電磁場理論之麥克斯韋方程組論文的詳細(xì)資料免費(fèi)下載

　　經(jīng)過本學(xué)期對《電磁場理論》課程的學(xué)習(xí)，使我認(rèn)識到麥克斯韋方程組的重要性，麥克斯韋方程組誕生的關(guān)鍵是“位移電流”的思想實驗，這不是從電磁學(xué)經(jīng)驗公式的前提中用數(shù)學(xué)方法演繹出來的。麥克斯韋方程組以一種公理關(guān)系的方程組形式表達(dá)了電磁場的本質(zhì)，表現(xiàn)了物理學(xué)進(jìn)步的真正特征。麥克斯韋方程組是電磁理論的核心方程組，它是深刻理解好整個電磁理論的基礎(chǔ)。本論文在原有學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，通過查閱大量資料，并結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，從麥克斯韋方程組所蘊(yùn)涵的物理思想、方法原理和應(yīng)用價值角度重新對其進(jìn)行審視，最后，再結(jié)合上述分析簡單闡述了自己的一些觀點。

　　麥克斯韋（James Clerk Maxwell 1831 - 1879）是一個集電磁學(xué)大成的偉大物理學(xué)家，他在庫侖、高斯、歐姆、安培、畢奧、薩伐爾、法拉第等人的一系列發(fā)現(xiàn)和實驗成果的基礎(chǔ)上，建立了完整的電磁場理論，麥克斯韋的工作在物理學(xué)意義上的關(guān)鍵在于發(fā)現(xiàn)了交變電場可以產(chǎn)生（交變）磁場，在這以前。安培定律己表明，電流可以產(chǎn)生磁場，法拉第定律則表明，變化的磁場可以產(chǎn)生電場，但是當(dāng)時的實驗物理學(xué)家都沒有發(fā)現(xiàn)變化的電場可以產(chǎn)生磁場這樣的事實，因為當(dāng)時的實驗條件達(dá)不到可以觀察這種現(xiàn)象的水平，這樣，雖然庫侖定律、安培定律、法拉第定律已在當(dāng)時為大家所熟悉并有了應(yīng)用，但人們并沒有發(fā)現(xiàn)它們之間重要的內(nèi)在關(guān)系，頂多只不過把它們一起歸結(jié)電與磁的共有現(xiàn)象。麥克斯韋不是實驗物理學(xué)家，他在理論物理領(lǐng)域內(nèi)工作，他的實驗室是思想，他的工具是數(shù)學(xué)，麥克斯韋建立了電與磁的統(tǒng)一的數(shù)學(xué)關(guān)系，即麥克斯韋方程組（Maxwell‘s equations），這樣人們都認(rèn)為麥克斯韋是用數(shù)學(xué)演釋方法創(chuàng)建了了電磁理論，實際上這是一個誤解，如果我們追蹤一下他的工作的大概過程，我們完全可以看到他是在思想實驗中而不是在數(shù)學(xué)演釋中得到這個關(guān)鍵性的發(fā)現(xiàn)而完成了電與磁的統(tǒng)一，在這個意義上，他是先于愛因斯坦和玻爾等而進(jìn)行縝密的思想實驗的科學(xué)家。電磁學(xué)定律是從電學(xué)實驗中發(fā)現(xiàn)和總結(jié)出來的，當(dāng)時發(fā)現(xiàn)（恒定的）電流可以產(chǎn)生（恒定的）磁場，這主要由安培定律表達(dá)，但是恒定的磁場卻不會產(chǎn)生電流；另一方面，變化的磁場才可以導(dǎo)致電流的產(chǎn)生，這主要由法拉第定律表達(dá)，人們卻沒有與之對應(yīng)的變化的電場的概念，這種電磁關(guān)系的不對稱并沒有引起當(dāng)時實驗物理學(xué)字的特別關(guān)注，因為在當(dāng)時的實驗條件下看不到這些現(xiàn)象。但麥克斯韋的工作不同，他完全用數(shù)學(xué)語言表達(dá)電磁定律，從而使這種不對稱的缺陷充分暴露出來，但是麥克斯韋并不能直接從這種不對稱性中關(guān)系中推演出對稱性來，他仍然只能回到實驗中去，不同的是他不用做實驗室中的實驗，他只須做思想實驗，這種思想實驗不是數(shù)學(xué)表達(dá)式在思想中的推演，而是在思想中進(jìn)行的對電和磁的運(yùn)動形象過程的再創(chuàng)造。他沿用安培定律的實驗，想象電流和磁場的運(yùn)動過程，當(dāng)時的情形在現(xiàn)在看來是非常奇特的，物理學(xué)家只能沿用經(jīng)典圖像進(jìn)行思考（甚至今天在大多數(shù)情況中也只能這樣），比如把電和磁想象為以太流體、渦旋、彈性物質(zhì)，甚至齒輪之類，麥克斯韋的思想實驗也是在這樣的圖像中進(jìn)行的，但是由于麥克斯韋脫離了具體實驗環(huán)境的限制，所以他能在他的思想實驗中“觀察”到新的“現(xiàn)象”。麥克斯韋工作的關(guān)鍵是他的著名的所謂“位移電流（Displacement current）”的思想圖像，即把變化的電場也看成為一種（以太）電流，事實上，電場在物理過程上可以解釋為電介質(zhì)內(nèi)的分子產(chǎn)生極化的狀態(tài)，它是分子中的外層電子的總的位移效應(yīng)，在當(dāng)時的實驗室中條件下觀察不到這種效應(yīng)所表現(xiàn)出來的現(xiàn)象，而位移電流是一個在思想實驗中的能夠被“觀察”到的交變電流過程，你可以想象有一種流態(tài)的電物質(zhì)在物質(zhì)中來回移動（交變電流）而不是通過（穩(wěn)恒電流），這樣它就脫離了實驗室條件下具體的導(dǎo)體或絕緣體的物理限制，使電場能以電流的形象出現(xiàn)，這種交變的位移電流產(chǎn)生交變磁場，這樣交變的電、磁場可以相互產(chǎn)生，電與磁的對稱性成為了在理論上表達(dá)完全的一種共同的本質(zhì)關(guān)系，這種在相互轉(zhuǎn)化的對稱性中的電與磁的統(tǒng)一就是電磁場。位移電流的思想實驗，直接導(dǎo)至麥克斯韋在以前的安培公式中添加電場的變化率一項，這就是麥克斯韋方程組物理本質(zhì)化的一個關(guān)鍵，這樣麥克斯韋就成功地的把靜態(tài)意義的安培公式改造成了交變（電磁場）的安培公式，奠定了電磁場數(shù)學(xué)表達(dá)形式在本質(zhì)上的統(tǒng)一，使以前沒有內(nèi)在共同統(tǒng)一性的靜電學(xué)的和靜磁學(xué)轉(zhuǎn)變成為了電磁場理論的電動力學(xué)。由此我們可以看出，并不是麥克斯韋完全依靠數(shù)學(xué)演繹方法直接從庫侖定律、安培定律、法拉第定律等數(shù)學(xué)表達(dá)式中推導(dǎo)得到了麥克斯韋方程組，麥克斯韋不是由即定的演繹性前提中推導(dǎo)出新的結(jié)果，而是首先是他用思想實驗方法發(fā)現(xiàn)了安培定律的新的意義，補(bǔ)充了安培公式，從而揭示了電與磁的物理現(xiàn)象后面存在的共同的本質(zhì)，這樣才使以前幾個相互沒有內(nèi)在統(tǒng)一性的電磁公式成為了具有本質(zhì)性意義的麥克斯韋方程，成為了可以表達(dá)一種全新的物理對象的數(shù)學(xué)形式。

　　麥克斯韋方程組的應(yīng)用

　　磁傳感器廣泛應(yīng)用于航空航天、自動化測量、磁性存儲、生物醫(yī)學(xué)等各行業(yè)中，扮演著重要角色。巨磁阻抗（Giant Magnetoimpedance， GMI）效應(yīng)作為一種新型磁傳感技術(shù)，它能夠彌補(bǔ)巨磁阻（Giant Magnetoresistance， GMR）傳感器的不足，實現(xiàn)在很寬溫度范圍下對微弱磁場的快速靈敏測試，同時它的制作成本較低，容易實現(xiàn)微型化和集成化，是一種能夠同時滿足靈敏度高、微型尺寸、響應(yīng)速度快、功耗低和無磁滯等信息技術(shù)要求的傳感器。相對于薄膜和薄帶材料而言，非晶絲材比較容易制備，易于形成理想的磁各向異性，能夠獲得較為理想的敏感性和GMI性能［10］。但是絲材存在著明顯的缺點：大批量生產(chǎn)時難以保證樣品性能的可重復(fù)性，與電路的焊接、安裝比較困難等。而通過工藝手段的改進(jìn)，薄膜和薄帶材料目前在GMI性能和磁場敏感性方面已經(jīng)達(dá)到甚至超過非晶絲材，同時二者的制作工藝能夠與大規(guī)模集成電路相兼容，批量生產(chǎn)時能夠保證樣品性能的可重復(fù)性，制作成本較低，與電路的焊接和安裝比較方便。對單層和多層結(jié)構(gòu)薄膜與薄帶材料中的GMI效應(yīng)，人們開展了相關(guān)的理論研究，但是理論研究的過程都進(jìn)行了簡化，沒有考慮到材料中各向異性場、易軸取向和阻尼系數(shù)對GMI效應(yīng)的影響，同時對于曲折狀結(jié)構(gòu)的薄膜與薄帶材料，還沒有相應(yīng)的理論模型對其GMI效應(yīng)進(jìn)行描述。對于薄膜和薄帶GMI傳感器的制備，很多研究小組采用手工裁剪或金屬掩膜圖形化的方法進(jìn)行制備，缺乏對MEMS制備工藝的系統(tǒng)研究，難以保證樣品的性能穩(wěn)定性和批量化生產(chǎn)。在生物檢測方面，科學(xué)家已經(jīng)開始了基于GMI傳感技術(shù)的相關(guān)研究，但到目前為止，尚未見到針對某個具體病原體的、基于巨磁阻抗傳感器的應(yīng)用型檢測體系。同時，目前基于GMI效應(yīng)的生物檢測尚處于起步階段，涉及到為數(shù)不多的細(xì)胞實驗都是利用細(xì)胞樣品具有的吞噬作用與磁性粒子進(jìn)行結(jié)合，未有對某一種細(xì)胞樣品進(jìn)行特異性檢測。 基于以上考慮，本文對基于軟磁薄膜和薄帶材料的微型GMI傳感器開展理論、制備工藝和生物檢測應(yīng)用方面的研究，將基于MEMS工藝制備的高性能GMI傳感器應(yīng)用于生物檢測領(lǐng)域，通過實驗工作，為建立一套相對完善的、基于GMI效應(yīng)的生物檢測系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。