大学物理：第16章 麦克斯韦方程和电磁波.ppt

《大学物理：第16章 麦克斯韦方程和电磁波》 麦克斯韦方程是物理学中最重要的方程之一，它们描述了电场、磁场与电荷分布及电流的关系，以及电场和磁场如何随时间变化。在本章中，我们将深入探讨这些方程，以及它们在电磁波产生和传播中的应用。 16.1 位移电流 位移电流的概念是由詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出，以解释电容器充放电过程中电场的变化。当电容器充电或放电时，两极板上的电荷q和电荷面密度σ会随时间变化，导致电场E也随时间变化。虽然此时电路中没有实际的传导电流，但电场的变化产生了等效的“位移电流”。位移电流dIdt与电场变化率dE/dt成正比，这在麦克斯韦方程中占有重要地位。 16.2 麦克斯韦方程组 麦克斯韦方程组由以下四个基本方程组成： 1. 电学高斯定理：电场通量与包围的电荷之比等于真空电容率，即 ∫E·dS = q/ε₀，表示电场线总是从正电荷出发，到负电荷终止。 2. 磁学高斯定理：磁场通量总为零，即 ∫B·dS = 0，这意味着磁单极子不存在，磁场线是闭合的。 3. 安培环路定理：变化的电场产生磁场，即 ∫B·dl = μ₀I + ε₀μ₀dE/dt，这里I是传导电流，dE/dt是位移电流密度。 4. 电磁感应定律（法拉第电磁感应定律）：变化的磁场产生电场，即 ∫E·dl = -dΦ_B/dt，其中Φ_B是磁通量。 16.3 电磁波 电磁波是由变化的电场和磁场相互激发，以恒定的速度（在真空中为光速c= 3×10^8 m/s）在空间传播的波动现象。电磁波有以下特性： 1. 电磁波是横波，电场E和磁场H互相垂直，且两者都垂直于波的传播方向。 2. 在同一位置，E和H的振动位相相同，且Hu/E = 0，这表明它们同时达到最大值和最小值。 3. E和H分别在各自的平面内振动，使得电磁波具有偏振性。 4. 电磁波的传播速度取决于介质的介电系数ε和磁导率μ，影响其在不同物质中的传播。 16.4 电磁波谱 电磁波谱是按照波长或频率排序的电磁波系列，涵盖从无线电波到伽马射线的各种类型： 1. 无线电波：由电荷加速运动产生，分为中波、短波和微波。 2. 红外线：主要由热物体发射，波长范围在1mm至760nm之间。 3. 可见光：由原子或分子内的电子跃迁产生，人眼可以感知的范围在760nm至400nm之间。 4. 紫外线：主要来自太阳，波长范围400nm至6nm。 5. X射线：由高能电子撞击金属产生，波长10-8m至10-13m。 6. 伽马射线：由放射性元素的核辐射产生，波长在10-10m至10-14m之间。 总结来说，麦克斯韦方程是理解电磁现象的核心，它们揭示了电场和磁场的动态关系，以及电磁波的产生和传播机制。电磁波谱则展示了电磁波在不同频率下的广泛应用，从通信技术到医学成像，再到天文学，无处不在。学习这些概念不仅有助于理解自然界的奥秘，也为现代科技的发展提供了理论基础。