麦克斯韦与电磁理论

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,麦克斯韦与电磁理论,1,人物介绍,姆斯克拉克麦克斯韦，英国物理学家、数学家。科学史上，称牛顿把天上和地上的运动规律统一起来，是实现第一次大综合，麦克斯韦把电、光统一起来，是实现第二次大综合，因此应与牛顿齐名。1873年出版的论电和磁，也被尊为继牛顿自然哲学的数学原理之后的一部最重要的物理学经典。没有电磁学就没有现代电工学，也就不可能有现代文明。,2,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”,3,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,第二阶段：提出位移电流概念,第三阶段：揭示电磁场动力学本质,4,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,5,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著作中，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,6,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著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,1868年，麦克斯韦发表了一篇论文关于光的电磁理论，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著作论电和磁在这部著作中，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,7,麦克斯韦方程组,麦克斯韦电磁场理论的核心思想是：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。这个电磁场理论体系的核心就是麦克斯韦方程组。,麦克斯韦方程组发表在著名论文电磁场的动力学理论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,8,麦克斯韦方程组是由四个微分方程构成：,（1）描述了电场的性质。在一般情况下，电场可以是库仑电场也可以是变化磁场激发的感应电场，而感应电场是涡旋场，它的电位移线是闭合的，对封闭曲面的通量无贡献。,（2）描述了磁场的性质。磁场可以由传导电流激发，也可以由变化电场的位移电流所激发，它们的磁场都是涡旋场，磁感应线都是闭合线，对封闭曲面的通量无贡献。,（3）描述了变化的磁场激发电场的规律。,（4）描述了变化的电场激发磁场的规律。,9,麦克斯韦方程都是用微积分表述的，涉及到的方程包括：,1.安培环路定理，就是磁场强度沿任意回路的环量等于环路所包围电流的代数和。,2.法拉第电磁感应定律，即电磁场互相转化，电场强度的旋度等于磁感应强度对时间的负偏导。,3.磁通连续性定理，即磁力线永远是闭合的，磁场没有标量的源，麦克斯韦表述是：对磁感应强度求散度为零。,4.高斯定理，穿过任意闭合面的电位移通量，等于该闭合面内部的总电荷量。麦克斯韦：电位移的散度等于电荷密度。,10,麦克斯韦方程组的微分形式,流密度,流密度,流密度,11,麦克斯韦方程组的积分形式,12,谢谢,13,