第十五章 电磁场理论的基本概念精选文档.ppt

1本讲稿第一页，共二十二页 15.2 15.2 电磁波的辐射和传播电磁波的辐射和传播 15.1 15.1 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组2本讲稿第二页，共二十二页教学要求教学要求1.1.理解位移电流及全电流定律；理解位移电流及全电流定律；2.2.理解麦克斯韦方程组的积分形式；理解麦克斯韦方程组的积分形式；能总结电磁场理论的基本概念。能总结电磁场理论的基本概念。3本讲稿第三页，共二十二页1.1.电磁场基本规律小结电磁场基本规律小结15.1 15.1 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组（1 1）静电场和静磁场的基本规律静电场和静磁场的基本规律静静电电场场静静磁磁场场4本讲稿第四页，共二十二页（2 2）感生电场的基本规律感生电场的基本规律变化的磁场产生电场，感生电场有如下性质变化的磁场产生电场，感生电场有如下性质变化的电场能否产生磁场变化的电场能否产生磁场?5本讲稿第五页，共二十二页恒定电流条件下：恒定电流条件下：非恒定电流情形：非恒定电流情形：对对S1面面对对S2面面二者产生矛盾二者产生矛盾2.2.位移电流位移电流 （分析（分析电容器充电电容器充电过程）过程）6本讲稿第六页，共二十二页电容器充放电电容器充放电时：时：某时刻极板上的电荷面密度为某时刻极板上的电荷面密度为，极板间的电位移矢量大小为极板间的电位移矢量大小为D=，且，且 的方向总的方向总与导线中的电流方向一致，与导线中的电流方向一致，+-充电充电+-放电放电7本讲稿第七页，共二十二页位移电流（位移电流（displacement current）假设假设(麦克斯韦麦克斯韦)：位移电流密度：位移电流密度：变化的电场本身也是一种电流。变化的电场本身也是一种电流。通过电场中某一截面的位移电流等于通过该截通过电场中某一截面的位移电流等于通过该截面的电位移通量的时间变化率。面的电位移通量的时间变化率。8本讲稿第八页，共二十二页全电流全电流：传导电流、位移电流的总和。：传导电流、位移电流的总和。全电流在空间永远是连续的闭合电流。全电流在空间永远是连续的闭合电流。全电流定律：全电流定律：电容器充电时：电容器充电时：9本讲稿第九页，共二十二页注意注意:（1）位移电流反应变化的电场，不表示有电荷的定向运）位移电流反应变化的电场，不表示有电荷的定向运动；有变化的电场，就有位移电流；动；有变化的电场，就有位移电流；（2）位移电流在导体中没有焦耳热。）位移电流在导体中没有焦耳热。（3）位移电流与传导电流一样激发磁场；）位移电流与传导电流一样激发磁场；（4）麦克斯韦提出的位移电流最初为假说，后来的实验和）麦克斯韦提出的位移电流最初为假说，后来的实验和实际应用证明它是正确的实际应用证明它是正确的.10本讲稿第十页，共二十二页3.3.麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 在在一一般般情情况况下下，空空间间的的电电磁磁场场包包含含两两部部分分，(1)一一部部分分是是由由电电荷荷及及传传导导电电流流产产生生的的;(2)另另一一部部分分是是由由变变化化的的电场或磁场产生的，即有电场或磁场产生的，即有:11本讲稿第十一页，共二十二页综合以上可得综合以上可得（麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组的积分形式）的积分形式）12本讲稿第十二页，共二十二页（1）麦克斯韦方程组的物理意义：）麦克斯韦方程组的物理意义：反映一般情况下电流电荷产生电磁场以及电磁反映一般情况下电流电荷产生电磁场以及电磁场相互激发的规律场相互激发的规律.电荷电荷电流电流电场电场磁场磁场变化变化变化变化运动运动激激发发激激发发(2)(2)预言了电磁波的存在；预言了电磁波的存在；(3)(3)光光是一种电磁波是一种电磁波.13本讲稿第十三页，共二十二页1.1.振荡电偶极子辐射的电磁波振荡电偶极子辐射的电磁波15.2 15.2 电磁波的电磁波的 辐射和传播辐射和传播 按麦克斯按麦克斯韦电韦电磁理磁理论论，当空，当空间间某区域内有随某区域内有随时时间变间变化的化的电电流或流或电电荷分布荷分布时时，空，空间间将将产产生生变变化的化的电电磁磁场场。而。而变变化的化的电电磁磁场场又可交替地激又可交替地激发发，从而使得，从而使得电电磁磁场场将由近及将由近及远远地向整个空地向整个空间传间传播。播。电电磁磁场场的的传传播播过过程称程称为为电电磁波磁波。14本讲稿第十四页，共二十二页 电电磁磁场场的的传传播的播的简单简单例子是振例子是振荡电荡电偶极子偶极子辐辐射射的的电电磁波。磁波。15本讲稿第十五页，共二十二页设设有一有一电电偶极子，其偶极子，其电电矩矩为为 ，若，若 ，这这种种电电偶极子称偶极子称为为振振荡电荡电偶极子偶极子.16本讲稿第十六页，共二十二页 在在远离电偶极子的空间远离电偶极子的空间的任意一点处，任意一时刻的的任意一点处，任意一时刻的电场和磁场的电场和磁场的方向方向如图所示，且如图所示，且大小大小为为（平面电磁波的波动方程平面电磁波的波动方程）17本讲稿第十七页，共二十二页2.平面电磁波的基本性质平面电磁波的基本性质a)与与 同相位；同相位；c)c)，振幅比为波速（因为，振幅比为波速（因为 相互垂直且相互垂直且 ）。）。b)构成右手螺旋关系，电磁波是构成右手螺旋关系，电磁波是横波横波；18本讲稿第十八页，共二十二页3.电磁波的能量电磁波的能量 以电磁波的形式传播出去的能量称为电磁波的以电磁波的形式传播出去的能量称为电磁波的辐射能辐射能.电磁波传播的区域中，单位体积内电磁场的电磁波传播的区域中，单位体积内电磁场的能量称为能量称为电磁波的能量密度电磁波的能量密度.其表达式如下其表达式如下 在单位时间内，通过垂直于电磁波传播方向上在单位时间内，通过垂直于电磁波传播方向上的单位面积播出去的电磁能称为的单位面积播出去的电磁能称为电磁波的能流密度电磁波的能流密度(电磁波的强度电磁波的强度)，用，用S表示：表示：（矢量（矢量S电磁波的电磁波的能流密度矢量能流密度矢量或为或为坡印廷矢量坡印廷矢量）19本讲稿第十九页，共二十二页4.电磁波谱电磁波谱 在真空中，各种电磁波都具有在真空中，各种电磁波都具有相同相同的传播速度，的传播速度，将各种电磁波按照波长或频率的大小顺序排列起来，就形将各种电磁波按照波长或频率的大小顺序排列起来，就形成了电磁波谱成了电磁波谱.如下图如下图 20本讲稿第二十页，共二十二页电磁波谱大致分区及各区域的用途电磁波谱大致分区及各区域的用途：（1 1）无线电波和微波无线电波和微波：长波：长波 ，主要用于远洋长，主要用于远洋长距离通讯；中波距离通讯；中波 和短波和短波 主要用于主要用于无线电广播、电报；超短波无线电广播、电报；超短波 和微波和微波 主要用于电视、雷达、无线电导航等。主要用于电视、雷达、无线电导航等。（2 2）红外线红外线 ：主要应用于红外侦察、：主要应用于红外侦察、红外制导、红外热成像、红外报警等。红外制导、红外热成像、红外报警等。（3 3）可见光可见光 ：人眼敏感区。：人眼敏感区。（4 4）紫外线紫外线 ：紫外线有显著的生理：紫外线有显著的生理作用和荧光效应，可用于杀菌。太阳发射的紫外线由作用和荧光效应，可用于杀菌。太阳发射的紫外线由于被大气层的臭氧吸收而不至于危及地球上的生命。于被大气层的臭氧吸收而不至于危及地球上的生命。21本讲稿第二十一页，共二十二页（5 5）X射线射线，又叫伦琴射线，又叫伦琴射线)：X射线通射线通常是由高速电子流轰击金属而产生的，具有很强的常是由高速电子流轰击金属而产生的，具有很强的穿透力，能使照相底片感光，使荧光物质发光，可穿透力，能使照相底片感光，使荧光物质发光，可用于医疗检查、金属探伤、晶体分析等。用于医疗检查、金属探伤、晶体分析等。（6 6）射线射线 ：射线通常是在核反应射线通常是在核反应以及其它高能过程中产生的，可用于金属探伤。优于手以及其它高能过程中产生的，可用于金属探伤。优于手术刀的术刀的 刀就是射线在医学方面的应用。刀就是射线在医学方面的应用。爆（即爆（即一种在极短时间内释放出无比巨大能量的突发性一种在极短时间内释放出无比巨大能量的突发性 射射线爆发现象）是天文学中最神秘的问题之一。线爆发现象）是天文学中最神秘的问题之一。22本讲稿第二十二页，共二十二页