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电磁学第一章思考题,电磁场理论第三章答案

时间:2023-05-03 23:55:49 阅读:206819 作者:3305

东西全忘了,想要拾起来,纸笔记笔记太慢了,但是又不想发在知乎,因为真的是零碎总结,不会认真制作内容,排版,写公式,作图,标注之类的,也没有精力和时间去做这些,只能给自己理一遍思路。重要的概念和难点会提一下,争取写快一点吧。
教材仍然是本科教材,小小一本,内容不多。其实真的学下来只有四个部分:①基本定理和方程 ②静电场 ③静磁场 ④电磁波

第一章 电磁现象的普遍规律

属于是前言了,先分析静电场和静磁场的实验规律,在研究变动情况下新的实验定律,由此总结出麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式。这些方程式宏观电磁场理论的基础。
这里还涉及到一个问题,就是电磁场是不是一种物质。书上说是,但是总感觉有一点不太对,强行唯物了,印象中很多教材都会有类似的痕迹,比如还有个地方也是这样不过我忘了(狗头),这个问题过于高深了,等有时间有时间再去研究吧。

1、电荷与电场

-------------------------------------------------------------------------库仑定律-------------------------------------------------------------------------------------

库伦定律:库仑定律是静电现象的基本实验规律。具体形式是:

库仑定律给出的是点电荷之间电场力的大小和方向的描述,但是并没有解决这个作用力的本质问题,(但是本质问题是什么,我也不太清楚)关于这个作用力,有两种不同的物理解释:①超距作用 ②通过电场来传递作用力
对于静电现象,这两种描述是等价的,他们给出相同的计算结果,无法判断是哪一种正确。
但在运动电荷的情境中,两种观点就显示出不同的内容,可以区分正确性,事实证明第二种是对的,但是为什么,我还不知道,但是这个问题很有意思,有空可以研究一下。

场的概念的引入非常关键。我们假设,一个电荷的周围空间存在着一种特殊的物质,称为电场,在此电场中的其他电荷,就会受到力的作用,也就是说对电荷有力的作用 是电场的特性,我们以此来进行定义和描述。
定义电场:

由库仑定律有:

同时电场具有叠加性,这一点是通过实验来验证的:

注意这里是矢量和,进一步写成积分形式:

进一步还需要找出一个电荷和它邻近的电场是怎样相互作用的,怎样联系的,即要找出经典规律的微分形式。(这里我没太看懂,积分里的微分式不就是微分形式吗)

-------------------------------------------------------------------------高斯定理与电场的散度------------------------------------------------------------

首先研究一个电荷和它临近电场的关系,电磁学中我们知道,电荷Q发出的电通量总是正比于Q,且与周围是否存在其他电荷无关:

这里表征的是电荷对电场作用的基本数量关系,高斯定理如下:

证明就略了,就是微积分。
这里只得到了高斯定理的积分形式,为了求出电荷与电场的局域关系,即在空间无穷小趋于内的关系,对上式左右求极限,可以得到
得到了高斯定理的微分形式,它是电场的一个基本微分方程,该式表明,空间某点邻域上的场的散度只与此点的电荷密度有关,与其他点的电荷无关。电荷只激发其邻近的场,而远处的场则是通过场本身的内部作用传递出去的,只有在静电场下 ,远处的场才能以库伦定律的形式表述出来,而在一般的运动电荷情况下,库仑定律不再适用,但实验表明高斯公式微分形式仍然成立。

这部分有点陌生,因为好像没有研究过运动电荷的性质,一般只处理静电场,后面不知道会不会提到。

然后是微分形式的推导过程,其实就是高斯定理,高数中的高斯定理,更加具体的证明就略了,仍然是微积分,可以参考这里的过程:
https://blog.csdn.net/weixin_30244681/article/details/97128867

实质上是散度的含义,需要熟练掌握。

-----------------------------------------------------------------------------静电场的旋度--------------------------------------------------------------------

旋度是矢量场的另一个方面,要确定一个矢量场,还需要给出其旋度。(这里衍生一个问题:矢量场如何去完备地表征?)
旋度表征的是场的环流性质,实际上,静电场是无旋的。具体的证明利用库仑定律即可证明,可以知道类似形式的场应该是无旋的。证明照例略过。主要是一些数学知识。

书上说,静电场的旋度是0,但是一般情况下的电场是有旋的,后面会讲,现在还不知道为啥。
旋度的定义式是:

至于计算式,遇到再推。

后面有一个例题,就是求了一下散度和电场,并且验证了高斯公式。不在这写了。

2、电流和磁场

这章是对磁场进行相同的总结,但是磁场这东西,和电场相比总感觉更抽象一点,比如一个散发电场的点电荷,有散度无旋度,是一个很容易理解的模型,但是一根环绕着磁场的电流就有点不那么容易理解,更不要说磁场带有旋度,没有散度,就更加需要去细细理解。

----------------------------------------------------------------------------电荷守恒定律--------------------------------------------------------------------
电流定义为单位时间通过截面的电荷量。现在假设电流为带电粒子的运动形成,电荷密度ρ,速度为v
那么:

现在重点来了,我们研究一个电磁理论中的一条最基本的实验定律——电荷守恒定律,即不管发生什么变化,一个系统的总电荷严格保持不变。这是目前人类所知道的自然界精确规律之一。
在数学上,这就可以利用连续性方程来表示:

称为电流连续性方程。
如果把趋于看成全空间,就会得到总电荷量守恒:

等半导体看到连续性方程那里再回来看一眼。。。

---------------------------------------------------------------hxdfn定律--------------------------------------------------------------

类似两个电荷的相互作用,两个电流也会有相互作用, 这就是磁场。
磁场的特征性质就是:磁场中的电流会受到磁场的作用力,实验的结论是:

B称为磁感应强度,这个式子表示了电流如何受到磁场的作用。
另一方面,还需要一个电路如何产生磁场的规律,这就是hxdfn定律:

乍一看比较复杂,实际上不难理解,不细说了。
但这只是积分形式,为了反映磁作用在场中传递的特点,我们还需要找到一个电流和他临近磁场的关系,以及一点上的磁场和临近点上的磁场的关系,即要找出磁场规律的微分形式。

-------------------------------------------------------------------------磁场的旋度--------------------------------------------------------------------------

安培环路定律:

可以通过hxdfn定律导出,推导过程就略了。。。
可以看出电流和其临近磁场的关系,与其他地方的电流无关。对于连续的电流密度J分布,计算磁场沿着回路的环量时,也只需要考虑环路围起来的部分电流,环量与外面的电流无关:


此时,对两边求极限,把回路L无限缩小,此时得到:

这是恒定磁场的一个基本微分方程。

(至于推导,同样是微积分和矢量分析,不在这里展开了)

----------------------------------------------------------------------------------磁场的散度---------------------------------------------------------------

由于B是无源场,因此有:


上式只是直观理解,磁场的无源性可以由hxdfn定律推导出。

第五小节就是证明了,没法写出来。。。。第一章内容太多还是分为两部分来写,等下写后半部分。

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