《電磁場理論》ppt課件

1、 麥克斯韋麥克斯韋1831-1879英國物理學(xué)家英國物理學(xué)家 . 經(jīng)典電磁實經(jīng)典電磁實際的奠基人際的奠基人 , 氣體動實際開氣體動實際開創(chuàng)人之一創(chuàng)人之一 . 他提出了有旋場他提出了有旋場和位移電流的概念和位移電流的概念 , 建立了建立了經(jīng)典電磁實際經(jīng)典電磁實際 , 并預(yù)言了以并預(yù)言了以光速傳播的電磁波的存在光速傳播的電磁波的存在 .在氣體動實際方面在氣體動實際方面 , 他還提他還提出了氣體分子按速率分布的出了氣體分子按速率分布的統(tǒng)計規(guī)律統(tǒng)計規(guī)律. 1865 年麥克斯韋在總結(jié)前人任務(wù)的根底 上，提出完好的電磁場實際，他的主要奉獻是提出了“有旋電場和“位移電流兩個假設(shè)，從而預(yù)言了電磁波的存在，并計

2、算出電磁波的速度即光速. 1888 年赫茲的實驗證明了他的預(yù)言, 麥克斯韋實際奠定了經(jīng)典動力學(xué)的根底，為無線電技術(shù)和現(xiàn)代電子通訊技術(shù)開展開辟了寬廣前景.001c ( 真空中真空中 )第十三章第十三章 電磁場和電磁波電磁場和電磁波131 電流延續(xù)性方程 位移電流一、位移電流電流強度：tdq若在d 時間內(nèi)通過導(dǎo)體任一截面的電荷量為，則電流強度為：dqIdt電流密度：在數(shù)值上等于經(jīng)過垂直于電流方向單位截面的電流強度經(jīng)過導(dǎo)體中恣意截面的電流為：SIj dS穩(wěn)恒電流磁場的安培環(huán)路定理：SLH dlIj dSSL曲面：以閉合曲線 為邊線的曲面IS：穿過曲面 的電流強度IL1S2SRIl dHSL)(2面I

3、l dHSL)(1面i1S2SLCil dHSL)(1面0)(2l dHSL面矛盾I：自在電流或 傳導(dǎo)電流非穩(wěn)恒電流dtdDRDI(a)充電時dtdDRID(b)放電時電容器充電：兩極板間電位移為：qDS電位移通量為：DD SSq1dDddqdtdtdt SDddqdtdtdIjS( I傳導(dǎo)電流強度）dDdt方向：充電：0,dDdt指向右D增加，指向右放電：D減少，指向右0,dDdt指向左時辰與傳導(dǎo)電流同向思索：Dddt如果將仍看作電流值的話，則電路中電流是連續(xù)的。位移電流：ddDjdtDddIdt位移電流密度：電場中某點的位移電流密度等于該點的電位移矢量對時間的變化率；經(jīng)過電場中的某截面的位

4、移電流強度等于經(jīng)過該截面的電位移通量對時間的變化率。(DddqIdtdt傳導(dǎo)電流強度）在非穩(wěn)恒情況下，電流也是延續(xù)閉合的。+-dIcI二、全電流二、全電流假設(shè)電路中同時有傳導(dǎo)電流和位移電流經(jīng)過某一截面，那么二者之和稱為全電流。ddDjjjjdt全DddIIIIdt全全電流電流密度：全電流電流強度：全電流在任何情況下總是延續(xù)的。傳導(dǎo)電流與位移電流的區(qū)別：dII位傳流移電流導(dǎo)電熱效應(yīng)起源存在媒體導(dǎo)體導(dǎo)體、電介質(zhì)、真空變化的電場電荷的運動不產(chǎn)生焦耳熱有三、位移電流的磁場三、位移電流的磁場麥克斯韋以為：位移電流激發(fā)磁場的規(guī)律與傳導(dǎo)電流一樣。全電流定理：ddLHdlIdHdtDdjd在磁場中沿任一閉合回

5、路磁場強度的線積分，在數(shù)值上等于該閉合回路內(nèi)傳導(dǎo)電流和位移電流的代數(shù)和。LSdIIDH dlIIdSt全位移電流的意義： 提示了電場和磁場的內(nèi)在聯(lián)絡(luò)DSdDdSdtt渦旋磁場結(jié)論：傳導(dǎo)電流和位移電流都能激發(fā)渦旋磁場。結(jié)論：傳導(dǎo)電流和位移電流都能激發(fā)渦旋磁場。 位移電流的引入深化地提示了電場和磁場的內(nèi)位移電流的引入深化地提示了電場和磁場的內(nèi)在聯(lián)絡(luò)，反映了自然界對稱性的美。法拉第電磁在聯(lián)絡(luò)，反映了自然界對稱性的美。法拉第電磁感應(yīng)定律闡明了變化磁場可以產(chǎn)生渦旋電場，位感應(yīng)定律闡明了變化磁場可以產(chǎn)生渦旋電場，位移電流假設(shè)的本質(zhì)那么是闡明變化電場可以產(chǎn)生移電流假設(shè)的本質(zhì)那么是闡明變化電場可以產(chǎn)生渦旋磁場

6、。變化的電場和變化的磁場相互聯(lián)絡(luò)，渦旋磁場。變化的電場和變化的磁場相互聯(lián)絡(luò)，相互激發(fā)，構(gòu)成一個一致的電磁場。相互激發(fā)，構(gòu)成一個一致的電磁場。解：解：tDjD (1)平行板之間的電場為：平行板之間的電場為：D= SQ tQS 1tSQo cos jD均勻分布在橫截面上，與傳導(dǎo)電流同向。均勻分布在橫截面上，與傳導(dǎo)電流同向。a例例1.一圓形平行板電容器，兩極板的半徑為一圓形平行板電容器，兩極板的半徑為a。設(shè)其。設(shè)其 正在充放電，電荷按規(guī)律正在充放電，電荷按規(guī)律Q=Qosint變化，忽略變化，忽略 邊緣效應(yīng)。求：兩極板間恣意點的邊緣效應(yīng)。求：兩極板間恣意點的 jD 和和 ？dIcosdDoIjSQt2

7、位移電流強度：位移電流強度：:解1電容器兩極板間的位移電流2以兩板中心連線為軸，取半徑為r的圓形回路，應(yīng)用全電流定律Rr例例2. 有一平板電容器，兩極板是半徑有一平板電容器，兩極板是半徑R=0.1m的導(dǎo)的導(dǎo)體圓板，勻速充電使電容器兩極板間電場的變化率為體圓板，勻速充電使電容器兩極板間電場的變化率為 。求：。求：(1)位移電流；位移電流；(2)兩極板間兩極板間離兩板中心連線為離兩板中心連線為r處的磁感強度處的磁感強度 和和r=R處的處的 。111310smVdtdErBRBDddIdtdtdIl dHDL20dDdESRdtdt2.8( )A全電流為通過圓形回路的電流時當(dāng) Rr rBrHl dH

8、L2200 ; I dtdErrB0202dtdErB200此時，此時，B r。RrdtdIl dHDLDDS20 DrddEdtdt20Er時當(dāng) Rr rBrHl dHL220200 ; DSddDdEIdtddtRt所以所以dtdERrB0202rdtdERB2002此時，此時，B 。r1時當(dāng) Rr )(106 . 52800TdtRdEBBrRRr例例3.一空氣平行板電容器，略去邊緣效應(yīng)。一空氣平行板電容器，略去邊緣效應(yīng)。1充電終了后，斷開電源，然后拉開兩極板。充電終了后，斷開電源，然后拉開兩極板。 此過程中兩極板間能否有此過程中兩極板間能否有 jD？2充電終了后，仍接通電源，然后拉開兩

9、極板。充電終了后，仍接通電源，然后拉開兩極板。 此過程中兩極板間能否有此過程中兩極板間能否有 jD？為什么？為什么？jD=0jD0dEU EdU,不不變變，D 改動！改動！ 例例1 有一圓形平行平板電容器有一圓形平行平板電容器, .現(xiàn)對現(xiàn)對其充電其充電,使電路上的傳導(dǎo)電流使電路上的傳導(dǎo)電流 ,假設(shè)略去邊緣效應(yīng)假設(shè)略去邊緣效應(yīng), 求求1兩極板間的位移電流兩極板間的位移電流;2兩極板間分開軸線的間隔為兩極板間分開軸線的間隔為 的點的點 處的處的磁感強度磁感強度 . cm0 . 3RA5.2ddctQIcm0 . 2rPRcIPQQcI*r 解解 如圖作一半徑如圖作一半徑 為為 平行于極板的圓形平行

10、于極板的圓形回路，經(jīng)過此圓面積的回路，經(jīng)過此圓面積的電位移通量為電位移通量為r) (2rD QRr22tQRrtIdddd22dDddcdIIIlHltQRrrHdd) 2(22tQRrtIdddd22dtQRrBdd 220tQRrHdd 22計算得計算得T1011. 15BA1 . 1dI代入數(shù)據(jù)計算得代入數(shù)據(jù)計算得RcIPQQcIr*132 麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組一、有電介質(zhì)時的高斯定理：電場中經(jīng)過恣意封鎖曲面的電位移通量，等于該曲面所包圍的自在電荷的代數(shù)和。0 SD dSq(1)（電荷總伴隨有電場）二、電場靜電場和感應(yīng)電場的環(huán)路定理：(2)（變化的磁場一定伴隨有電場）三、磁場的高

11、斯定理：0 B dS (3)（磁感應(yīng)線是無頭無尾的）電場強度沿恣意閉合曲線的線積分等于以該曲線為邊線的曲面的磁通量的變化率的負值。經(jīng)過恣意閉合曲面的磁通量恒等于零。LSBE dldSt 四、全電流定理：dLSDH dlIIIIdSt全在磁場中沿任一閉合回路磁場強度的線積分，在數(shù)值上等于該閉合回路內(nèi)傳導(dǎo)電流和位移電流的代數(shù)和。(4)（傳導(dǎo)電流或變化的電場產(chǎn)生磁場）麥克斯韋方程組的積分方式：0 SD dSq BE dldSt 0 B dSdLSDH dlIIIIdSt全三個介質(zhì)性質(zhì)方程：DEBHjE麥克斯韋方程組是完全描畫電磁場的動力學(xué)方程。麥克斯韋方程組的微分方式麥克斯韋方程組的微分方式 ： D

12、0 BtBEtDjH麥克斯韋的電磁實際的特點：麥克斯韋的電磁實際的特點： 電場與磁場以及時間空電場與磁場以及時間空間的明顯對稱性。間的明顯對稱性。 物理概念創(chuàng)新；物理概念創(chuàng)新； 邏輯體系嚴密；邏輯體系嚴密； 數(shù)學(xué)方式簡單優(yōu)美；數(shù)學(xué)方式簡單優(yōu)美； 演繹方法出色；演繹方法出色；134 電磁波平面電磁波電磁波平面電磁波一、電磁波：電磁場在空間中的傳播二、平面簡諧電磁波的動搖方程及性質(zhì)0122222tEvxE0122222tHvxHvxtEEcos0vxtHHcos0在空間中，充溢變化磁場電場的空間，同時充溢變化的電場磁場，構(gòu)成電磁場。其中波速其中波速1vvHEXYZovXYZovHE根本性質(zhì)：根本性

13、質(zhì)：(4)波速波速 為有限值為有限值,1v1電磁波是橫波，電磁波是橫波， ， ， 兩兩相互垂直。兩兩相互垂直。EHv2偏振性，偏振性， ， 分別在各自的平面方向上振動。分別在各自的平面方向上振動。 EH3 ， 同相變化。且同相變化。且EHHE光波為電磁波smC800109979. 21真空中真空中能量體密度能量體密度2221HEme 單位時間內(nèi)經(jīng)過垂直于波傳播方向單位面積單位時間內(nèi)經(jīng)過垂直于波傳播方向單位面積 上的能量，用上的能量，用 表示。表示。SdWvdt dAdWSvdAdt12EHHE思索方向關(guān)系有：思索方向關(guān)系有：能流密度矢量坡印廷矢量：能流密度矢量坡印廷矢量：HESdAvdtS能流

14、密度：能流密度：EH222vEH例例 2. 一長直螺線管。導(dǎo)線中通有電流一長直螺線管。導(dǎo)線中通有電流 i，且電流隨，且電流隨時間的變化率時間的變化率 ，螺線管單位長度的匝數(shù)為，螺線管單位長度的匝數(shù)為n，半，半徑為徑為R，管內(nèi)磁導(dǎo)率為，管內(nèi)磁導(dǎo)率為 。求：。求：1螺線管內(nèi)與軸線螺線管內(nèi)與軸線相距為相距為 r 的的A點處的磁場強度點處的磁場強度 H；2A 點處的感生點處的感生電場強度電場強度 ；3A點處的坡印廷矢量點處的坡印廷矢量 S。0d iad t感E:解 RBA1管內(nèi)磁感應(yīng)強度:方向程度向左。方向程度向左。niB磁場強度:AHniBH 感感rEl dEL2半徑為 r 的閉合回路 L ，那么2

15、根據(jù) ，在管的橫截面內(nèi)取 dtdl dEmL感dtdinrdtdBrdtdm22dtdinrE2感式中的負號表示 是對抗電流的變化的。感E3A 點處的坡印廷矢量的量值為：dtdirinEHS221 在軸線上即 r =0處，S=0。根據(jù) ，S 的方向垂直指向螺線管的軸線HESEroLHS螺線管內(nèi)的電磁能量是不向外輻射的。電磁波譜電磁波譜 電磁波譜電磁波譜 nm/Hz/Hz/m/名稱長波中波中短波短波米波微波分米波厘米波毫米波波長300003000m3000200m20050m5010m101m10010cm101cm10.1cm頻率10100kHz1001500kHz1.56MHz630MHz3

16、0300MHz3003000MHz300030000MHz30000300000MHz主要用途越洋長距離通信和導(dǎo)航無線電廣播電報通信無線電廣播和電報通信調(diào)頻無線電廣播、電視廣播和無線電導(dǎo)航電視、雷達、無線電導(dǎo)航等無線電波的波長范圍和用途：無線電波的波長范圍和用途：無線電波無線電波紅外線紅外線 ： 0.6 mm760 nm 熱效應(yīng)；不易被大氣和濃霧吸收。熱效應(yīng)；不易被大氣和濃霧吸收?？梢姽猓嚎梢姽猓?760 nm400 nm 能使人眼產(chǎn)生光的覺得。能使人眼產(chǎn)生光的覺得。 紫外線：紫外線： 400 nm5 nm有明顯的化學(xué)效應(yīng)和熒光效應(yīng)，也有有明顯的化學(xué)效應(yīng)和熒光效應(yīng)，也有較強的殺菌身手。較強的殺菌身手。 X射線：射線： 5 nm 0.04 nm 穿透才干強，在醫(yī)療上用于透視和病穿透才干強，在醫(yī)療上用于透視和病理檢查；在工業(yè)上用于檢查金屬資料理檢查；在工業(yè)上用于檢查金屬資料內(nèi)部的缺陷和分析晶體構(gòu)造等。內(nèi)部的缺陷和分析晶體構(gòu)造等。 穿透力比穿透力