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电磁现象普遍规律
本章要点概述
? 1.1麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式
? 以电荷守恒定律、库仑定律、安培定律、毕奥一萨伐尔定律和法拉第定律为主要实验基础的麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式,集中地反映了电磁相互作用的普遍规律,是电动力学最主要的理论基础.? 电荷守恒定律 电荷守恒是物理和化学过程都遵从的基本规律,其微分形式
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称为电流连续性方程.其中电荷体密度ρ 表示单位体积内的净电量,电流密度矢量J 的方向表示电流的流向,其数值等于单位时间垂直通过单位面积的电量.在稳恒情形下,(1.1)式变为 ,即稳恒电流(直流电流)是无源的,其流线是连续、闭合的曲线.库仑定律与静电场 库仑定律是关于静电力的实验定律——两个静止点电荷的互作用力与它们的电量乘积
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是电荷 在电场中受到的作用力, 是 所在点的电场强度.在国际单位制中,孤立的点电荷 在其周围空间任一点激发的电场强度为
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是真空电容率.电场遵从叠加原理,若体积V 内电荷密度函数为 ,则任一点 的电场强度 ,是所有电荷元 在该点的电场强度之矢量和,即
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r是电荷分布点 到场点 的矢径, 是两者的距离,积分遍及全部电荷分布区域V .从(1.4)式可导出静电场两个微分方程
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散度方程表示电荷只直接激发它附近的电场,其积分形式是电场的高斯定理;旋度方程表示静电场是无旋场, 线始发于正电荷并终止于负电荷,即 线无涡旋状结构,这方程的积分形式表示静电场是保守力场.? ?安培定律、毕奥一萨伐尔定律与静磁场 安培定律是关于稳恒电流之间互作用力的实验定律.电流之间的互作用实质上通过电流的磁场传递,稳恒电流中一个电流元 (或 )在磁场中受到的力为
???? ????????????????????????????????????? (1.6)
是电流元所在处的磁感应强度.毕奥一萨伐尔定律是稳恒电流激发磁场的规律,若体积V 内电流密度函数为 ,则任一点χ 的磁感应强度为
????????????????????????? (1.7)
为真空磁导率,r是电流分布点 到场点 的矢径,r 是两者的距离,积分遍及全部电流分布区域V ,这意味着磁场也遵从叠加原理.从(1.7)式可导出静磁场两个微分方程
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旋度方程表示电流只直接激发它附近的磁场, 线在电流分布点周围形成涡旋状结构,其积分形式为安培环路定理;散度方程及其积分形式表明静磁场的 线总是连续的,即磁通有连续性.由于迄今仍未找到自由磁荷(磁单极)存在的可靠证据,电荷是电磁场唯一的激发源,因此方程 对于时变磁场也成立.? ?法拉第定律与感应电场 法拉第定律的物理本质是随时间变化的磁场激发电场,感应电场强度 沿任意闭合回路L 的积分,正比于通过该回路所围面积S 的磁通量之时变率:
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其微分形式
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表示变化磁场激发的电场是有旋场, 线呈涡旋状结构,这一性质与电荷直接激发的电场有明显差别.?? 麦克斯韦方程组 麦克斯韦将上述实验定律推广到普遍情形,并引入位移电流假设,得出一组描述电磁现象普遍规律的方程.这组方程现在写成
,
??????????????????????????????????????????????? ,????????????????? (1.11)
在 的旋度方程中, 就是“位移电流密度”,其实质是随时间变化的电场激发磁场.在激发源之外的真空中,这组方程表现为
,
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它揭示了变化的电场与磁场互相激发转化的规律,这是时变电磁场可以脱离作为激发源的电荷电流,并以波的形式独立运动的原因.从这组方程可以导出 和 的齐次波动方程.电磁波在真空中的传播速度为
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若将 , 代入(1.12)中 的散度和旋度方程,将给出 的散度和旋度方程,这表明,变化的电场与磁场本质上存在着对称性和统一性.?? 洛伦兹力公式 洛伦兹将库仑定律和安培定律推广到普遍情形,给出带电粒子在电磁场中受力的规律
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