資料介紹
電動力學(xué)是研究電磁現(xiàn)象的經(jīng)典的動力學(xué)理論,它主要研究電磁場的基本屬性、運(yùn)動規(guī)律以及電磁場和帶電物質(zhì)的相互作用。
同所有的認(rèn)識過程一樣,人類對電磁運(yùn)動形態(tài)的認(rèn)識,也是由特殊到一般、由現(xiàn)象到本質(zhì)逐步深入的。人們對電磁現(xiàn)象的認(rèn)識范圍,是從靜電、靜磁和似穩(wěn)電流等特殊方面逐步擴(kuò)大,直到一般的運(yùn)動變化的過程。
在電磁學(xué)發(fā)展的早期,人們認(rèn)識到帶電體之間以及磁極之間存在作用力,而作為描述這種作用力的一種手段而引入的"場"的概念,并未普遍地被人們接受為一種客觀的存在。現(xiàn)在人們已經(jīng)認(rèn)識清楚,電磁場是物質(zhì)存在的一種形態(tài),它可以和一切帶電物質(zhì)相互作用,產(chǎn)生出各種電磁現(xiàn)象。電磁場本身的運(yùn)動服從波動的規(guī)律。這種以波動形式運(yùn)動變化的電磁場稱為電磁波。
電動力學(xué)的任務(wù)就是闡述電磁場及與物質(zhì)相互作用的各個特殊范圍內(nèi)的實驗定律,并在此基礎(chǔ)上闡明電磁現(xiàn)象的本質(zhì)和它的一般規(guī)律,以及運(yùn)用這些規(guī)律定量地處理各種電磁問題、研究各種電磁過程。
電動力學(xué)中解釋電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律的理論,是19世紀(jì)偉大的物理學(xué)家麥克斯韋建立的方程組。麥克斯韋方程組是在庫侖定律(適用于靜電)、畢奧-薩伐爾定律和法拉第電磁感應(yīng)定律等實驗定律的基礎(chǔ)上建立起來的。通過提取上述實驗定律中帶普遍性的因素,并根據(jù)電荷守恒定律引入位移電流,就可以導(dǎo)出麥克斯韋方程組。在物理上,麥克斯韋方程組其實就是電磁場的運(yùn)動方程,它在電動力學(xué)中占有重要的地位。
另一個基本的規(guī)律就是電荷守恒定律,它的內(nèi)容是:一個封閉系統(tǒng)的總電荷不隨時間改變。近代的實驗表明,不僅在一般的物理過程、化學(xué)反應(yīng)過程和原子核反應(yīng)過程中電荷是守恒的,就是在基本粒子轉(zhuǎn)化的過程中,電荷也是守恒的。
麥克斯韋方程組給出了電磁場運(yùn)動變化的規(guī)律,包括電荷電流對電磁場的作用。對于電磁場對電荷電流的作用,則是由洛倫茲工是給出的。將麥克斯韋方程組、洛倫茲里公式和帶電體的力學(xué)運(yùn)動方程聯(lián)立起來,就可以完全確定電磁場和帶電體的運(yùn)動變化。因此,麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式構(gòu)成了描述電磁場運(yùn)動和電磁作用普遍規(guī)律的完整體系。
在電磁場的作用下,靜止的媒質(zhì)中一般可能發(fā)生三種過程:極化、磁化和傳導(dǎo)。這些過程都會使媒質(zhì)中出現(xiàn)宏觀電流。極化和磁化的公式的另一個重要限制是不能應(yīng)用于鐵電和鐵磁情況。鐵磁質(zhì)是常用的磁性媒質(zhì)之一。另外,在強(qiáng)場情況,即使普通的媒質(zhì),也會出現(xiàn)非線性現(xiàn)象。當(dāng)電場超過一定限值時,電介質(zhì)甚至?xí)粨舸k姶挪ㄔ诟飨虍愋越橘|(zhì)中傳播時,常會發(fā)生一些復(fù)雜的現(xiàn)象,如雙折射等。
在電動力學(xué)中,處理有媒質(zhì)的電磁問題時,需要將麥克斯韋方程組和媒質(zhì)的本構(gòu)方程聯(lián)立起來求解。對上面提到的那些特殊情況,須根據(jù)其本構(gòu)方程作特殊研究,其中有的方面甚至發(fā)展成為電動力學(xué)的專門分支。
在媒質(zhì)運(yùn)動的情況,不僅媒質(zhì)中還會出現(xiàn)新類型的電荷電流,媒質(zhì)的電磁性質(zhì)也會不同。此外,由于電磁場還對媒質(zhì)產(chǎn)生有質(zhì)動力,媒質(zhì)的力學(xué)運(yùn)動將和其中的電荷電流以及電磁場的運(yùn)動變化互相影響,有時可以形成十分復(fù)雜的狀態(tài),這種情況在等離子體中常常見到。
電動力學(xué)中求解的問題相當(dāng)廣泛,如求解靜電場和靜磁場的分布,媒質(zhì)在靜電場或靜磁場中所受的力,電磁波的輻射和傳播,帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動,電磁波和媒質(zhì)的相互作用甚至媒質(zhì)的運(yùn)動等。另外,狹義相對論的提出與電動力學(xué)的研究有密切的關(guān)系,其內(nèi)容中還包括電磁場在不同參照系中的變換關(guān)系,所以也常常放在電動力學(xué)中討論。
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