ch1-1-麦克斯韦方程

第一章引言1.11.21.7

第三章麦克斯韦方程3.1主题：电磁运动规律的实践经验总结 ——麦克斯韦方程（积分形式）电磁场理论发展简史

1．电磁场理论的早期研究

电、磁现象是大自然最重要的物理现象，也最早被科学家们关心和研究的物理现象，其中贡献最大的有来顿、富兰克林、伏打等科学家。19世纪以前，电、磁现象作为两个独立的物理现象，没有发现电与磁的联系。但是这些研究为电磁学理论的建立奠定了基础。2．电磁场理论的建立18世纪末期，德国哲学家谢林认为，宇宙是有活力的，而不是僵死的。他认为电就是宇宙的活力，是宇宙的灵魂；电、磁、光、热是相互联系的。奥斯特是谢林的信徒，他从1807年开始研究电磁之间的关系。1820年，他发现电流以力作用于磁针。安培发现作用力的方向和电流的方向以及磁针到通过电流的导线的垂直线方向相互垂直，并定量建立了若干数学公式。法拉第相信电、磁、光、热是相互联系的。奥斯特1820年发现电流以力作用于磁针后，法拉第敏锐地意识到磁也一定能够对电产生影响。1821年他开始探索磁生电的实验。1831年他发现，当磁捧插入导体线圈时；导线圈中就产生电流。这表明，电与磁之间存在着密切的联系。

麦克斯韦深入研究并探讨了电与磁之间发生作用的问题，发展了场的概念。在法拉第实验的基础上，总结了宏观电磁现象的规律，引进位移电流的概念，提出了一组描述电磁现象的规律偏微分方程，即麦克斯韦方程组，是经典电磁学的基本方程。Maxwell1873年Maxwell的巨著“ATreatiseofElectricityandMagnetism”预言电磁波的存在3．电磁场理论的应用和发展

1887年，德国科学家赫兹用火花隙激励一个环状天线，用另一个带隙的环状天线接收，证实了麦克斯韦关于电磁波存在的预言，这一重要的实验导致了后来无线电报的发明。从此开始了电磁场理论应用与发展时代，成为当代最活跃的学科领域。Hertz实验装置1888年Hertz实验证明电磁波的存在无线电报

1895年，意大利马可尼成功地进行了2.5公里距离的无线电报传送实验。1896年，波波夫进行了约250米距离的类似试验,1899年,无线电报跨越英吉利海峡的试验成功；1901年，跨越大西洋的3200公里距离的试验成功。开始了利用电磁波进行信息传输的时代。马可尼以其在无线电报等领域的成就，获得1909年的诺贝尔物理学奖。有线电话1876年,美国科学家贝尔在美国建国100周年博览会上展示了他所发明的有线电话。此后,有线电话便迅速普及开来。

广播

1906年，美国费森登用50千赫频率发电机作发射机，用微音器接入天线实现调制，使大西洋航船上的报务员听到了他从波士顿播出的音乐。1919年，第一个定时播发语言和音乐的无线电广播电台在英国建成。次年，在美国的匹兹堡城又建成一座无线电广播电台。电视1884年，德国尼普科夫提出机械扫描电视的设想，1927年，英国贝尔德成功地用电话线路把图像从伦敦传至大西洋中的船上。兹沃霄金在1923年和1924年相继发明了摄像管和显像管。1931年，世界上第一个全电子电视系统出现。雷达（RadioDetectionandRanging）1922年，意大利科学家G·马可尼发表了无线电波能检测物体的论文，是雷达最早的基本概念。雷达作为一种探测目标的电子设备，产生于二次世界大战。雷达的英文

RADAR是RadioDetectionAndRanging的缩写，意为“无线电探测和测距”。1936年，英国的瓦特设计的警戒雷达最先投入了运行。有效地警戒了来自德国的轰炸机。1938年，美国研制成第一部能指挥火炮射击的火炮控制雷达。1940年，多腔磁控管的发明，微波雷达的研制成为可能。1944年，自动跟踪飞机的雷达研制成功，1945年，能消除背景干扰显示运动目标的显示技术发明,使雷达更加完善。在整个第二次世界大战期间,雷达成了电磁场理论最活跃的部分。卫星通信技术1958年,美国发射低轨的“斯科尔”卫星成功,这是第一颗用于通信的试验卫星。1964年,借助定点的同步通信卫星首次实现了美、欧、非三大洲的通信和电视转播。1965年,第一颗商用定点同步卫星投入运行。1969年,大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定点同步通信卫星,卫星地球站已遍布世界各国，这些卫星地球站又和本国或本地区的通信网接通。卫星通信经历10年的发展终趋于成熟。卫星定位技术（NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem－GPS）1957年卫星发射成功后，以卫星为基地对地球表面及近地空间目标的定位和导航成为可能。1958年底，美国开始研究实施这一计划，于1964年研究成功子午仪卫星导航系统。1973年美国提出了由24颗卫星组成的实用系统新方案，即GPS计划，1990年最终的GPS方案是由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。EManywhereanytime任何时候、任何地方都有电磁场与电磁波人类社会、人们生活离不开电磁场与电磁波网络上的信息都是通过电磁波这个载体传播的请列举电磁场与电磁波的应用实例。

三大类应用问题◆

电磁场（或电磁波）作为能量的一种形式，是当今世界最重要的能源，其研究领域涉及电磁能的产生、储存、变换、传输和综合利用◆电磁波作为信息传输的载体，成为当今社会发布和获取信息的主要手段，主要研究领域为信息的产生、获取、交换、传输、储存、处理、再现和综合利用◆电磁波作为探测未知世界的一种重要手段，主要研究领域为电磁波与目标的相互作用特性、目标探测及其特征的获取应用：通信网系统低速率服务(<32KB/s)宽带主干网低速率服务(<12KB/s)微蜂窝微蜂窝微蜂窝高速数据(>10MB/s)光纤主干网宏蜂窝宽带主干网宽带主干网陆上微波中继应用：微波炉微波炉中的磁控管将50Hz的市电功率转换为微波功率（一般工作频率2450MHz），再用微波对食物加热。电磁概论电磁运动三大特点：1.电磁波有能量2.电磁波从一点传播到另一点有时间延迟，即电磁波以一定速度传播，其传输速度等于光速3.在线性介质中，电磁波传播满足线性叠加原理电磁场与电磁波的描述场量

电场强度E （V/m） 电通量密度（或电位移）D（C/m2） 磁通量密度（或磁感应强度）B

（Wb/m2） 磁场强度H （A/m）真空中 D=0E B=µ0H

0真空介电常数0=8.854×10-12法拉/米（F/m）

µ0真空磁导率µ0=4π×10-7亨利/米（H/m）一般介质中D=E，=r0,r---介质相对介电常数 B=µH，µ=µrµ0,µr---介质相对磁导率人们通过什么途径认识这4个场量？电场与磁场的图解表示电场线磁场线+Qr0+Qr0E图1-8z方向恒定电流产生的磁场图1-3(a)点电荷+Q产生的电场;(b)点电荷Q产生的电场线图电偶极子与磁偶极子电偶极子y+q–qzxd–磁偶极子电磁运动规律的实验总结

1.高斯定理或库仑定律电场线从正电荷出发终止于负电荷，电场线有头有尾，不自行闭合。穿出任一闭曲面S电场线数等于闭曲面S包围的体积V中的电荷Q2.磁通连续性原理磁场线无头无尾，总是一闭合曲线，因此穿过任一闭曲面的磁场线数总是等于零的。3.法拉第定律穿过闭合导线l所包围的面积的磁通量m随时间变化，则会感应一个电动势eemfeemf的大小等于穿过闭合导线l所包围面积S的磁通量随时间变化率的负数，即随时间增加图3-3穿过闭合导线l的磁通量随时间变化会感应一个电动势l4.推广的安培定律磁场强度H沿闭合曲线l的线积分 等于穿过闭合曲线l所包围的面积S的电流I推广的安培定律成功地解释了电容器回路电流连续推广的安培定律位移电流密度麦克斯韦方程－积分形式从这四个方程麦克斯韦预言电磁波的存在。赫兹实验证明电磁波的存在，因此麦克斯韦引入位移电流