Ch8-6 位移電流 電磁場(chǎng)基本方程的積分形式

第八章電磁感應(yīng)定律

電磁場(chǎng)位移電流一、隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)感生電場(chǎng)(渦旋電場(chǎng))？隨時(shí)間變化的電場(chǎng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)應(yīng)該對(duì)稱！

英國(guó)物理學(xué)家，經(jīng)典電磁理論的奠基人，氣體動(dòng)理論創(chuàng)始人之一。治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，擅長(zhǎng)數(shù)學(xué)。他提出了有旋場(chǎng)和位移電流的概念,建立了經(jīng)典電磁理論,并預(yù)言了以光速傳播的電磁波的存在。和諧、完美、統(tǒng)一、對(duì)稱麥克斯韋J.C.Maxwell2恒定磁場(chǎng)的安培環(huán)路定理在電容器充(放)電情況中遇到了問(wèn)題！++++IcIc2s對(duì)0ldHl中斷Ic兩極板間對(duì)s1充電時(shí)導(dǎo)線上的傳導(dǎo)電流IcIcldHl麥克斯韋研究了產(chǎn)生這種矛盾的原因,提出了位移電流假設(shè)全電流安培環(huán)路定理兩者發(fā)生矛盾.充電過(guò)程

Ic是變化的s1l2s公共周界3Ic傳導(dǎo)電流傳導(dǎo)電流密度cjD電位移數(shù)值(線的密度)D極板帶電量q都在變注意:兩極板間雖然沒(méi)有傳導(dǎo)電流,但有變化的電場(chǎng).電位移線的密度隨著極板電荷的增多而變密.充電過(guò)程t1++Ic1D1cj1q1q1+2t++++Ic2D2cj2q2q2+4充電過(guò)程中某時(shí)刻，t則FDtddqtdd電場(chǎng)中也具有電流的量綱與等量值,并Ic傳導(dǎo)電流Icqtdd電路中s作封閉面，s由高斯定理sFDDdsq解決了電流連續(xù)性問(wèn)題麥克斯韋提出了位移電流的概念：若把右端電通量的時(shí)間變化率看作為一種電流，則電路連續(xù)。拓展了安培環(huán)路定理++++IcDcjqq+5位移電流等于通過(guò)該截面電位移通量對(duì)時(shí)間的變化率.定義充電過(guò)程中某時(shí)刻tFDtddqtddIDIc位移電流位移電流FDtddIDeDtejD位移電流密度某一點(diǎn)位移電流密度等于該點(diǎn)Ic++++IcDqq+qtdd

ID在有電容器的電路中，極板表面中斷了的傳導(dǎo)電流，由位移電流繼續(xù)下去，兩者一起構(gòu)成電流的連續(xù)性。6全電流安培環(huán)路定理二、全電流傳導(dǎo)電流+位移電流定義:ScjdS+SdSeDteIDIcsI+ScjdS+SDjdS比較位移電流僅由變化的電場(chǎng)所引起,它既可沿導(dǎo)體傳播,也可脫離導(dǎo)體不產(chǎn)生焦耳熱.在真空中傳播,但I(xiàn)DIc傳導(dǎo)電流是由運(yùn)動(dòng)的電荷產(chǎn)生,在導(dǎo)體中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生焦耳熱.傳導(dǎo)電流只在導(dǎo)體中存在；7ldHlIDIcsI+全電流對(duì)恒定和非恒定情況均適用.Ic0在兩極板間ldlHIDdsteeDSDlIc充電過(guò)程SS'解決了恒定磁場(chǎng)的安培環(huán)路定理在電容器充(放)電情況中的矛盾！重大意義:表明傳導(dǎo)電流位移電流都能產(chǎn)生磁場(chǎng)物理本質(zhì)：激發(fā)（變化）磁場(chǎng)（變化）電場(chǎng)8三、位移電流的磁場(chǎng)性質(zhì)：右旋的渦旋場(chǎng)ldlHdsteeDSldlEdsteeBSEteeB左旋渦旋場(chǎng)HteeD右旋渦旋場(chǎng)對(duì)稱美9回顧麥克斯韋先后的兩個(gè)重要發(fā)現(xiàn)變化的磁場(chǎng)感生電場(chǎng)LdlEBdtFdmBdssdtdsdtdBdsB()t0BddtEBB變化的電場(chǎng)變化的磁場(chǎng)D()t0DddtHsDtdsddldlHdtFdDDdssdtd四、麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論10(中年)麥克斯韋(1831-1879)在充滿變化的電場(chǎng)空間同時(shí)也充滿變化的磁場(chǎng),變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)相互激發(fā)、相互依存電場(chǎng)和磁場(chǎng)的統(tǒng)一體稱為電磁場(chǎng)都只不過(guò)是電磁場(chǎng)的兩種特殊的表現(xiàn)形式穩(wěn)恒磁場(chǎng)靜電場(chǎng)和如果不考慮介質(zhì)吸收電磁場(chǎng)能量,則電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程會(huì)永遠(yuǎn)循環(huán)下去,形成相互聯(lián)系在一起的不可分割的統(tǒng)一的電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng),并由近及遠(yuǎn)地傳播出去形成電磁波。預(yù)言：11麥克斯韋對(duì)高斯定理電場(chǎng)環(huán)路定理磁場(chǎng)高斯定理環(huán)路定理的推廣1.推廣后的電場(chǎng)環(huán)路定理ldlE+ldlE靜ldlE感0+((stBdseestBdsee空間任一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度麥克斯韋認(rèn)為:靜EE+E感空間任一點(diǎn)的電位移矢量靜DD+D感122.推廣后的電場(chǎng)高斯定理感SdSD靜SdSD+SdSDSqi+0SqidVrV對(duì)于電荷連續(xù)分布帶電體3.推廣后的磁場(chǎng)高斯定理無(wú)論穩(wěn)恒磁場(chǎng)或變化電場(chǎng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)都是無(wú)源場(chǎng)SdSB04.推廣后的磁場(chǎng)環(huán)路定理也就是我們前面已經(jīng)討論過(guò)的全電流安培環(huán)路定理ldHlIDIcsI+ScjdS+SdSeDte((Scj+eDteSd131.電場(chǎng)環(huán)路定理ldlEstBdsee2.電場(chǎng)高斯定理SdSDdVrV3.磁場(chǎng)高斯定理SdSB04.磁場(chǎng)環(huán)路定理ldHl((Scj+eDteSd麥克斯韋方程組(積分形式)方程組是電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的全面總結(jié)和高度概括被譽(yù)為電磁學(xué)中的牛頓定律14(簡(jiǎn)易的表述形式)qdsD-EldLmdtdF電場(chǎng)高斯定理環(huán)路定理電荷總伴隨有電場(chǎng)變化磁場(chǎng)一定伴隨有電場(chǎng)感應(yīng)電場(chǎng)線是無(wú)頭無(wú)尾的SisBds0磁場(chǎng)高斯定理環(huán)路定理磁場(chǎng)是無(wú)源場(chǎng)變化電場(chǎng)一定伴隨有磁場(chǎng)磁力場(chǎng)線是無(wú)頭無(wú)尾的Hld+ILDdtdFSics理解麥克斯韋方程組15理解麥克斯韋方程組揭示了電磁場(chǎng)的統(tǒng)一性和相對(duì)性空間帶電體對(duì)相對(duì)其靜止的觀察者—靜電場(chǎng)對(duì)相對(duì)其運(yùn)動(dòng)的觀察者電場(chǎng)電磁波可脫離電荷、電流在空間傳播麥克斯韋于1862年預(yù)言電磁波的存在能推斷和解釋一切電磁現(xiàn)象，且邏輯體系嚴(yán)密、數(shù)學(xué)形式簡(jiǎn)潔它完整地反映和概括了電磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律16理解麥克斯韋方程組電磁波的傳播速率真空中u1me000318ms真空中光速c它預(yù)言了光的電磁本性，將光學(xué)和電磁學(xué)統(tǒng)一起來(lái)電磁場(chǎng)是最簡(jiǎn)單的規(guī)范場(chǎng)，蘊(yùn)藏著完美的對(duì)稱結(jié)構(gòu)——電磁對(duì)稱它在技術(shù)上的應(yīng)用促進(jìn)了電子技術(shù)和生產(chǎn)力的高速發(fā)展近代一切電報(bào)、無(wú)線電、雷達(dá)、電視、計(jì)算機(jī)等……麥克斯韋方程的應(yīng)用而已愛因斯坦評(píng)價(jià)說(shuō):“這個(gè)理論是以場(chǎng)為基本量的革命性的理論”.17簡(jiǎn)單、對(duì)稱、和諧、統(tǒng)一理解麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組是符合這些審美準(zhǔn)則的典范DrB0tBeeEH+JtDee我們能夠欣賞麥克斯韋方程中的美，也就懂得它蘊(yùn)含的物理意義我們只有懂得麥克斯韋方程所蘊(yùn)含的物理意義，才能欣賞它的美原天地之美，而達(dá)萬(wàn)物之理——莊子18DH+++++tVk2求兩極板間的IDjD、HB、分布已知極板半徑R電容CVtk2電源電壓真空0mldlHdss兩極板間jDIDFDdtdtdd((dtdqCVCtdd(tk2(Ctk2IDSpR2Ctk2jDp2Hrpr2H2rrpR2CtkB0mH0mrpR2CtkjDjD例19位移電流tdIDFDdDe0E2FDSDDpRpR2e0EIDFDdtdpR2e0Edtd已知：Re0D空氣電容器Edtde0R,,例求：ID位移電流例20接高壓電源振蕩火花誘發(fā)火花赫茲(1857-1894)25年后,赫茲于1887年首次從實(shí)驗(yàn)中獲得了電磁波.將感應(yīng)線圈電極產(chǎn)發(fā)射:帶有筒球和鋅板的生的振蕩高壓,接至接收:彎成圓弧形的銅線兩端接有銅球,調(diào)節(jié)銅球間的距離,能產(chǎn)生誘發(fā)火花,表明接收到電磁波.產(chǎn)生振蕩火花,發(fā)射電磁波.導(dǎo)體棒,兩銅球之間五、電磁波21從LC振蕩電路到振蕩電偶極子1.電磁波的產(chǎn)生~振蕩電路LCLC激勵(lì)源~激勵(lì)源振蕩電路LC半開放式~激勵(lì)源振蕩電路LC開放式~激勵(lì)源振蕩電偶極子22E與H平面EH+~+~極軸在子午面(一系列包含極軸的平面)內(nèi).E在與赤道面平行的平面內(nèi).H振蕩電偶極子發(fā)射的電磁波23傳播方向rEH振蕩電偶極子發(fā)射的電磁波在子午面(一系列包含極軸的平面)內(nèi).E在與赤道面平行的平面內(nèi).H傳播方向沿的方向.rEH與相互垂直.EH波場(chǎng)中任一點(diǎn)的+~+~極軸OEEHHO+~rr+~24接收1該接收天線與E平行時(shí),.eilEdl的絕對(duì)值最大該接收天線與E垂直時(shí),.eilEdl的絕對(duì)值最小用直線天線接收E波E超高頻發(fā)射天線25接收2接收線圈的法線與穿過(guò)線的絕對(duì)值最小sdtdBdsi接收線圈的法線與穿過(guò)線的絕對(duì)值最大sdtdBdsi用環(huán)形天線接收H波超高頻發(fā)射天線H26平面電磁波~+波源遠(yuǎn)離波源處的波面近似于平面E電振動(dòng)磁振動(dòng)HrEH、相互垂直，且都垂直于傳播方向。EH、u、且構(gòu)成右旋直角坐標(biāo)。三者相互垂直，u方向傳播HE沿2.平面電磁波27平面電磁波方程EruH介質(zhì)em,電振幅OEH0磁振幅E.cosw()turE0HH0cosw()tur電波方程磁波方程同頻率同相位EH、，28EruH介質(zhì)em,電振幅OEH0磁振幅磁場(chǎng)能量密度電場(chǎng)能量密度21mH221HBwmmHBeED21eE221EDwe電磁波中的wewmeE2mH2有即eEmHeEmH00平面電磁波的振幅29電磁波的波速波速取決于媒質(zhì)的物理性質(zhì)em若,給定理論和實(shí)驗(yàn)都能證明波速ume1真空中u1me008.854011212.56601710318ms等于真空中光速c303.電磁波的基本性質(zhì)eEmH00同頻率同相位EH、，著重三點(diǎn):且都EHu構(gòu)成右旋直角坐標(biāo)E、H、uu1me31電磁波的波強(qiáng)波強(qiáng)I21EH00單位：W.m-2電磁波強(qiáng)的內(nèi)涵是平均能流密度ESuH介質(zhì)em,電振幅OEH0磁振幅電磁波的能流密度swuEHEHs坡印廷矢量sIsT10Tdts21EH0032電磁波譜紅外線紫外線微波無(wú)線電波X射線g射線可見光波長(zhǎng):1041810610210101012101104102410m1041810610210101011610104210281100210頻率:Hz33emE0H0由對(duì)真空有：H0E0e0m08.8510124p1075001.33Am1cos2pn((txcHy1.33得Am1EzcH真空OEH0xym0Hm14p107e08.851012Fm1Ex500(SI)cos2pn((txc已知