二宏观电磁现象的基本规律PPT讲稿.ppt

二宏观电磁现象的基本规律第1页，共39页，编辑于2022年，星期四1.1 1.1 电场电场1.2 1.2 高斯定律高斯定律1.3 1.3 磁场磁场1.4 1.4 安培环路定律安培环路定律1.5 1.5 电磁感应定律电磁感应定律1.6 1.6 电磁场方程的积分形式电磁场方程的积分形式1.7 1.7 电磁场方程的微分形式电磁场方程的微分形式1.8 1.8 电磁场的边界条件电磁场的边界条件1.9 1.9 电磁场能量关系电磁场能量关系坡印亭定理坡印亭定理第2页，共39页，编辑于2022年，星期四 一一 库仑定律库仑定律 库仑定律库仑定律是静电现象的基本实验定律。大是静电现象的基本实验定律。大量试验表明量试验表明:真空中两个静止的点电荷真空中两个静止的点电荷 与与 之间的相互作用力之间的相互作用力:点电荷模型点电荷模型:当带电体本身的线度与相关长当带电体本身的线度与相关长度相比可以忽略不计时度相比可以忽略不计时,该带电体可以看成为点该带电体可以看成为点电荷电荷,可以利用点电荷的公式可以利用点电荷的公式,否则不能直接利否则不能直接利用点电荷的公式用点电荷的公式,而必须将带电体划分为点电荷而必须将带电体划分为点电荷的集合的集合,再利用积分求解。再利用积分求解。1.1 1.1 电场电场2023/1/3第3页，共39页，编辑于2022年，星期四库仑定律库仑定律点电荷点电荷 对点电荷对点电荷 的作用力。的作用力。适用条件适用条件 两个可视为点电荷的带电体之间相互作用力两个可视为点电荷的带电体之间相互作用力;无限大真空情况无限大真空情况(式中式中可推广到无限大各向同性均匀介质中可推广到无限大各向同性均匀介质中F/mF/m)第4页，共39页，编辑于2022年，星期四 二二 静电场基本量静电场基本量-电场强度电场强度 1.1.静电荷之间相互发生作用是靠什么来传递静电荷之间相互发生作用是靠什么来传递的的?2.现代物理认为电荷周围存在一种特殊运动现代物理认为电荷周围存在一种特殊运动形态的物质形态的物质-电场电场,静电荷之间是靠静电荷之间是靠电场电场来发生来发生作用的作用的;3.在电荷周围的电场是存在分布在电荷周围的电场是存在分布,而且是唯而且是唯一确定的一确定的,那么用何定量计算这些场的强度呢那么用何定量计算这些场的强度呢?2023/1/3第5页，共39页，编辑于2022年，星期四定义：V/m V/m(N/C)(N/C)电场强度（电场强度（Electric Field Intensity)Electric Field Intensity)E E 表示单位正电荷在电场中所受到的力表示单位正电荷在电场中所受到的力(F F),),它它是空间坐标的矢量函数是空间坐标的矢量函数,定义式给出了定义式给出了E E 的的大大小小、方向方向与与单位单位。为此引入为此引入电场强度电场强度的概念的概念2023/1/3第6页，共39页，编辑于2022年，星期四三三 点电荷的电场强度公式点电荷的电场强度公式V/mV/m2023/1/3第7页，共39页，编辑于2022年，星期四N个点电荷产生的电场强度个点电荷产生的电场强度对于连续的电荷分布对于连续的电荷分布第8页，共39页，编辑于2022年，星期四电荷体密度电荷体密度电荷面密度电荷面密度电荷线密度电荷线密度体分布体分布线分布线分布面分布面分布第9页，共39页，编辑于2022年，星期四体电流密度体电流密度 电流与电流密度电流与电流密度电流电流 单位时间内穿过面积单位时间内穿过面积S的电荷量。其单位为的电荷量。其单位为A（安培）安培）体电流密度体电流密度设电流呈体分布设电流呈体分布流过任意曲面的电流流过任意曲面的电流式中式中 的法线方向与电流的方向一致。的法线方向与电流的方向一致。第10页，共39页，编辑于2022年，星期四面电流密度面电流密度设电流呈面分布设电流呈面分布面电流密度面电流密度 式中式中 的方向与电流的方向垂直的方向与电流的方向垂直流过任意流过任意 的电流的电流而而于是于是所以穿过任意曲线的电流所以穿过任意曲线的电流第11页，共39页，编辑于2022年，星期四 1.选取选取微元微元 例题例题:真空中有长为真空中有长为L L的均匀带电直导的均匀带电直导线线,电荷线密度为电荷线密度为 ,试求试求P P点的电场点的电场强度。强度。P P解解:利用利用微元法微元法微元法微元法的步骤如下的步骤如下:微元微元选在什么地方呢选在什么地方呢?所以必须建立坐标系。所以必须建立坐标系。xdx在离原点为在离原点为x地方取微元地方取微元dx,其电量为其电量为 dx2023/1/3第12页，共39页，编辑于2022年，星期四2.利用公式利用公式首先首先,画出微元产生的电场画出微元产生的电场P Px其次其次,写出公式写出公式2023/1/3第13页，共39页，编辑于2022年，星期四3.进行正交分解进行正交分解P PxdExdEy4.整理方程并积分整理方程并积分L1L22023/1/3第14页，共39页，编辑于2022年，星期四故有故有:2023/1/3第15页，共39页，编辑于2022年，星期四也可以利用下也可以利用下 面方法面方法,用用角度角度表示。表示。为为无限长均匀带电导线无限长均匀带电导线的场强公式。的场强公式。2023/1/3第16页，共39页，编辑于2022年，星期四 1.2 高斯定律高斯定律 一一 电力线电力线 电场的大小电场的大小-电力线的疏密程度电力线的疏密程度电力线的性质电力线的性质 电场的方向电场的方向-电力线的切线方向电力线的切线方向1.1.电力线是矢量线电力线是矢量线(有向曲线有向曲线););2.2.电力线不闭合电力线不闭合;3.3.电力线起始于正电荷电力线起始于正电荷(或无限远处或无限远处),),终止于终止于负电荷负电荷(或无限远处或无限远处),),在没有电荷的地方不中在没有电荷的地方不中断。断。2023/1/3第17页，共39页，编辑于2022年，星期四电力线：电力线：线上每一点的切线方向代表该点的电场线上每一点的切线方向代表该点的电场强度方向，大小与电力线密度成正比。因此电场中强度方向，大小与电力线密度成正比。因此电场中电场矢量电场矢量E穿过微小面积穿过微小面积ds的通量的通量dE与穿过此面与穿过此面积的电力线数成正比积的电力线数成正比 电力线是人为定义的，用来形象描述电场强度电力线是人为定义的，用来形象描述电场强度电力线从正电荷出发而终止于负电荷，在中间是连电力线从正电荷出发而终止于负电荷，在中间是连续的，既不会分岔，也不会中断续的，既不会分岔，也不会中断静电场：静电场：始于正电荷或无穷远，终于负电荷或无穷始于正电荷或无穷远，终于负电荷或无穷远。远。时变场：时变场：环，电力线环套着磁力线环，磁力线环套着环，电力线环套着磁力线环，磁力线环套着电力线环。电力线环。第18页，共39页，编辑于2022年，星期四 二二 高斯定理高斯定理 1.1.电场强度电场强度通量通量S S是不闭合的曲面。对于闭合曲面有是不闭合的曲面。对于闭合曲面有2023/1/3第19页，共39页，编辑于2022年，星期四定义：一面积元对定义：一面积元对 对一点对一点 所张的立体角所张的立体角闭合曲面对面内一点闭合曲面对面内一点 所张的立体角所张的立体角因为闭合曲面的因为闭合曲面的外法线为正外法线为正。所以整个积分区。所以整个积分区域域 即即 得得 闭合曲面对面外一点闭合曲面对面外一点 所张的立体角所张的立体角此时在整个积分区域中有一半是此时在整个积分区域中有一半是 即即而另一半是而另一半是 即即 因此因此第20页，共39页，编辑于2022年，星期四 2.2.高斯定理高斯定理 其中其中E E为曲面为曲面S S上的电场强度上的电场强度,它是由空间所它是由空间所有电荷共同产生的有电荷共同产生的;q q是闭合曲面内所有电是闭合曲面内所有电荷的电量荷的电量代数和代数和。E E的通量仅与闭合的通量仅与闭合面面S S 所包围的所包围的净净电电荷有关。荷有关。2023/1/3第21页，共39页，编辑于2022年，星期四 S S面上的面上的E E是由系统是由系统中全部电荷产生的。中全部电荷产生的。对于电荷连续分布带电体的高斯定理对于电荷连续分布带电体的高斯定理2023/1/3第22页，共39页，编辑于2022年，星期四高斯定律：高斯定律：1）通量：面积分与矢量点乘）通量：面积分与矢量点乘 方向的定义：闭合曲面与非闭合曲面方向的定义：闭合曲面与非闭合曲面2）电通量密度电通量密度：3）高斯定律：）高斯定律：关于关于 与与 两种：后者于媒质无两种：后者于媒质无关。关。用高斯定律计算电场：对称性的要求，高斯面。用高斯定律计算电场：对称性的要求，高斯面。第23页，共39页，编辑于2022年，星期四 利用高斯定理求电场强度的条件利用高斯定理求电场强度的条件:电荷分布与场强具有某种对称性电荷分布与场强具有某种对称性 通常有三种对称性通常有三种对称性:球对称分布球对称分布：包括点电荷：包括点电荷,均匀带电的球面，球体和多层均匀带电的球面，球体和多层同心同心球壳等。球壳等。(a a)(b b)(c c)球对称场的高斯面球对称场的高斯面试问：试问：能否选取正方形的高斯面求解球对称场能否选取正方形的高斯面求解球对称场高斯定理高斯定理2023/1/3第24页，共39页，编辑于2022年，星期四 轴对称分布轴对称分布：包括无限长均匀带电的直线，圆柱面，圆柱：包括无限长均匀带电的直线，圆柱面，圆柱壳等。壳等。轴对称场的高斯面轴对称场的高斯面 无限大平面电荷无限大平面电荷：包括无限大的均匀带电平面，平板：包括无限大的均匀带电平面，平板(a a)(b b)(c c)平行平面场的高斯面平行平面场的高斯面第25页，共39页，编辑于2022年，星期四()D D的通量与介质无关，但不能认为的通量与介质无关，但不能认为D D的分布与介的分布与介质无关。质无关。D 通量只取决于高斯面内的通量只取决于高斯面内的自由电荷，而高斯面上的自由电荷，而高斯面上的 D 是由高斯面内、外的系统所是由高斯面内、外的系统所有电荷共同产生的。有电荷共同产生的。点电荷点电荷qq分别置于金属球壳的内外分别置于金属球壳的内外()()点电荷的电场中置入任意点电荷的电场中置入任意一块介质一块介质第26页，共39页，编辑于2022年，星期四例题例题1 1 求电荷线密度为求电荷线密度为 的无限长均匀带电体的无限长均匀带电体的电场。的电场。解：电场分布特点解：电场分布特点：D D线皆垂直于导线，呈线皆垂直于导线，呈辐射辐射状态；状态；等等r r处处D D值相等；值相等；取取长为长为L L，半径为，半径为r r的封闭圆柱面为高斯面。的封闭圆柱面为高斯面。高斯定律的应用高斯定律的应用计算技巧：计算技巧：1.1.分析给定场分布的对称性，判断能否用高斯定律求解。分析给定场分布的对称性，判断能否用高斯定律求解。2.2.选择适当的闭合面选择适当的闭合面作为高斯面，使作为高斯面，使 容易积分。容易积分。高斯定律适用于任何情况，但只有具有一定高斯定律适用于任何情况，但只有具有一定对对称性的场才能得到解析解称性的场才能得到解析解。第27页，共39页，编辑于2022年，星期四由由 得得 要计算此式要计算此式,矢量点乘必须矢量点乘必须标量化标量化,即利用点乘的定义即利用点乘的定义,把把矢量点乘变为数的乘积矢量点乘变为数的乘积 S S1 1为柱面的侧面为柱面的侧面,有有 思考：为什么乘以为什么乘以cos0cos0?为什么为什么D D1 1可以从等式中提可以从等式中提出来出来?S S2 2 S S3 3为柱面的侧面为柱面的侧面,有有 为什么为什么?故故得得2023/1/3第28页，共39页，编辑于2022年，星期四图图2 2 球壳内球壳内的电场的电场图图1 1球壳外球壳外的电场的电场例题例题2:2:试分析图试分析图1 1与与2 2的电场能否直接用高斯定律来求解场的的电场能否直接用高斯定律来求解场的分布？分布？图1 点电荷q置于金属球壳内任意位置的电场图2 点电荷q分别置于金属球壳内的中心处与球壳外的电场第29页，共39页，编辑于2022年，星期四利用高斯定律求解的关键在于对场的对称性进行利用高斯定律求解的关键在于对场的对称性进行分析，确定高斯面分析，确定高斯面几条有用的结论：几条有用的结论：带等量异号电荷的一对无限大平行平面之间的电场带等量异号电荷的一对无限大平行平面之间的电场量为量为 D=ns，=ns/均匀带电直线外电场分布为均匀带电直线外电场分布为 D=Rl/2R，=Rl/2R介质球壳内空腔介质球壳内空腔 D=0，=0介质球壳中介质球壳中 D=r(r-a)/(3r)*，=r(r-a)/(3r)*介质球壳外介质球壳外 D=r(b-a)/(3r)*，=r(b-a)/(3r)*第30页，共39页，编辑于2022年，星期四1.3 磁场磁场1磁感应强度：磁感应强度：1）速度为）速度为 的运动电荷在磁感应强度为的运动电荷在磁感应强度为 的磁场中受的磁场中受到的磁场力到的磁场力2）载流导体：）载流导体：2毕澳沙伐尔定律：毕澳沙伐尔定律：其中其中 r为为 （源点）到场点的距离，（源点）到场点的距离，为为（源点）（源点）到场点的单位矢量。到场点的单位矢量。第31页，共39页，编辑于2022年，星期四电流电流 I与电流密度与电流密度 ：第32页，共39页，编辑于2022年，星期四磁通连续性原理（关于磁场的面积分）：磁通连续性原理（关于磁场的面积分）：1）磁力线；任何情况下是闭合环形2）磁通量（磁通）：3）磁通连续性原理：该原理可以由毕澳沙伐尔定律证明。磁力线连续不中断，在空间自成封闭曲线，这是不磁力线连续不中断，在空间自成封闭曲线，这是不存在磁荷的数学说明。磁力线不同与电力线存在磁荷的数学说明。磁力线不同与电力线第33页，共39页，编辑于2022年，星期四1.4 安培环路定律（关于磁场的线积分）安培环路定律（关于磁场的线积分）一一、安培环路定律安培环路定律电流与闭合曲线方向的规定；右手螺旋法则。电流与闭合曲线方向的规定；右手螺旋法则。二、磁场强度：二、磁场强度：三、三、安培环路定律求解磁场安培环路定律求解磁场利用对称性。利用对称性。第34页，共39页，编辑于2022年，星期四 当电流呈当电流呈轴对称分布轴对称分布时，可利用安培环路定律求解空时，可利用安培环路定律求解空间磁场分布。间磁场分布。若存在一闭合路径若存在一闭合路径C C，使得在其上，使得在其上 整段或分段为定值，整段或分段为定值，则可以用安培环路定律求解。则可以用安培环路定律求解。第35页，共39页，编辑于2022年，星期四 半径为半径为a a的无限长直导体内通有电流的无限长直导体内通有电流I I，计，计算空间磁场强度分布。算空间磁场强度分布。分析：电流均匀分布在导体截面上，分析：电流均匀分布在导体截面上，呈轴对称分布。呈轴对称分布。解：根据安培环路定律解：根据安培环路定律 当当rara时时 当当rara时时【例题【例题1.4.1】第36页，共39页，编辑于2022年，星期四 内、外半径分别为内、外半径分别为a a、b b的无限长中空导体圆柱，的无限长中空导体圆柱，导体内沿轴向有恒定的均匀传导电流，体电流密度为导体内沿轴向有恒定的均匀传导电流，体电流密度为 导体导体磁导率为磁导率为 。求空间各点的磁感应强度。求空间各点的磁感应强度分析：电流均匀分布在导体截面上，分析：电流均匀分布在导体截面上，呈轴对称分布。呈轴对称分布。解：根据安培环路定律解：根据安培环路定律 在在rara区域：区域：在在arbarbrb区域：区域：所以，空间中的所以，空间中的 分布为：分布为：第38页，共39页，编辑于2022年，星期四【例题【例题3】一根具有环形表面电流的无限一根具有环形表面电流的无限长圆柱管，半径为长圆柱管，半径为a a，轴线与，轴线与Z Z 轴重合，表面电流密度轴重合，表面电流密度 求管内的磁场。求管内的磁场。Z Z第39页，共39页，编辑于2022年，星期四