位移電流真空中麥克斯維方程組NEW市公開課獲獎?wù)n件

1、+-教材：第13章13.1節(jié)（書本上內(nèi)容為有介質(zhì)時方程，無需認(rèn)真閱讀；13.2節(jié)不做要求）作業(yè)：練習(xí)20零、回想：電流強度、電流密度（第9章，概念）一、位移電流 全電流安培環(huán)路定理（注意與傳導(dǎo)電流區(qū)別）二、電磁場 麥克斯韋電磁場方程積分形式（僅真空中）第1頁第1頁18奧斯特電磁1831年法拉第磁電產(chǎn)生產(chǎn)生改變電場磁場改變磁場電場激發(fā)引入 第2頁第2頁非真空時靜電場和穩(wěn)恒磁場基本規(guī)律靜電場穩(wěn)恒磁場變 課外 第3頁第3頁 真空中電磁場規(guī)律：對靜電場：對穩(wěn)恒磁場：有改變磁場：思考 第4頁第4頁5一、問題提出對穩(wěn)恒電流對S1面對S2面矛盾 穩(wěn)恒磁場安培環(huán)路定理已不適合用于非穩(wěn)恒電流電路。改變磁場產(chǎn)生感

2、生電場改變電場產(chǎn)生磁場？非穩(wěn)恒電流情況：+-第5頁第5頁6處理問題思緒： 尋找極板上傳導(dǎo)電流與極板間 改變電場之間關(guān)系。二、 位移電流假設(shè)非穩(wěn)恒電路中，在傳導(dǎo)電流中斷處必發(fā)生電荷分布改變。出現(xiàn)矛盾原因：非穩(wěn)恒情況下傳導(dǎo)電流不連續(xù)。電容器在充放電過程中，傳導(dǎo)電流在兩極板之間中斷，造成極板上電荷積累隨時間改變，使得兩極板間電場隨時間改變。+-第6頁第6頁7麥克斯韋假設(shè)這種電場改變能夠等效為一個電流，稱為位移電流。能夠得到，某一時刻位移電流大小和方向，和該時刻電路中傳導(dǎo)電流大小和方向同樣。強調(diào)：位移電流是由改變電場等效而來。這樣，在傳導(dǎo)電流中斷地方，就有位移電流接上去了，保持了電流連續(xù)性。+-第7頁

3、第7頁公式（真空時） 設(shè)極板面積為S，某時刻極板上自由電荷面密度為 ，兩極板間，電場強度、電位移及電位移通量分別為：電位移通量隨時間改變率等于導(dǎo)線中傳導(dǎo)電流強度。麥克斯韋稱 為位移電流。+-第8頁第8頁9位移電流強度：位移電流密度：即：電場中某點位移電流密度等于該點電位移矢量對時間改變率；通過電場中某面積位移電流強度等于通過該面積電位移通量對時間改變率。 麥克斯韋從理論上推出位移電流和改變電場之間關(guān)系。得到：第9頁第9頁10麥克斯韋進(jìn)一步假設(shè)：位移電流和傳導(dǎo)電流同樣在其周圍空間也能激發(fā)磁場，并且這磁場與等值傳導(dǎo)電流所激發(fā)磁場完全相同。因此，在非穩(wěn)恒情況下，安培環(huán)路定理普通形式為：位移電流傳導(dǎo)電

4、流(全電流安培環(huán)路定理)三、 全電流安培環(huán)路定理第10頁第10頁11麥克斯韋提出全電流概念：（處理了非穩(wěn)恒情況電流連續(xù)性問題）第11頁第11頁12位移電流含有磁效應(yīng)與傳導(dǎo)電流相同。第12頁第12頁載流子宏觀定向運動改變電場和極化電荷微觀運動只在導(dǎo)體中存在并產(chǎn)生焦耳熱無焦耳熱，在導(dǎo)體、電介質(zhì)、真空中均存在都能激發(fā)磁場起源特點共同點傳導(dǎo)電流位移電流四、位移電流、傳導(dǎo)電流比較第13頁第13頁14例：半徑R=0.1m兩塊導(dǎo)體圓板，構(gòu)成空氣平板電容器。充電時，極板間電場強度以dE/dt =1012Vm-1s-1 改變率增長。求：（1）兩極板間位移電流ID；（2）距兩極板中心連線為 r（r R） 處磁感應(yīng)

5、強度Br 和r =R處磁感應(yīng)強度BR（忽略邊沿效應(yīng)）解：忽略邊沿效應(yīng)，兩極板間電場可視為均勻分布兩板間位移電流為：第14頁第14頁15依據(jù)對稱性，以兩板中心連線為圓心、半徑為r作閉合回路L，由全電流定律有：當(dāng) r = R 時：第15頁第15頁16 麥克斯韋提出渦旋電場和位移電流假說關(guān)鍵思想是：改變磁場能夠激發(fā)渦旋電場，改變電場能夠激發(fā)渦旋磁場；電場和磁場不是彼此孤立，它們互相聯(lián)系、互相激發(fā)構(gòu)成一個統(tǒng)一電磁場。 將電場和磁場所有規(guī)律綜合起來，麥克斯韋終于建立了完整電磁場理論體系。這個電磁場理論體系關(guān)鍵就是麥克斯韋方程組 。五、麥克斯韋方程組第16頁第16頁17 空間既有靜電場和穩(wěn)恒磁場，又有改變

6、電場和改變磁場。靜止電荷產(chǎn)生靜電場改變磁場產(chǎn)生感生電場傳導(dǎo)電流磁場改變電場（位移電流）磁場五、麥克斯韋方程組（續(xù)）第17頁第17頁181、電場高斯定理靜電場是有源場、感生電場是無源場。表示：通過任意閉合面電通量等于該曲面所包圍 自由電荷代數(shù)和除以 。第18頁第18頁192、磁場高斯定理傳導(dǎo)電流、位移電流產(chǎn)生磁場都是無源場。表示：通過任意閉合面磁通量恒等于零。第19頁第19頁203、電場環(huán)路定理靜電場是保守場，改變磁場能夠激發(fā)渦旋電場。表示：電場強度沿任意閉合曲線線積分等于以該曲線為邊界任意曲面磁通量對時間改變率負(fù)值。第20頁第20頁214、全電流安培環(huán)路定理傳導(dǎo)電流和改變電場都能夠激發(fā)渦旋磁場

7、。表示：磁感應(yīng)強度沿任意閉合曲線線積分等于穿過以該曲線為邊界曲面全電流 倍。第21頁第21頁22這四個方程是關(guān)于真空麥克斯韋方程組積分形式。在有介質(zhì)情況下，利用電位移矢量和磁場強度矢量。第22頁第22頁23 電磁場基本問題就是在給定邊界條件下，利用介質(zhì)方程和對帶電粒子受力分析，求解麥克斯韋方程組，得到場量時空分布規(guī)律，并在工程實際中加以應(yīng)用。 【課外】利用矢量分析這一數(shù)學(xué)工具，可將積分形式方程組改寫為對稱性更高微分形式。第23頁第23頁24 以麥克斯韋方程組為關(guān)鍵電磁理論，是典型物理學(xué)最引以自豪成就之一。它所揭示出電磁互相作用完美統(tǒng)一，為物理學(xué)家樹立了這樣一個信念： 麥克斯韋方程組在電磁學(xué)中地

8、位，如同牛頓運動定律在力學(xué)中地位同樣。物質(zhì)各種互相作用在更高層次上應(yīng)當(dāng)是統(tǒng)一另外，這個理論被廣泛地應(yīng)用到技術(shù)領(lǐng)域。 第24頁第24頁25 麥克斯韋方程組一個直接主要推論是預(yù)言了電磁波存在。依據(jù)交變電場（或磁場）可在周圍產(chǎn)生交變磁場（或電場）。麥克斯韋認(rèn)為這種交變電磁場可不斷由振源向遠(yuǎn)處傳播開來，電磁振蕩在空間傳播就形成了電磁波。 麥克斯韋還推導(dǎo)出了電磁波在真空中傳播速度為： 并由此推斷光就是電磁波。第25頁第25頁26深刻、完美、新奇麥克斯韋方程組于1964年提出，但開始并不被人們接受。直到1888年，赫茲用試驗證實了電磁波存在，并證實了電磁波不但傳播速度和光速同樣，并且有類似光特性（反射、折

9、射、衍射、偏振等）。從此麥克斯韋方程組才被世人公認(rèn)。麥克斯韋不但將電學(xué)與磁學(xué)完全統(tǒng)一起來，并且又將他們與光學(xué)統(tǒng)一起來，實現(xiàn)了物理學(xué)史上繼牛頓力學(xué)建立和能量守恒提出以來第三次大綜合。第26頁第26頁27麥克斯韋奉獻(xiàn)不但在于科學(xué)理論本身，并且為后人提供了豐富科學(xué)思想和研究辦法。值得指出是，他是英國科學(xué)史上創(chuàng)建和領(lǐng)導(dǎo)了在當(dāng)代科學(xué)革命起先鋒作用卡文迪許試驗室，并為該試驗室立下了方針、政策和宗旨，指導(dǎo)試驗室培養(yǎng)了無數(shù)科學(xué)人才，取得了大量杰出結(jié)果。第27頁第27頁28第28頁第28頁29 麥克斯韋（1831-1879）英國物理學(xué)家。典型電磁理論奠基人 , 氣體動理論創(chuàng)始人之一。他提出了渦旋電場和位移電流概

10、念 , 建立了典型電磁理論 , 并預(yù)言了以光速傳播電磁波存在。在氣體動理論方面 , 他還提出了氣體分子按速率分布統(tǒng)計規(guī)律。第29頁第29頁30 1865 年麥克斯韋在總結(jié)前人工作基礎(chǔ) 上，提出完整電磁場理論，他主要奉獻(xiàn)是提出了“渦旋電場”和“位移電流”兩個假設(shè)，從而預(yù)言了電磁波存在，并計算出電磁波速度（即光速）。 1888 年赫茲試驗證實了他預(yù)言，麥克斯韋理論奠定了典型動力學(xué)基礎(chǔ)，為無線電技術(shù)和當(dāng)代電子通訊技術(shù)發(fā)展開辟了遼闊前景。 ( 真空中 )第30頁第30頁31麥克斯韋 在1999年，英國廣播公司（BBC）所評選出10來最偉大10位思想家中麥克斯韋與馬克思、愛因斯坦、牛頓等人一起榜上有名，

11、他排名第九。 后由英國雜志物理世界在100位著名物理學(xué)家中選出10位最偉大者中，麥克斯韋緊跟愛因斯坦和牛頓排名第三。第31頁第31頁32 end赫茲-德國物理學(xué)家 赫茲對人類偉大奉獻(xiàn)是用試驗證實了電磁波存在，發(fā)覺了光電效應(yīng)。1888年，成了近代科學(xué)史上一座里程碑。開創(chuàng)了無線電電子技術(shù)新紀(jì)元。赫茲對人類文明作出了很大奉獻(xiàn)，合法人們對他寄以更大盼望時，他卻于1894年因血中毒去世，年僅36歲。為了紀(jì)念他功績，人們用他名字來命名各種波動頻率單位，簡稱“赫”。第32頁第32頁 麥克斯韋（1831-1879）英國物理學(xué)家 . 典型電磁理論奠基人 , 氣體動理論創(chuàng)始人之一 . 他提出了有旋場和位移電流概念

12、 , 建立了典型電磁理論 , 并預(yù)言了以光速傳播電磁波存在 .在氣體動理論方面 , 他還提出了氣體分子按速率分布統(tǒng)計規(guī)律.課外 非真空方程組解說 第33頁第33頁 1865 年麥克斯韋在總結(jié)前人工作基礎(chǔ) 上，提出完整電磁場理論，他主要奉獻(xiàn)是提出了“有旋電場”和“位移電流”兩個假設(shè)，從而預(yù)言了電磁波存在，并計算出電磁波速度（即光速）. 1888 年赫茲試驗證實了他預(yù)言, 麥克斯韋理論奠定了典型動力學(xué)基礎(chǔ)，為無線電技術(shù)和當(dāng)代電子通訊技術(shù)發(fā)展開辟了遼闊前景. ( 真空中 )第34頁第34頁一 位移電流 全電流安培環(huán)路定理+-I（以 L 為邊做任意曲面 S ）穩(wěn)恒磁場中,安培環(huán)路定理第35頁第35頁 麥克斯韋假設(shè) 電場中某一點位移電流密度等于該點電位移矢量對時間改變率. 位移電流密度 +-IIAB第36頁第36頁 位移電流 位移電流密度 通過電場中某一截面位移電流等于通過該截面電位移通量對時間改變率.+- 全電流第37頁第37頁1）全電流是連續(xù)；2）位移電流和傳導(dǎo)電流同樣激發(fā)磁場；3）傳導(dǎo)電流產(chǎn)生焦耳熱，位移電流不產(chǎn)生焦耳熱.+- 全電流第38頁第38頁 例1 有一圓形平行平板電容器, .現(xiàn)對其充電,使電路上傳導(dǎo)電流 ,若略去邊沿效