电磁学通论 第1章 课程导言.pptVIP

经典电磁学理论形成的历史进程，起始于1785年库仑确定了磁极间及电荷间的相互作用定律，完成于1864年麦克斯韦建立了电磁场动力学方程组，历时八十年. 其间具有里程碑意义的两个重大事件是，1820年奥斯特实验揭示了电流的磁效应，进而形成了磁的电学说，即一切磁性源于电荷的运动，从而实现了电与磁的统一；1831年法拉第发现感应电流，进而形成了电磁感应定律，从而揭示了在变化情形下电与磁相互激励的场景. 这一年即1831年，也正是James Clerk Maxwell，这位19世纪伟大的英国物理学家出生之年，而Michael Faraday时年40岁. * 其主要内容为“场”，还有“路”. 其理论体系基本上遵循电磁学发展的历史轨迹，从电场到磁场，从恒定场到交变场，直到电磁波，最后总结为电磁场方程组. 这是一个典型的归纳型理论体系，这明显地区别于经典牛顿力学体系，它是一个典型的演绎型理论体系. 关于“路”，从直流电路到交流电路，还有磁路，我们不仅学习到这些电路中有关电压分配，电流分配和能量转化的各种定理，更要注重从“场”的观点来理解“路”，炼就一种在场的背景下看待路的眼光. 比如，电路中的电流，它是电路中的电场推动电路中的自由电荷作定向运动所致. 那么，电路中导线表面是否会有电荷积累；导线外侧是否存在电场；还有，电路中的导线其走向一变，则电流走向即刻随之变化，即导线总是引导电流使自己成为电流管，这是依靠什么机制来实现的. 等等这类实际问题均涉及场与路的相互作用，通过本课程的学习，这些问题均能得以清晰的说明. * 作为电磁学理论研究的主要对象电场与磁场，是一种空间分布的矢量场，表示为 与 . 与先前学习过的力学研究对象是离散的质点或质点组或刚体相比较，它们是一种崭新的客体. 本来三维空间分布的场函数已经显得较为复杂，比如，气象学中经常打交道的是温度场 ，气压场 ，它们是标量场. 而矢量场要比标量场显得更为复杂，比如，大气风场和大气环流场 ，也是一种矢量场. * 研究矢量场的理论目标，就是揭示该矢量场这9个变元的内在关系，从而由空间一处的场导出另一处的场. 这反映在数学上，就是研究一矢量场的通量定理和环路定理，即 通量定理 环路定理 对应的微分方程为 散度方程 旋度方程 这两个定理结合一起才能全面地反映一个矢量场的性质. 因此，对于磁场 ，我们依然去探求： * 本课程学习的经典电磁学属于宏观电磁学，这是相对于量子电动力学（QED）而言的. 我们知道，物体的电性即所谓带电体，其上荷电均来自组成物质的分子和原子内部的电性. 原子和分子的尺度为纳米nm量级. 故以nm尺度来审视，物质的荷电量是离散的不连续的. 然而，在经典电磁学中，在论述导体或电介质身上的带电状态时，一直采用电荷连续分布的概念，这是怎么回事. 这里关系到实验上的观测尺度和理论上的分析精度. 从实验上看，即便探测电性的传感器其探针尺度及位移精度达到甚小的微米 量级， ，那么这探针尖端就覆盖了106个原子、分子或离子，故其观测到的是平均场或平均电荷量，不会显示电荷分布在微观上的不连续性. 这是宏观电磁学的一层含义，即，在宏观尺度上考量物质的荷电状态，相应地采用体电荷分布，面电荷分布等术语给予描述. * 宏观电磁学的另一层含义与带电粒子的波粒二象性相关. 我们知道，电磁学要研究的基本问题有两方面，一方面研究电荷电流产生电磁场的规律，另一方面研究电荷电流所受电磁力的规律及其运动的规律. 经典电磁学在处理后一方面问题，诸如电子回旋加速器、电子感应加速器、阴极射线管、显像管、电子显微镜，等等场合的电子运动行为时，均忽略了电子或带电粒子的波动性，而采用经典粒子的概念，并用经典牛顿力学方程，来描述电子或带电粒子在电磁力作用下的运动行为. 这样处理的结果却与实验观测相符，这又是怎么回事. 原来对于电子这类轻粒子，当其运动范围在宏观尺度，比如m 量级，则其波动性是次要的，而粒子性是显要的，其行为可以用经典粒子的语言描述之；正如，电磁场和电磁波，当其存在于宏观尺度的空间范围，则其粒子性即其光子性是次要的，而波动性是显要的，其行为可以用经典波动的语言描述之. 这些结论，可以由正宗的量子电动力学的理论导出，也可以用单粒子波包及其寿命的经典图象给以诠释.* 总之，宏观电磁学采用经典粒子概念，来考量带电粒子在电磁场中的运动；采用经典波场概念，去看待电磁场和电磁波. 这在宏观尺度上是正确的. 本课程始终如是为之. * * 由库仑定律得到点电荷的静电场，并将它选定为一般静电场的基元场；基于这基元场和场强叠加原理，确立了静电场的通量定理和环路定理，以及相应的静电场散度方程和旋度方程；求解了一系列典型电荷分布时的空间场强分布和电势分布，特别关注这些典型结果所显示