰根城，父亲是锁匠。
父亲自学了数学和物理方面的知识，并教给少年时期的欧姆，唤起了欧姆对科学的兴趣。
16岁时他进入埃尔兰根大学研究数学、物理与哲学，由于经济困难，中途缀学，到1813年才完成博士学业。
欧姆是一个很有天才和科学抱负的人，他长期担任中学教师，由于缺少资料和仪器，给他的研究工作带来不少困难，但他在孤独与困难的环境中始终坚持不懈地进行科学研究，自己动手制作仪器。
欧姆对导线中的电流进行了研究。
他从傅立叶发现的热传导规律受到启发，导热杆中两点间的热流正比于这两点间的温度差。
因而欧姆认为，电流现象与此相似，猜想导线中两点之间的电流也许正比于它们之间的某种驱动力，即现在所称的电动势，并且花了很大的精力在这方面进行研究。
14.4-5--麦克斯韦电磁场理论-电磁波
三、麦克斯韦方程组的积分形式
稳恒 情况 的电 磁场 规律
DdS qi
任意电场
Edl 0
BdS 0
变化磁场 产生电场 任意电流
变化电场
H dl Ii 产生磁场
DdS qi EEdldl(EeEiB)tdldS
B dS 0 BdS 0
BdS 0
☆人们赞美
麦克斯韦方程组 象一首美丽的诗 !
1.麦克斯 韦方程组：
D dS qi
(1)
BEHdddSll0IBtDdtSdS
(2) (3) (4)
2.各方程的物理意义：
Id所激发的磁场H(B)与其成右手螺旋关系：
jd
D
H (B)
D
t
0
jd // D
jd
D
H (B)Leabharlann 4、传导电流与位移电流的比较
D t
0
jd D
共同点—— Ic 和Id以共同的形式激发磁场。
不同点—— 1. 传位导移电电流流IIcd和的电实荷质的是宏变观化定电向场运！动D有t 关0,,而jD 0 2. Ic产生焦耳热而Id不产生焦耳热！
dq dt
q S2 极板
dq极板 dt
d dt
s2 DdS
I
S1
S2
2若.定S义2面：不随Id 时 间dIdst1t变D 化s2：DtDtdSdS
d s2
dt 位移电流
有电流 的量纲
位移电流密度：
jd
D
电磁场理论的发展史
电磁场理论发展史引言载法拉弟发现电磁感应现象的那一年,英国诞生了一位伟大的科学家——麦克斯韦,他因创立电磁场理论而成为十九世纪最伟大的物理学家．麦克斯韦创立电磁场理论系统而完整地概括了电磁场的基本规律,并预言了电磁波的存在.一、历史的前奏在麦克斯韦以前,解释电磁相互作用有两种相互对立的观点．一种是超距作用学说．即在研究两个电荷之间相互作用力时,忽略中介空间的作用,电荷会超越空间距离而互相作用,库仑、韦伯、安培等人都是主张用超距作用学说来解释电磁相互作用的．这种学说当时拥有数学基础．另一种是媒递作用学说．认为空间有一种能传递电力的媒质称作以太存在,电荷间通过媒质互相作用．法拉弟通过实验揭露了空间媒质的重要作用,他认为在空间媒质中充满了电力线,即通过场来传递,但媒递作用学说还没有数学基础,不易被人接受．也使其发展受到了阻碍．麦克斯韦功绩就在于建立了电磁场理论并促进了它的发展．他中学时曾在数学和诗歌比赛中获第一名,这显示了他的数学才华与丰富的想象力方面的潜力．他年轻时曾读过法拉弟的电学实验研究,对法拉弟的物理思想如电力线和场的思想十分推崇,同时也发现了它的弱点．麦克斯韦对电磁相互作用的超距观点早就表示“不能接受即时传播的思想”,在法拉弟的物理思想影响下,他决心“为法拉弟的场概念提供数学方法的基础”．二、麦克斯韦创立电磁场理论麦克斯韦创立电磁场理论可分为三个阶段：第一阶段,统一已知电磁定律麦克斯韦于1856年发表了他的第一篇论文论法拉弟的力线,在这篇文章中,他试图用数学语言精确地表述法拉弟的力线概念,他采用数学推论与物理类比相结合的方法,以假想流体的力学模型去模拟电磁现象．他说：“借助于这种类比,我试图以一种方便的和易于处理的形式为研究电现象提供必要的数学观念”他的目标是想据此统一已知的电磁学定律．麦克斯韦为达到此目的,他运用了“建立力学模型——引出基本公式——进行数学引伸推导”的解决科学问题的思路和方法．第一步,建立力学模型首先运用类比方法,麦克斯韦把电磁现象和力学现象做了类比,认为可以建立一种不可压缩流体的力学模型来模拟电磁现象．这种流体模型为：一是没有惯性,因而也就没有质量；二是不可压缩；三是可以从无产生,又可消失．显然这是一种假设理想流体．麦克斯韦在这篇文章中写道：“我企图把一个在空间画力线的清楚概念摆在一个几何学家的面前,并利用一个流体的流线的概念,说明如何画出这些流线来”“力线的切线方向就是电场力的方向,力线的密度表示电场力的大小”．他企图阐明电力线和电力线所在空间之间的几何关系．他还试图通过类比凭借已知的力学公式推导出电磁学公式,寻求这两种不同的现象在数学形式上的类似．第二步,引出基本公式早在1842年,W·汤姆逊就曾把拉普拉斯的势函数的二阶微分方程,普遍用于热、电和磁的运动,建立了这三种相似现象的数学联系．1847年,他又在不可压缩流体的流线连续性基础上,论述了电磁现象和流体力学现象的共同性．麦克斯韦正是吸收了W·汤姆逊这种类比方法,把它发展成为研究各种力线的重要工具．例如麦克斯韦把电学中的势等效于流电势麦克斯韦据此方式相继推导出了静电磁场、稳恒电磁场以至瞬变电磁场的基本公式．其中最重要的一个就是电场的泊松方程：2V=－4πρ 2式中V为电势,ρ为自由电荷密度．第三步,进行数学引伸根据电场的泊松公式可直接写出稳恒电磁场的两个基本方程：ε0E= ·D=4πρ 3▽B=0 4对于瞬变电场,麦克斯韦类比了力学中的惯性力公式,从假想流体的由此推出磁场产生电场的公式：结合电场的泊松公式,可得运动电荷产生磁场的公式：×=4πj 6在上述公式中,式3说明了静电场的性质是一种无旋场；式4说明了磁场的性质是一种涡旋场；式5说明了电场可以由随时间变化的磁场产生；式6说明了磁场可以由运动的电荷产生．从3、4、5、6方程看,这已基本具备了麦克斯韦方程组的雏形,只是未列入位移电流．第二阶段,提出位移电流概念麦克斯韦在完成了统一已知电磁学定律的第一阶段工作后,又投入到第二阶段工作中．他于1862年发表了具有决定意义的论文论物理学的力线．麦克斯韦在这篇着作中,突破了法拉弟的电磁观念,创造性地提出了自己理论的核心部分——位移电流的概念．在这一工作中,他一方面结合数学推论以逻辑手段揭示了旧电磁理论的内在矛盾,另一方面则构造了一个与以前的流体力学模型不同的、新的电磁以太模型．麦克斯韦按照电磁学和动力学的类比关系发现,交变电流通过含有电容器的电路时,按照原有的认识,由于电荷不能在电容器极板之间移动,因此传导电流将中断,这同实际电流的连续性发生矛盾．而且如果电流仅限于导体,电磁场也就失去了意义．为了解决这些矛盾,他依据电磁学与动力学的类比关系和电磁现象的对称性,认为在交变电流电路中,电容器一个极板上变化的电场会引起感生磁场,变化的磁场又会在电容器的另一极板上引起感生电场,产生交变电流,故变化电场的作用就相当于传送电流,但它不是电荷的传导,而是电荷的位移．这样麦克斯韦就在无导体存在的磁场中引入了“位移电流”的概念．这样位移电流和传导电流迭加起来在电容电路中的总流线是闭合的．位移电流概念的引入,是麦克斯韦理论的关节点,也是他的重大发现,即发现了电场变化激发磁场变化的现象．而法拉弟的电磁感应定律,是说明磁场变化激发电场的现象．这样,一个变化的电场和磁场以对称的形式联系起来,是法拉弟电生磁、磁生电思想的精确化和完善化．为了在电磁场中形象地勾勒出位移电流的形状,必须给它塑造一个模型．麦克斯韦说：“电解质被电流带动在固定方向上的迁移和偏振光受到磁力作用在固定方向上旋转,就是曾经启发我把磁考虑为一种旋转现象而把电流当作平移现象的事实．”麦克斯韦根据这两个基本条件假设电磁场介质中充满着涡旋分子在真空中则是涡旋以太,在这些涡旋分子之间夹着许多小的电粒子．涡旋轴代表磁力线的方向,涡旋旋转速度表示磁场强度的大小．在两个同向旋转的分子中间的电粒子起着隋性轮的作用,这些电粒子只会转动而不会产生平移；在两个旋转方向的分子间,电粒子不发生转动而产生平动,从而形成电流．如右图,六方形表示涡旋分子,小圆圈表示电粒子,磁场方向由“＋”“－”表示．“＋”表示磁场穿出纸面,“－”穿入纸面．放在A→B线上形成了位移电流．麦克斯韦从这个涡旋模型出发,利用它进行唯象的思考,从物理意义一项,实现玻恩所说的“数学上的完美”．麦克斯韦进一步以位移电流的概念为物理基础,根据力学定律进行数学模拟,以弹性力学中的力、粒子流密度、及对旋涡转速的影响分别模拟电场强度、传导电流和磁场强度,从而建立起全电流的电磁场方程：第三阶段,揭示电磁场动力学本质1864年,麦克斯韦又发表了第三篇着名的论文电磁场的动力理论．在这篇论文中,麦克斯韦舍弃了他原来提出的力学模型而完全转向场论的观点,并明确论述了光现象和电磁现象的统一性,奠定了光的电磁理论的基础．麦克斯韦首先谈到由于电磁相互作用不仅与距离有关,而且依赖于相对速度,不应以超距作用为出发点．他仍然假设产生电磁现象的作用力是同样在空间媒质中和在电磁物质中进行的,在真空中有以太媒质存在,这种以太媒质弥漫整个空间,渗透物体内部,具有能量密度,并能够以有限速度传播电磁作用．麦克斯韦借助于以太媒质这种力学图象来描述真空场的概念,把以太媒质作为介电常数ε=1真空场的“电介质”．当电介质极化时,在分子范围内发生微观电荷移动的现象,这种微观电荷移动产生一种瞬息电流．他假设在真空中,由于以太媒质的存在,电场变化时同样也有位移电流出现．位移电流和传导电流一样,也按照毕奥——萨伐尔定律的规律产生磁场．位移电流和传导电流叠加起来的总电流即全电流线是闭合的．在真空位移电流概念的基础上,麦克斯韦建立了由二十个分量方程组成的电磁场方程组．麦克斯韦还采用拉格朗日与哈密顿的数学方法,推导出电磁场的波动方程．方程表明,电场和磁场以波动形式传播,二者相互垂直并都垂直于传播方向．若在空间某一区域中的电场发生了变化,在它邻近的区域就会产生变化的磁场；这个变化的磁场又会在较远的区域产生变化的电场,变化的电场与变化的磁场不断相互产生,就会以波的形式在空间散开,即以波的形式传播,称为电磁波．电场与磁场具有不可分割的联系,是一个整体,即电磁场．在麦克斯韦推出的方程中,他引入了一个电磁场能量方程,他指出,在超距作用理论中,能量只能存在于带电体、电路和磁体中,而根据新的理论,能量则存在于电磁场和这些物体中．这样,能量就被定域于整个电磁场空间,从而深刻地揭示了电磁场的物质实在性．它同时还说明了电磁波就是能量的传播过程．从平面电磁波的定量研究中,麦克斯韦证明了决定电磁波传播速度的“弹性模量”与电介质的性质相联系,“介质密度”与磁介质的性质相联系,从而求出了电磁波的传播速度公式,得到了与论物理的力线中相同的结论,即真空中电磁波的速度恰好等于光速,这使麦克斯韦得出了：“光是一种按照电磁定律在场内传播的电磁扰动”的结论．1868年,麦克斯韦发表了一篇论文光的电磁理论,明确地创立了光的电磁学说．他说：“光也是电磁波的一种,光是一种能看得见的电磁波．”这样,麦克斯韦就把原来相互独立的电、磁和光都统一起来了,成为十九世纪物理学上实现的一次重大理论综合．1873年麦克斯韦出版电磁理论的经典着作论电和磁在这部着作中,麦克斯韦对电磁理论作了全面系统和严密的论述,并从数学上证明了方程组解的唯一性,从而表明这个方程组是能够精确地反映电磁场的客观运动规律的完整理论．这样,经几代人的努力,电磁场理论的宏伟大厦终于建立起来了,从而实现了物理学史上的第二次理论大综合．三、麦克斯韦方程组的内容麦克斯韦在1864年发表的着名论文电磁场的动力学理论一文中提出了一套完整的方程组．他最先是以分量形式给出的,而且物理量的名称和符号都与现代采用的不一样．经后人加以整理,电磁场的方程得到进一步完善,形成如今称为麦克斯韦方程组的形式．1．麦克斯韦方程组的微分形式流密度．2．麦克斯韦方程组的积分形式三个描述介质性质的方程式．对于各向同性介质来说,有：=εrε0=μrμ0=σ式中εr,μr和σ分别是介质的相对介电常数相对磁导率和电导率．总结麦克斯韦提出的涡旋电场和位移电流假说的核心思想是：变化的磁场可以激发涡旋电场,变化的电场可以激发涡旋磁场；电场和磁场不是彼此孤立的,它们相互联系、相互激发组成一个统一的电磁场.麦克斯韦进一步将电场和磁场的所有规律综合起来,建立了完整的电磁场理论体系.。
自学成才的电学大师法拉第-名人故事
自学成才的电学大师法拉第-名人故事科学能使人高尚而亲切（１７９１－１８６７）从１８世纪中期到１９世纪末期，是近代科学的开展时期。
这一时期除了天文学和力学之外，许多学科都开始有糸统的开展。
电磁学理论更是异军突起。
在电学研究队伍中，有一位屡建奇功的天才，这就是英国化学家和物理学家迈克尔·法拉第。
报童－－学徒－－仆人法拉第于１７９１年出生在英国伦敦附近的一个小村里。
他的父亲是个铁匠，体弱多病，收入微薄，仅能勉强维持生活的温饱。
但是父亲非常注意对孩子们的教育，要他们勤劳朴实，不要贪图金钱地位，要做一个正直的人。
这对法拉第的思想和性格产生了很大的影响。
由于贫困，法拉第家里无法供他上学，因而法拉第幼年时没有受过正规教育，只读了两年中小学。
１２岁那年，为生计所迫，他上街头当了报童。
第二年又到一个书商兼订书匠的家里当学徒。
订书店里书籍堆积如山，法拉第带着强烈的求知欲望，如饥似渴地阅读各类书籍，汲取了许多自然科学方面的知识，尤其是《大英百科全书》中关于电学的文章，强烈地吸引着他。
他努力地将书本知识付诸实践，利用废旧物品制作静电起电机，进行简单的化学和物理实验。
他还与青年朋友们建立了一个学习小组，常常在一起讨论问习题，交换思想。
重视实践尤其是科学实验的特点，在法拉第一生的科学活动中贯彻始终。
法拉第不放过任何一个学习的时机，在哥哥的赞助下，他有幸参加了学者塔特姆领导的青年科学组织－－伦敦城哲学会。
通过一些活动，他初步掌握了物理、化学、天文、地质、气象等方面的基础知识，为以后的研究工作打下了良好基础。
法拉第的好学精神感动了一位书店的老主顾，在他的帮助下，法拉第有幸聆听了著名化学家戴维的演讲。
他把演讲内容全部记录下来并整理清楚，回去和朋友们认真讨论研究。
他还把整理好的演讲记录送给戴维，并且附信，表明自己愿意献身科学事业。
结果他如愿以偿。
２２岁上做了戴维的实验助手。
从此，法拉第开始了他的科学生涯。
戴维虽然在科学上有许多了不起的奉献，但他说，我对科学最大的奉献是发现了法拉第。
电磁学理论的建立
电磁学理论的建立电磁学理论的建立“Electricity”（电）这个单词起源于希腊文的“琥珀”。
中国西晋时期，《博物志》中也有摩擦起电的记载。
电和磁的利用跟人类生产和生活的联系非常紧密，电学和磁学的研究促进了世界科学技术的迅猛发展，电磁学直接推动着社会的进步。
静电学的发展自 1660年盖里克发明摩擦起电机后，电现象的研究变得可行了。
1720年，格雷发现了导体与绝缘体，发现了导体的静电感应现象。
1733年，杜菲经过实验区分出两种电荷，他分别称之为松脂电（即负电）和玻璃电（即正电），并由此总结出静电相互作用的基本特征：同性相斥，异性相吸。
莱顿瓶的发明使得电现象的研究更加深入。
富兰克林发现了尖端放电，发明了避雷针，研究了雷电现象，并从莱顿瓶的研究中，提出了电荷守恒原理。
后来康顿在1734年用电流体假说解释了静电感应现象。
至此，静电力基本特性、电荷守恒和静电感应这三条静电学基本原理已经建立。
1760年，D·伯努利首先猜测：电力会不会也跟万有引力一样，服从平方反比定律？1767年普利斯特利猜测电荷间的相互作用应该与引力规律有相似的特点。
1785年，库仑利用扭秤试验总结出：真空中两个静止的点电荷之间的作用力与它们的电荷量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反的伏打电堆。
把锌片和铜片插入盐水或稀酸杯中，也可以形成电源，叫做伏打电池。
伏打电堆（电池）的发明，提供了产生恒定电流的电源，使人们有可能从各方面研究电流的各种效应。
1821年塞贝克发明温差电偶，电源性能更加稳定了。
从此，电学进人了一个飞速发展的时期——研究电流和电磁效应的新时期。
电和磁的联系1731年有一名英国商人描述，雷闪过后，他的一箱新刀叉竟带上了磁性。
1751年富兰克林发现在莱顿瓶放电后，针被磁化了。
电真的会产生磁吗？1774年，这个疑问促使德国一家研究机构悬奖征解，题目是：“电力和磁力是否存在实际和物理的相似性？”丹麦物理学家奥斯特信奉康德的哲学，认为自然界各种基本力是可以相互转化的。
麦克斯韦(1831-1879) 英国物理学家。经典电磁理论的奠
Maxell方程组
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。①提 出了有旋场、位移电流的 概念, 建立了经典电磁理 论；②预言了以光速传播 的电磁波的存在。 ③在 气体动理论方面, 提出了 气体分子按速率分布的统 计规律。
1865年麦克斯韦在总结前人工作的基
L S2
L
-
S2
+ + + +
I
dD + - dt +
I
jc -
D
+ + jc +
dq d(S ) d Ic S dt dt dt d dD d jc D dt dt dt
B
A I
D SD
D jd t
dD d D Ic S dt dt
础上，提出完整的电磁场理论。他的主要 贡献是提出了“有旋电场”和“位移电流” 两个假设，从而预言了电磁波的存在，并 计算出电磁波的速度（即光速）。
c 1 1 8.85 10 12 4 10 7 2.9994 10 12
0 0
1888年赫兹的实验证实了他的预言。麦克斯韦 理论奠定了经典动力学的基础，为无线电技术和现
I d 1.1A
5
0 r dQ B 2 2 πR dt
代入数据计算得
B 1.1110 T
二
电磁场
麦克斯韦电磁场方程的积分形式
静电场高斯定理 静电场环流定理
稳衡磁场高斯定理
B ds 0
S
l
D ds q S E dl 0
l
人类历史最伟大的100位科学家
▲1927年第五次索尔维会议物理学家合影在人类历史中，能够在一起合照的伟大科学家很少，1927年第五次索尔维会议是为数不多的一次，但今天我们要一起看更多的科学家虽然有些科学家难以在一起合照，但我们却可以将其放在一起，向影响世界历史的100位科学家致以最崇高的敬意，其中有4位是中国人1. 泰勒斯：科学之祖，古希腊时期的思想家、科学家、哲学家，他是第一个提出“世界的本原是什么？”▲泰勒斯2. 毕达哥拉斯：“万物皆数”的创立者，古希腊数学家、哲学家。
▲毕达哥拉斯3. 欧几里德：几何学之父，古希腊著名数学家，著有《几何原本》。
▲欧几里得4. 阿基米德：力学之父，伟大的古希腊哲学家、百科式科学家、数学家、物理学家、力学家，静态力学和流体静力学的奠基人，并且享有“力学之父”的美称，阿基米德和高斯、牛顿并列为世界三大数学家。
▲阿基米德5. 李时珍：明代“医圣”，著有《濒湖脉学》《奇经八脉考》《本草纲目》。
本草纲目共五十二卷，刊于1590年。
全书共190多万字，载有药物1892种，收集医方11096个，绘制精美插图1160幅，分为16部、60类，是中国古典医学集大成者。
▲李时珍▲本草纲目6. 哥白尼：日心说的创立者，是文艺复兴时期的波兰天文学家、数学家、教会法博士、神父。
▲哥白尼7. 维萨里：科学解剖学的奠基人，著名医生、解剖学家，近代人体解剖学的创始人，与哥白尼齐名，是科学革命的两大代表人物之一。
▲维萨里8. 韦达：代数符号之父，法国数学家。
▲韦达9. 伽利略：近代实验科学的奠基者，意大利数学家、物理学家、天文学家，科学革命的先驱，伽利略还发明了摆针和温度计。
▲伽利略10. 开普勒：天空立法者，德国杰出的天文学家、物理学家、数学家。
▲开普勒11. 哈维：血液循环的发现者，英国17世纪著名的生理学家和医生。
12. 笛卡尔：近代科学始祖，法国著名哲学家、物理学家、数学家、神学家。
13. 波义耳：近代化学之父，英国化学家。
经典电磁场理论的建立和发展及其重要意义
经典电磁场理论的建立和发展及其重要意义电子13班肖青秀2110501112电磁场理论的产生是物理学史上划时代的里程碑之一，电磁场理论体系的核心是麦克斯韦方程组，麦克斯韦全面总结电磁学研究的全部成果，建立完整的电磁场理论体系，完成物理学的又一次大综合，他的理论成果为现代无线电电子工业奠定理论基础。
1 经典电磁场理论体系完整的电磁场理论包括：1）麦克斯韦方程组：它是在库仑定律、毕奥-萨法尔定律、法拉第电磁感应定律以及麦克斯韦提出位移电流假说的基础上建立起来的。
它反映了电磁场的运动规律。
变化的电场和磁场可以互相激发而在空间独立存在。
由此，麦克斯韦预言了电磁波的存在，并预言了光是一种电磁波。
不随时间变化，则为静态场。
若电磁场的若电磁场很慢，则为拟稳场，说明市电在小尺度上可以用直流电路的计算方法。
麦克斯韦方程组的建立是物理系史上的第三次大综合。
2）洛伦兹力密度公式：它反映了电荷、电流受到的电磁场的作用力。
3）电荷守恒定律：它反映了自然界中关于电荷守恒的一个基本规律。
4）介质的电磁性质方程：它反映了物质在电磁场的作用下的性质，还反映了介质的结构。
以上四点构成了完整的电磁场理论。
经典电磁场理论体系的核心是麦克斯韦方程组。
在方程组中，电场和磁场相互联系、相互激发组成一个统一的电磁场。
麦克斯韦方程组的积分形式：其中：1）式描述了电场的性质，即电场的高斯定理。
2）式描述了磁场的性质，即磁场的高斯定理。
3）式描述了变化的磁场激发感生电场的规律。
4）式描述了变化的电场激发磁场的规律。
此外，还要加上电磁场量和表征介质电磁特性的量之间的关系：麦克斯韦方程组概括了电磁场的基本性质和规律，构成完整的经典电磁场理论体系，它不仅是整个宏观电磁理论的基础，而且也是许多现代电磁技术的理论基础。
麦克斯韦的电磁理论充分体现了物理概念创新、逻辑体系严密、数学形式简单优美、电场与磁场以及时间与空间的明显对称等明显的特点。
2 经典电磁场理论建立的过程以麦克斯韦方程组为核心的经典电磁理论，是由伟大的英国科学家麦克斯韦提出的，但在该理论建立的过程中凝结着无数各国科学工作者的科研成果，探究经典电磁场理论建立的过程及指导思想对科学探索研究仍然具有重要作用。
经典电磁场理论的建立
（1） 式中是被感电流的线元，积分沿被感电流回路进行，而矢量A定义为：
（2） 式中A是一个电流的位置函数，纽曼称之为电动力学势。
2、麦克斯韦的电磁场理论
19世纪最伟大的理论物理学家，经典电磁场论的奠基人麦克斯韦， 于1854年在英国剑桥大学毕业。起初，他研究的领域是关于色散理论； 在开尔文勋爵的影响下，麦克斯韦进入了电磁学领域，开始从事电磁场 的理论研究工作；他首先认真地通读了法拉第的三卷论文集《电学的实 验研究》，麦克斯韦继承了法拉第彻底的近距作用思想，坚定了以近距 作用的场观念来研究电磁现象的信念，并大量阅读了开尔文勋爵的工 作，以及高斯（Gauss）、格林（Green）、泊松（Poisson）、斯托克斯 （Stokes）等人的有关论述，领会了类比研究的方法，掌握了当时已有 的数学工具。对于当时已经建立的以安培、纽曼、韦伯为代表的大陆派 超距作用电磁理论，麦克斯韦一方面给予应有的肯定，同时也深刻地洞
察了其中的内在矛盾和困难。从1855年到1865年，麦克斯韦终于建立起 完整的电磁场理论，完成了毕生最重要的贡献。麦克斯韦建立电磁场理 论的工作集中反映在他的三篇著名电磁学论文中，即1855～1856年的 《论法拉第力线》，1861～1862年的《论物理力线》，以及1865年的 《电磁场的动力学理论》。
1846年，韦伯在安培定律的基础上提出了所谓的韦伯电作用定律， 为了建立超距作用的统一电磁理论，韦伯认为，运动电荷之间除了库仑 力外，还存在着由于电荷运动而产生的另一类相互作用力，后人称之为 韦伯力。韦伯根据原始的安培公式，导出两运动电荷与之间的相互作用 力为：
麦克斯韦电磁场理论的建立
（四）、麦克斯韦成功的基 本要素
1.寻找不同现象之间的 联系，对电光磁建立了统一 的理论解释。
2.在科学发现中重视科 学方法的应用。
麦克斯韦曾写道：“为 了采用某种物理知识而获得 物理思想，我们应当了解物 理相似性的存在。……利用 这种类似，可以用其中之一， 说明其中之二。”
3.想象力丰富，大胆猜测假设。 科学家也需要幻想，幻想不只是文学家的
（三）、科学成就总结 麦克斯韦自幼聪颖，15岁就发表过数学论文，一 生从事过许多方面的物理学研究工作:
1．麦克斯韦在物理学中的最大贡献是建立了统一的 经典电磁场理论和光的电磁理论，预言了电磁波 的存在。1873年，麦克斯韦完成巨著《电磁学通 论》，这是一部可以同牛顿的《自然哲学的数学 原理》相媲美的书，具有划时代的意义。
在其短暂的生涯中，麦克斯韦迈出了物理学中 从未有人走过的最重要的几步，他的成就无论在 深度和广度上都可以和爱因斯坦相比拟，甚至难 以想象，如果不是受到麦克斯韦工作的启发，爱 因斯坦会取得那么巨大的成功。
爱因斯坦在自传中说：“在我求学的时代， 最吸引人的题目就是麦克斯韦的理论”，“特 殊的相对论起原于麦克斯韦的电磁场方程”。 1931年，在纪念麦克斯韦诞生100周年时，爱因 斯坦把麦克斯韦的电磁场贡献评价为“自牛顿 时代”以来物理学所经历的最深刻最有成效的 变化。”
构，揭示了电场和磁场内在的完美对称。 《电磁学通论》是人类第一个有关经典场论 的不朽之作。
1874年，麦克斯韦任卡文迪什实验室首 任主任.
临终之际，他仍坚信自己的预言——电 磁波理论，一定会插上翅膀飞向全球。
微分形式
H
J
Dபைடு நூலகம்
t
E
B
t
B 0
《电磁场理论》
米波
微波
分米波 厘米波 毫米波
200～ 50m
50～10m 10～1m
100～ 10cm
10～ 1cm
1～ 0.1cm
1.5～ 6MHz
6～ 30MHz
30～ 300 MHz
300～ 3000 MHz
3000～ 30000 MHz
30000 ～
300000 MHz
电报通 信
无线电 广播和 电报通 信
自由电荷的代数和。
二、电场（静电场和感应电场）的环路定理：
LEdl SB t dS ( 2 ) （ 变 化 的 磁 场 一 定 伴 随 有 电 场 ）
电场强度沿任意闭合曲线的线积分等于以该曲线为边线的曲面 的磁通量的变化率的负值。 三、磁场的高斯定理：
B d S0
( 3 ) （ 磁 感 应 线 是 无 头 无 尾 的 ）
.
例1.一圆形平行板电容器，两极板的半径为a。设其
正在充放电，电荷按规律Q=Qosint变化，忽略
边缘效应。求：两极板间任意点的 jD 和 I d ？
解：(1)平行板之间的电场为：
a
D=
Q S
jD
D t
1 S
Q t
SQocos t
jD均匀分布在横截面上，与传导电流同向。
（2）位移电流强度：
IdjDSQ ocost
设单位体积中，电磁场质量为m，能量为w：w =mC2
m
w C2
1 (E2 H2)——质量密度
2C2
电磁场的动量密度： pw1E2H2 c 2c
.
16
作业： 习题六选1，5，填3，4，5，计2，3，4（例），5
.
I
L
S2 S1
经典电磁场理论的建立
经典电磁场理论的建立1820年4月，奥斯特发现了电流的磁效应，这标志着电磁学的开始。
法国数学家安培，借助于库仑定律与万有引力定律的惊人相似性，便把引力领域的超距论思想移接到电磁领域中来，并于1820～1827年创立了大陆派超距论电动力学体系。
1831年，法拉第发现电磁感应定律，对超距论电动力学提出了第一次挑战；安培运用自己建立的超距论电动力学对法拉第电磁感应现象解释时，显得力不从心。
1837～1838年，法拉第又初步提出场的概念，接着于1851年提出了电磁场论的思想。
1845～1846年，德国物理学家纽曼（F ．E ．Neumann ，1798～1895）和韦伯（W ．Weber ，1804～1890）发展了安培电动力学体系，并成功地解释了电磁感应现象。
1861～1865年，英国物理学家麦克斯韦（J ．C ．Maxwell ，1831～1879）提出电位移和位移电流的概念，对超距论电动力学提出了第二次挑战，并从理论上预言电磁波的存在，建立了著名的麦克斯韦方程组。
德国实验物理学家赫兹（H ．Hertz ，），于1886～1888年证实了麦克斯韦预言的所有方面，从而彻底否定电磁超距论思想，导致了无线电的诞生，开辟了电磁波通讯的新纪元。
1、大陆派超距作用电磁理论法国物理学家安培仿照力学的理论结构，建立电磁超距有心力作用理论，他把自己的理论取名为“电动力学”。
安培的电动力学解释当时所知道的一切电磁现象的确十分出色；但在运用于解释1831年法拉第发现的电磁感应现象时却遇到了麻烦。
1845年，德国的纽曼发展了安培电动力学的超距有心力思想，并成功地解释了电磁感应定律。
纽曼考虑了两个载流线圈的情况，他把其中一个叫施感线圈，另一个叫被感线圈。
当施感电流线圈运动时，两个线圈的相互作用将发生变化，他假设被感线圈中的感应电动势与两线圈相互作用能的变化率成正比，并根据楞次定律而加上一个负号，于是：⎰⋅∂∂-=l d tA ε （1） 式中dl 是被感电流的线元，积分沿被感电流回路l 进行，而矢量A 定义为：⎰''=rl d i A （2） 式中A 是一个电流的位置函数，纽曼称之为电动力学势。
经典电磁场理论
经典电磁场理论
经典电磁场理论是19世纪末欧洲物理学家詹姆斯·克拉克、吉灵·库伦及爱因斯坦
在1864年以《辐射的应力与动力的定律的物理和数学证明》开展的发展。
这套理论阐述
了电磁场的基本构成，以及由电磁场和电磁力作用于电荷构成的物理过程。
这些理论是在20世纪发展起来的最早期电磁学理论基础上建立起来的。
电磁场理论中假定以下假设：在某一立体空间中，任何一点可以被认为是激发有一个
电磁性域；电场力和磁场力联合作用，它们之间具有双重方向的作用；在空间中由电
fill作用产生的电磁力能够在任何距离内传播，受到振荡效应影响时也是如此；有一个大辐射定律，即电磁场力辐射定律，它根据频率，所将传播的波频率越高，传播距离越长，
其辐射量也越大。
经典电磁场理论还假定电磁场以某种无可知限性的方式，以某种不变性的本质来进行
联系，其实义上的作用是将一个地区的电磁场完整地建立起来，彼此相互联系、交叉联系，以形成一个巨大的、特异的电磁场网络。
经典电磁场理论的数学模型设定了构成电磁场的常数和物理量，其电磁法则上不能有
矛盾。
克拉克曼定律、量子力学、库伦均方定律等均可归于此理论，并在广泛应用于电磁
学中，和驱动电能、电磁波和磁性技术等领域。
此外，经典电磁场理论还为当今社会提供
了商业应用，如通信技术、电磁脉冲和无线能源输送等技术都可以基于经典电磁场理论研
究和探索。
大学物理ppt之经典电磁理论的创始人——麦克斯韦
力线理论
1862年，麦克斯韦完成了论文《论物理的力线》，麦克斯 韦的物理力线理论就在于把磁场中的转动这一假说从寻常 的物质推广到了以太。他考虑了深置于不可压缩流体中涡 旋的排列。在正常情况下，压强在各方向是相同的，但转 动引起的离心力使每一涡旋发生纵向收缩并施加经向压强， 这正模拟了法拉第力线学说中所提的应力分布。由于使每 一涡旋的角速度同局部磁场强度成正比，麦克斯韦得出了 同已有的关于磁体、稳恒电流及抗磁体之间力的理论完全 相同的公式。根据流体的观察实验，麦克斯韦认为各涡旋 之所以能沿同一指向自由转动，是因为各涡旋由一层微小 的粒子同与它相邻的涡旋格开，这种粒子与电完全相同。 1863年，他在别人的帮助下完成了他的第三篇论文《论电 学量的基本关系》，这是麦克斯韦电学研究中迈出的重要 一步，在以往却常常被人忽视。在这篇论文里，他推广傅 立叶在热的理论中开始的程序，宣布了同质量、长度、时 间度有关的电学量和磁学量的定义，以便于提供对那种二 元的电学单位制的第一个最完整透彻的说明。他引入了成 为标准的记号，把量纲关系表示为用括弧括起来的质量、 长度、时间量度的幂的乘积，带有各自的无量纲的乘数。 在这一年，麦克斯韦已经找到了在电磁量与光速之间的一 个纯唯象性质的环节。
前 人 的 研 究
奥斯特
安培
麦克斯韦的电学研究始于1854年，当时他刚从剑桥毕业不过几 星期。他读到了法拉第的《电学实验研究》，立即被书中新颖 的实验和见解吸引住了。在当时人们对法拉第的观点和理论看 法不一，有不少非议。最主要原因就是当时“超距作用”的传 统观念影响很深。另一方面的原因就是法拉第的理论的严谨性 还不够。法拉第是实验大师，有着常人所不及之处，但唯独欠 缺数学功力，所以他的创见都是以直观形式来表达的。一般的 物理学家恪守牛顿的物理学理论，对法拉第的学说感到不可思 议。有位天文学家曾公开宣称：“谁要在确定的超距作用和模 糊不清的力线观念中有所迟疑，那就是对牛顿的亵渎！”在剑 桥的学者中，这种分歧也相当明显。汤姆逊也是剑桥里一名很 有见识的学者之一。麦克斯韦对他敬佩不已，特意给汤姆逊写 信，向他求教有关电学的知识。汤姆逊比麦克斯韦大7岁，对麦 克斯韦从事电学研究给予过极大的帮助。在汤姆逊的指导下， 麦克斯韦得到启示，相信法拉第的新论中有着不为人所了解的 真理。认真地研究了法拉第的著作后，他感受到力线思想的宝 贵价值，也看到法拉第在定性表述上的弱点。于是这个刚刚毕 业的青年科学家决定用数学来弥补这一点。1855年麦克斯韦发 表了第一篇关于电磁学的论文《论法拉第的力线》。
麦克斯韦电磁理论的建立及其意义
麦克斯韦电磁理论的建立及其意义麦克斯韦电磁理论的产生揭示了电磁现象的基本属性，确立了电荷、电流与电场、磁场之间的普遍联系。
本文介绍了麦克斯韦电磁理论产生的理论背景及其在物理学中的重要地位。
标签：麦克斯韦电磁理论；建立；意义虽然人们很早就发现了电现象和磁现象，但是很久以来，电和磁的本质是什么，人们并不清楚，并认为这两种现象是无关联的。
直到19世纪麦克斯韦电磁理论建立后，人们才对电和磁的本质以及它们之间的关系有所了解。
麦克斯韦电磁理论的建立在物理学史上具有重大意义，是19世纪物理学上最伟大的成就之一，其建立了电荷、电流和电场之间的普遍联系。
爱因斯坦曾在《麦克斯韦对物理实在观念发展的影响》一文中写到：“自从牛顿奠定理论物理学的基础以来，物理学的公理基础——换句话就是我们关于实在的结构的概念——的伟大的变革是由法拉第和麦克斯韦在电磁现象方面的工作所引起的”。
1 麦克斯韦电磁理论的建立1820年奥斯特发现了电流的磁效应，通过实验得出了“运动电荷产生磁现象”的结论，人们认识到电和磁并不是两种孤立的物理现象，而是有着密切的关联。
同年安培发现磁铁对载流导体有作用力，从而得出了“磁对运动电荷产生作用力”的结论。
那么，既然电能产生磁，磁能产生电吗？法拉第经过多年的实验观察研究，于1831年发现把一根磁棒放入或移出螺线管，就会在其中产生电流，这就是著名的磁电感应现象。
这一发现在科学史上具有重大意义，它揭示了电与磁相互联系和转化的重要条件。
法拉第是一位伟大的实验物理学家，他的研究方法主要是通过实验来检验推动他的科学思想，其研究成果没有通过严谨的数学语言形式化，只是用自然语言把物理现象表述出来。
麦克斯韦对法拉第电磁学的研究成果非常感兴趣，他致力于从数学上阐述电磁理论。
1855年他发表了《论法拉第力线》一文，文中第1部分将力线和不可压缩流体进行类比，把流体力学中的数学工具移用到电磁理论中，用通量、环流、散度、旋度等具有明确定义的量来定量描述抽象的电场、磁场在空间中的变化情况。
12.5 麦克斯韦电磁场理论简介
12.5 麦克斯韦电磁场理论简介 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。 提出涡旋电场 和位移电流概念， 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。
大学物理 第三次修订本
1
第12章 电磁感应与电磁场
大学物理 第三次修订本
2
第12章 电磁感应与电磁场
问题的提出 在由电容器构成的放电回路中 由安培环路定理 S1
L
S2
R
H dl I
l
j dS
s
I
对曲面S1 对曲面S2
H dl I
l
H dl 0
l
矛 盾
在非稳恒电流的磁场中, 对同一环路积 分选取不同的曲面时，环流的值不同。
B
dΦe dt
A I
Φ e SD
S
d dt
4
大学物理 第三次修订本
第12章 电磁感应与电磁场
比较
jc
Ic S
d dt
d dt
dD dt
d dt
d D -
dΦe dt
S
d dt
I
+ + +j jc + D + c - dt
麦克斯韦引入位移电流 位移电流密度 位移电流强度
大学物理 第三次修订本
3
第12章 电磁感应与电磁场
一、 位移电流 设电容器的面积为S, 传导电流为 d d dq Ic
S
dt
dt
jc
dD
dt
在电容器放电时, 极板 上的 面电荷密度 与电位移 矢量相等, 并随时间变化。
- 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)。
经典电磁理论的建立
在古代，人们对静电和静磁现象已分别有一些认识，但从这门学科的发展来看，直到十八世纪末十九世纪初，电和磁之间的联系才被揭露出来，并逐步发展成为一门新的学科——电磁学。
电磁学的发展之所以比较晚，主要是由于电磁学的研究需要借助于更为精密的仪器和更精确的实验方法，而这些条件只有生产发展到一定水平之后才能具备。
首先对于电和磁现象进行系统地实验研究的是英国的威廉·吉尔伯特。
他通过一系列的实验认识到电力和磁力是性质不同的两种力。
例如，磁力只对天然磁石起作用，而电力能作用于许多材料。
他第一个将琥珀与毛皮摩擦后吸引轻小物体的性质叫做“电”。
吉尔伯特这种关于电和磁在本质上不同的观点，给后来的电磁学的发展留下了深刻的影响，直至十九世纪初，许多科学家都把这两种现象看作是毫无联系的。
吉尔伯特之后的整个十七世纪，对电和磁的研究进展不大。
到了十八世纪四十年代，起电装置的改善和大气现象的研究，引起了物理学家的极大兴趣。
1745年荷兰莱顿大学的马森布罗克(1692～1761)和德国的克莱斯德(1700～1748)各自发明了“蓄电”的最早器具——莱顿瓶。
1752年7月，美国的富兰克林进行了一次震动世界的吸取天电的风筝实验，从而使人们认识到天空的闪电和地面上的莱顿瓶放电现象是一致的。
富兰克林还提出了电荷守恒的思想和电的“单流质”说，他认为一个物体所带的电流质是一个常量，如果流质在一个物体比常量多，就带负电，比常量少就带正电。
他在风筝实验的基础上，发明了“避雷针”。
由于他在电学方面做出了杰出贡献，而被誉为近代电学的奠基人。
我们知道，牛顿在发现万有引力的过程中，曾用数学方法证明过，如果引力随着引力中心距离的平方反比减少，一个均匀球壳对其内部的物体就没有引力的作用。
1775年，富兰克林发现将一小块软木块悬于带电的金属罐内并不受到电力的作用。
他的朋友普里斯特列(1733～1804)根据这个实验和牛顿对万有引力定律的数学证明推想电的作用力也遵守平方反比定律。
1771年，英国物理学家卡文迪许也用类似的实验和推理的方法对电力相互作用的规律进行了研究，他从实验得到电力与距离的n
比定
律。
库仑定律的发现为静电学奠定了理论基础。
通过西蒙·泊松(1781～1840)、高斯(1777～1855)和乔治·格林(1793～1841)等人的工作，确定了处理静电场和静磁场的数学方法。
十八世纪末，1780年意大利的医生和动物学教授伽伐尼(1737～1798)在解剖青蛙时，发现了电流，这是电学发展史上的一个转折点。
在伽伐尼发现的基础上，伏打于1800年制成伏打“电堆”，得到了比较强的电流，从而使人的认识由静电进入动电，由瞬时电流发展到恒定电流，为进一步研究电流运动的规律和电运动与其他运动形式的联系和转化创造了条件。
电池的出现立即引起了化学家的注意。
1807年，英国化学家戴维在电解水时发现生成的氢气和氧气体积之比为2∶1。
1834年法拉第发现了以他的名字命名的两个电解定律，为电化学的创立奠定了基础。
自古以来，电和磁一直被认为是两种彼此无关的现象。
富兰克林虽然在1751年就己发现莱顿瓶放电可以使铁磁化或退磁的现象，也曾有过闪电改变磁针的磁性强度和使小刀变成磁体的报导，但却没有人对电和磁之间的联系作过系统的研究。
德国自然哲学家谢林(1775～1845)认为世界上各种运动形式之间具有统一性，光、电、磁、化学力等都是相互联系的，是同一事物的不同侧面。
丹麦的奥斯特在谢林的这种思想的指导下，经过长期的研究于1820年发现了电流的磁效应。
奥斯特的发现初步揭开了电与磁的内在联系，为电磁学的迅速发展揭开了新的一页。
奥斯特的发现一公布，安培等人立即从事这方面的研究，很快就得到了确定电流磁效应的安培定则和电流之间相互作用力的定量规律，即安培定律和毕奥—萨伐尔—拉普拉斯定律。
“电动力学”这个名词也是安培首先提出来的。
安培还以分子电流的假说解释了物体的磁性。
1826年，德国物理学家欧姆利用电流的磁效应来量度电流强度，引入电阻的概念，得到了欧姆定律。
电可以转化为磁，那么磁是否也可以转化为电呢？进一步揭示电和磁之间辩证关系的最重要的研究是法拉第作出的。
他以现象间存在着普遍联系的观点为指导，于1822年提出了“把磁转化为电”的研究课题，他经过了十年坚持不懈的努力，在1831年从实验中发现变化的磁场可以产生感生电流，从而得到电磁感应定律。
接着楞次受到了法拉第、安培等人的启发，并作了一系列的实验，于1833年底得到了确定感生电流方向的楞次定律。
电磁感应的发现，是科学史上最伟大的发现之一，它揭示了自然界中的机械运动、磁运动、电运动并不是独立的，而是普遍地联系着的，是可以相互转化的。
这一发现在理论上为电磁场理论的诞生作好了最重要的准备；在实践上为电动机、发电机的发明制造奠定了基础，打开了通向电气时代的大门。
十九世纪六十年代，麦克斯韦于1855年到1865年间，总结了前人的成果，特别是总结了从库仑到安培、法拉第等人的电磁学的全部成果，并在前人工作的基础上提出了“位移电流”、“涡漩电场”等概念。
他认为不仅传导电流产生磁场，在空间变化的电场也会产生磁场，而变化的磁场不仅在导线中感生出电流，在无导体的空间也会产生感生电场，这样就得到了变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场的结论。
麦克斯韦以他的高度的抽象力和卓越的数学才华，于1864年，把纷繁复杂的电磁现象和电磁运动的一系列基本规律用四个偏微分组方程加以概括，建立了电动力学的基本运动方程——麦克斯韦方程组。
麦克斯韦电磁理论方程的建立，是从牛顿的引力场到爱因斯坦的相对论这段时期中物理学史上最重大的理论成就。
通过这些方程可以看出，自然界中由于电磁场的相互作用而存在着电磁波，从而揭示了电、磁、光现象的统一性，完成了经典物理学的第三次大综合。
电磁波存在的预言，直到1887年，才由德国人赫兹用实验予以证实。
他用一个感应圈产生高速振荡，近旁放一开口回路，当感应圈放电时，发现开口回路间隙也有火花跳过。
这样就证实了电磁波的存在。
他还证明了电磁波具有与光一样的传播速度及反射、折射、干涉、衍射、偏振等性质。
由于赫兹的出色的实验，麦克斯韦的理论得到了广泛的承认。