...變化的電場能產生磁場嗎?《張朝陽的物理課》介紹安培麥克斯韋定律

隨時間變化的電場能產生磁場嗎?電磁波是如何產生的,光速又是如何推匯出來的?8月26日12時,《張朝陽的物理課》第八十期開播,搜狐創始人、董事局主席兼CEO張朝陽坐鎮搜狐影片直播間,先帶著網友複習了法拉第電磁感應定律,指出變化的磁場會產生電場。

隨後他開始研究變化的電場,利用一個給電容器充電的電路,展現出傳統安培環路定理中截面選取的矛盾,之後考慮了變化電場的影響以解決矛盾,同時得到安培麥克斯韋定律,該定律說明隨時間變化的電場會產生磁場,並結合前面關於法拉第電磁感應定律的結論,定性解釋了電磁波的產生。最後聯立麥克斯韋方程組匯出了真空波動方程以及電磁波的傳播速度。

...變化的電場能產生磁場嗎?《張朝陽的物理課》介紹安培麥克斯韋定律

在上節課中,張朝陽講解了導線切割磁感線時,洛倫茲力導致的動生電動勢等於磁通量的變化率,但導線中沒有電場。磁通量的改變除了轉動線圈使得有效面積改變之外,還可線圈不動,改變磁感應強度來改變磁通量。實驗表明,線圈不動改變磁感應強度B也可以產生電動勢,稱為感生電動勢,並且感生電動勢與磁通量的關係也滿足動生電動勢的公式,電動勢與磁通量的關係稱為法拉第電磁感應定律,它表明隨時間變化的磁場會產生電場。

介紹完了磁場隨時間變化的情況,張朝陽開始考慮電場隨時間變化的情況。考慮一個給平板電容器充電的電路,調節充電電源的電動勢以保證導線中的電流恆定,由於電流不隨時間變化,所以可以使用安培環路定理,選擇環路對應的截面為導線穿過的截面,那麼導線附近的磁場環路積分正比於電流。但如果選擇的截面從電容兩平板之間的縫隙繞過,並沒有接觸任何導線,那麼如果使用傳統的安培環路定理,將得到磁場為零的矛盾結果。

與先前無矛盾的情況相比,在於這時不是靜態有電荷積累,利用電荷守恆與無限大平板的電場公式,可以發現電場隨時間的變化率正比於導線電流,這說明雖然此時可用電場隨時間的變化率來取代原來電流密度的地位,得到原來安培環路定理的形式。對於一般的情況,如果截面內既有電流密度,又有電場隨時間的變化,那麼截面的積分需要將它們都考慮進了,這就是安培麥克斯韋定律。

法拉第電磁感應定律說明隨時間變化的磁場會產生電磁,而安培麥克斯韋定律則表明隨時間變化的電場會產生磁場,於是變化的電場會產生磁場,新產生的變化的磁場又會產生電場,如此反覆形成電磁波。聯立麥克斯韋方程還能匯出真空中的波動方程與等於光速的傳播速度,這也驗證了光就是電磁波的說法。

截至目前,《張朝陽的物理課》已直播八十期,內容豐富、覆蓋廣泛,理論公式由淺入深、繁簡交融。從去年11月開啟第一節物理直播課,他先是從經典物理學開始,科普了牛頓運動定律等;而後從經典物理的“兩朵烏雲”說起,向近現代物理過渡,探討了黑體輻射理論中的維恩公式、普朗克公式等知識。

此後逐步進入量子力學領域,從基礎的薛定諤方程等理論內容,到氫原子波函式,再到氣體定容比熱的溫度階梯,並順勢講解了熱力學定律。接著回到了經典物理,推匯出飛船執行軌跡,估算太陽的結構與性質以及中子星的自轉速度,隨後講解了陀螺的進動,還計算出月球的潮汐高度。而現在開始講解一些數學工具,準備進軍廣義相對論。

《張朝陽的物理課》的直播風格獨樹一幟:注重推導,透過一步一步詳盡的數學計算,推匯出相關的物理公式,把每個公式從頭到尾拆解得十分清晰。

【來源:中國青年網】

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