Уравнения Максвелла
Вихревое электрическое поле, сущность первого уравнения Максвелла в интегральной форме. Ток смещения, параметры изменения магнитного потока, интегральная форма второго уравнения Максвелла. Полная система уравнений Максвелла для электромагнитного поля.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | лекция |
Язык | русский |
Дата добавления | 03.04.2019 |
Размер файла | 58,3 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Лекция
УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА
План
1. Вихревое электрическое поле. Первое уравнение Максвелла в интегральной форме
2. Ток смещения. Интегральная форма второго уравнения Максвелла
3. Полная система уравнений Максвелла для электромагнитного поля
1. Вихревое электрическое поле. Первое уравнение Максвелла в интегральной форме
Из закона Фарадея для электромагнитной индукции следует, что любое изменение магнитного потока, сцепленного с замкнутым контуром, приводит к возникновению в нем электрического тока. Однако ЭДС возникает только в том случае, если в цепи действуют силы не электростатического характера. Поэтому возникает вопрос о природе сторонних сил в этом случае.
Опыт показывает, что эти силы не связаны ни с тепловыми, ни с химическими процессами в контуре, их нельзя объяснить с помощью силы Лоренца.
Анализируя явление электромагнитной индукции, Максвелл высказал гипотезу о том, что переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле, которое и является причиной возникновения ЭДС индукции. Контур, в данном случае, играет вспомогательную роль, позволяя обнаружить это поле.
Существенная особенность рассматриваемого явления состоит в том, что возникающее электрическое поле не является электростатическим. Работа сил электростатического поля на замкнутом пути равна нулю и поэтому оно не может поддерживать движение зарядов по замкнутому пути, и, следовательно, не может привести к возникновению ЭДС. Электрическое поле, возникающее при электромагнитной индукции, является вихревым полем. Такое поле вызывает в замкнутом проводнике движение электронов, что приводит к возникновению ЭДС. Сторонними силами являются силы вихревого электрического поля.
По Максвеллу, циркуляция вектора этого поля и есть ЭДС индукции, т.е.
. 9.1
Следовательно, закон электромагнитной индукции можно записать в виде:
. 9.2
уравнение максвелл электрический магнитный
Ранее мы показали, что для электростатического поля
, 9.3
и, следовательно, эти поля заметно отличаются друг от друга. Электрическое поле, создаваемое переменным магнитным полем, получило название вихревого электрическое поле. Линии напряженности этого поля являются замкнутыми.
Согласно принципу суперпозиции полей напряженность результирующего электрического поля будет определяться выражением и тогда, суммируя выражения 9.2 и 9.3 для циркуляции вектора напряженности результирующего поля получим
. 9.4
Преобразуем полученное уравнение. Так как , то
. 9.5
С учетом 9.5 выражение 9.4 примет вид
. 9.6
Это и есть первое уравнение Максвелла в интегральной форме.
2. Ток смещения. Интегральная форма второго уравнения Максвелла
Из явления электромагнитной индукции вытекает, что переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Основная идея Максвелла состояла в том, что между электрическим и магнитным полем существует и обратная связь, т.е. переменное электрическое поле должно приводить к возникновению магнитного поля.
В случае стационарного (постоянного во времени) магнитного поля мы показали, что
. 9.7
Преобразуем полученное уравнение по теореме Стокса. Так как , то , но по теореме Стокса . Следовательно,
. 9.8
Выясним теперь справедливость этого уравнения в случае переменных полей. Рассмотрим цепь переменного тока, содержащую конденсатор. В этом случае в цепи будет протекать ток, заряжающий и разряжающий конденсатор. Выделим некоторую поверхность , замкнутой кривой так, чтобы проводник с током принизывал эту поверхность (рис. 1). Тогда и для переменного тока будет справедлива формула 9.8. Но для поверхности опирающейся на ту же кривую, это равенство не выполняется, так как поверхность током не пронизывается. Напрашивается вывод о том, что в уравнении 9.8 отсутствует слагаемое, зависящее от производных полей по времени. В случае стационарных полей эта производная равна нулю.
Чтобы согласовать уравнения для постоянных и переменных полей, Максвелл ввел понятие тока смещения.
Между обкладками конденсатора существует переменное электрическое поле, поэтому через него «протекает ток смещения». По Максвеллу «ток смещения» (переменное электрическое поле) протекает в тех участках цепи, где нет проводников.
По Максвеллу, переменное электрическое поле (ток смещения) в конденсаторе в каждый момент времени создает такое магнитное поле, как если бы между обкладками конденсатора протекал бы ток проводимости силой, равной силе тока в подводящих проводах. Тогда можно утверждать, что плотность тока смещения равна плотности тока проводимости.
Плотность тока проводимости вблизи конденсатора будет равна
,
где - поверхностная плотность заряда на пластинах конденсатора.
Ранее мы показали, что для электрического поля в конденсаторе справедливо равенство . Учитывая это для плотности тока смещения можно получить выражение
.
Так как направление векторов совпадают, то последнее выражение можно записать в виде
. 9.9
Обратим внимание на то, что ток смещения эквивалентен току проводимости только по способности создавать магнитное поле.
Для электрического поля и, следовательно,
, 9.10
где - плотность тока смещения в вакууме, - плотность тока поляризации. Возбуждение магнитного поля током поляризации правомерно, так как токи поляризации ничем не отличаются от токов проводимости. Но тот факт, что и другая составляющая тока смещения (), не связанная с движением зарядов, а обусловленная только изменением электрического поля во времени, также вызывает магнитное поле, является принципиально новым утверждением Максвелла.
Существование токов смещения было подтверждено опытами А.А. Эйхенвальда.
В общем случае токи проводимости и токи смещения в пространстве не разделимы, они находятся в одном и том же объеме. Поэтому Максвелл ввел понятие полного тока, равного сумме тока проводимости и тока смещения. Плотность полного тока
. 9.11
Вводя понятие полного тока, Максвелл по новому подошел к рассмотрению вопроса о замкнутости цепей переменного тока. По Максвеллу, полный ток всегда замкнут, т.е. на концах проводников обрывается лишь ток проводимости, а в диэлектрике имеется ток смещения, который и замыкает ток проводимости.
Максвелл обобщил теорему о циркуляции вектора напряженности магнитного поля, введя в правую часть выражения ток смещения
. 9.12
Это и есть второе уравнение Максвелла в интегральной форме. Выражение 9.12 справедливо всегда, свидетельством чего является полное совпадение теории и опыта.
3. Полная система уравнений Максвелла для электромагнитного поля
Открытие тока смещения позволило Максвеллу создать единую теорию электрических и магнитных явлений. Эта теория не только объяснила все известные к этому времени экспериментальные факты, но и предсказала ряд новых явлений, существование которых подтвердилось в последствии.
Основу этой теории составляют уравнения Максвелла, которые в электродинамике играют туже роль, что и законы Ньютона в механике, или основные начала в термодинамике.
Полная система уравнений Максвелла в интегральной форме:
9.13
Величины, входящие в эти уравнения не являются независимыми и между ними существует следующая связь:
,
где - соответственно электрическая и магнитная постоянные, - диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, - удельная проводимость вещества.
Из уравнений Максвелла вытекает, что электрические поля могут создаваться либо электрическими зарядами, либо изменяющимся во времени магнитным полем. Источником магнитного поля могут быть либо движущиеся электрические заряды (ток), либо переменное электрическое поле.
Уравнения Максвелла не симметричны относительно электрических и магнитных полей. Это связано с тем, что в природе существуют электрические заряды, а магнитных зарядов нет.
Используя теоремы Остроградского-Гаусса и Стокса можно представить полную систему уравнений Максвелла в дифференциальной форме.
9.14
Если заряды и токи в пространстве распределены непрерывно, то обе формы уравнений Максвелла эквивалентны. В случае, когда в среде имеются поверхности разрыва, т.е. поверхности, на которых свойства среды изменяются скачкообразно, то интегральная форма является более общей.
Для стационарных полей (не изменяющихся во времени) уравнения принимают вид:
и в интегральной форме
В этом случае электрические и магнитные поля оказываются независимыми, что и позволяет изучать отдельно постоянные электрическое и магнитное поля.
Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле всегда связано с порождаемым им магнитным полем, т.е. электрические и магнитные поля неразрывно связаны друг с другом - они образуют единое электромагнитное поле.
Теория Максвелла является макроскопической, так как рассматривает поля создаваемые макроскопическими токами и зарядами. Поэтому эта теория не могла вскрыть внутреннего механизма явлений, которые происходят в среде и приводят к возникновению электромагнитного поля. Дальнейшим развитием теории Максвелла стала электронная теория Лоренца.
Одним из важнейших выводов теории Максвелла явилось предсказание существования электромагнитных волн - изменяющегося электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Вихревое электрическое поле. Интегральная форма уравнений Максвелла. Единая теория электрических и магнитных явлений. Понятие о токе смещения. Постулат Максвелла, выражающий закон создания электрических полей действием зарядов в произвольных средах.
презентация [361,3 K], добавлен 24.09.2013Закон полного тока. Единая теория электрических и магнитных полей Максвелла. Пояснения к теории классической электродинамики. Система уравнений Максвелла. Скорость распространения электромагнитного поля. Релятивистская трактовка магнитных явлений.
презентация [1,0 M], добавлен 14.03.2016Основные формы уравнений Максвелла, дифференциальная форма уравнений. Свойства уравнений Максвелла. Общие представления о колебательных и волновых процессах. Гармонические колебания, их характеристики и использование. Теоремы векторного анализа.
презентация [114,1 K], добавлен 24.09.2013Макроскопическое электромагнитное поле в сплошных неподвижных средах. Уравнения Максвелла в дифференциальной форме. Энергия электромагнитного поля и теорема Пойнтинга. Применение метода комплексных амплитуд. Волновой характер электромагнитного поля.
реферат [272,7 K], добавлен 19.01.2011Описание произвольного электромагнитного поля с помощью вектор-потенциала. Волновые уравнения. Асимптотические выражения. Решение волнового уравнения для напряженностей полей. Электромагнитное мультипольное излучение. Уравнение Максвелла в пространстве.
презентация [92,5 K], добавлен 19.02.2014Краткие сведения о жизненном пути и деятельности Максвелла Джеймса Клерка - британского физика и математика. Кинетическая теория газов и теоретические выводы Максвелла о существовании электромагнитного поля. Основные достижения и изобретения физика.
презентация [141,6 K], добавлен 01.02.2013Появление вихревого электрического поля - следствие переменного магнитного поля. Магнитное поле как следствие переменного электрического поля. Природа электромагнитного поля, способ его существования и конкретные проявления - радиоволны, свет, гамма-лучи.
презентация [779,8 K], добавлен 25.07.2015На основе анализа традиционных электродинамических уравнений Максвелла выявлены принципиально новые реалии в их физическом содержании. Модернизация концептуальных представлений классической электродинамики о структуре и свойствах электромагнитного поля.
реферат [137,0 K], добавлен 01.03.2008Структура электромагнитного поля. Уравнения Максвелла. Условия реализации обычной магнитной поляризации среды. Возбуждение электродинамических полей в металле. Закон частотной дисперсии волнового числа магнитной волны. Характер частотных зависимостей.
доклад [93,2 K], добавлен 27.09.2008Определение основных свойств монохроматического электромагнитного поля с использованием уравнения Максвелла для бесконечной среды. Комплексные амплитуды векторов, мгновенные значения напряженности поля, выполнение граничных условий на стенках волновода.
контрольная работа [914,8 K], добавлен 21.10.2012Свойства монохроматического электромагнитного поля. Нахождение токов на верхней стенке волновода. Определение диапазона частот, в котором поле является волной, бегущей вдоль оси. Нахождение комплексных амплитуд векторов с помощью уравнения Максвелла.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 20.12.2012Уравнения Максвелла. Идея о существовании электромагнитного поля. Магнитные явления, закон электромагнитной индукции Фарадея. Следствия уравнения непрерывности. Закон сохранения энергии, сила Лоренца. Дипольное, квадрупольное, магнито-дипольное излучение.
курс лекций [3,9 M], добавлен 07.08.2015Критерий применимости классического приближения. Каноническое распределение и статистические интегралы. Распределения Максвелла и Максвелла – Больцмана для идеального классического газа. Статистический интеграл.
лекция [109,3 K], добавлен 26.07.2007Формирование электромагнитных волн Максвелла, установление связи между уравнениями Максвелла и экспериментальными данными. Формирование импульсов электронов вдоль провода и излучение им фотонов в пространство. Напряженность магнитного поля электрона.
контрольная работа [343,6 K], добавлен 29.09.2010Действие внешнего магнитного поля на вещество и процесс намагничивания. Особенности и главные свойства ферромагнетиков. Электромагнитная индукция как фундаментальное явление электромагнетизма. Гипотеза и уравнение Максвелла для электромагнетизма.
реферат [58,6 K], добавлен 08.04.2011Исследование основных свойств монохроматического электромагнитного поля. Поиск комплексных амплитуд при помощи уравнения Максвелла. Графики зависимостей мгновенных значений составляющих полей от координаты. Скорость распространения энергии волны.
курсовая работа [920,3 K], добавлен 01.02.2013Общие характеристики, энергия и масса электромагнитного поля. Закон электромагнитной индукции в дифференциальной форме. Дивергенция плотности тока проводимости. Уравнения электромагнитного поля в интегральной форме. Сущность теоремы Умова-Пойнтинга.
презентация [326,8 K], добавлен 29.10.2013Уравнения, структура и параметры реального электромагнитного поля, состоящего из функционально связанных между собой четырех полевых векторных компонент: электрической и магнитной напряженностей, электрического и магнитного векторного потенциала.
статья [166,2 K], добавлен 25.04.2009Построение системы дифференциальных уравнений Максвелла классической электродинамики на основе первичных соотношений электромагнетизма - закона Кулона и закона сохранения электрического заряда цепочкой последовательных физико-математических рассуждений.
статья [167,7 K], добавлен 01.01.2011Модификация уравнений электромагнитного поля Максвелла для электрического и магнитного векторных потенциалов. Анализ физического содержания полученных уравнений показал, что их векторные потенциалы являются полноправными физически значимыми полями.
реферат [94,3 K], добавлен 20.01.2008