麦克斯韦方程分析优秀PPT.ppt
2023/4/31一、源量一、源量电荷电荷一种带电粒子的统称，能负荷电的一种物质一种带电粒子的统称，能负荷电的一种物质体电荷密度（电荷体密度）：体电荷密度（电荷体密度）：(1-1-1)表面电荷密度（忽视厚度）：表面电荷密度（忽视厚度）：(1-1-2)线电荷密度（不考虑线径）：线电荷密度（不考虑线径）：(1-1-3)第第1章章 麦克斯韦方程麦克斯韦方程1-1 基本电磁量基本电磁量源量、场量源量、场量2023/4/32图1-1 1-1 电荷三种密度的示意图 2.2.电流电流电荷的流淌电荷的流淌(或场的变更或场的变更)电流定义：电荷的宏观定向运动电流定义：电荷的宏观定向运动电流方向：正电荷宏观运动方向电流方向：正电荷宏观运动方向 静电的产生与电荷的关系？飞机特制接地轮胎，油罐车接地铁链静电的产生与电荷的关系？飞机特制接地轮胎，油罐车接地铁链(1-1-5)2023/4/332023/4/34电流的分类：电流的分类：传导电流：在电导率为传导电流：在电导率为 的导电媒质中，假如存在电场作用，的导电媒质中，假如存在电场作用，自由电子将发生定向运动形成电流，这种电流称为传导电流。自由电子将发生定向运动形成电流，这种电流称为传导电流。(1-1-11)电导率电导率 的单位是电阻率单位的单位是电阻率单位(m)m)的倒数，叫做每米西门的倒数，叫做每米西门子，通常用符号记做子，通常用符号记做(S/m)(S/m)。运流电流：气态媒质、真空器件中的电流，不遵从欧姆定律和运流电流：气态媒质、真空器件中的电流，不遵从欧姆定律和焦耳定律。在气体或真空中，在电场的作用下自由电荷将发生定焦耳定律。在气体或真空中，在电场的作用下自由电荷将发生定向运动形成电流，这种电流称为运流电流。它由自由电荷密度向运动形成电流，这种电流称为运流电流。它由自由电荷密度 和电荷的平均运动速度和电荷的平均运动速度 来确定。（真空电子管中由阴极放射到来确定。（真空电子管中由阴极放射到阳极的电子流阳极的电子流 ）(1-1-12)(1-1-11)电导率电导率 的单位是电阻率单位的单位是电阻率单位(m)m)的倒数，叫做每米西门的倒数，叫做每米西门子，通常用符号记做子，通常用符号记做(S/m)(S/m)。运流电流：气态媒质、真空器件中的电流，不遵从欧姆定律和运流电流：气态媒质、真空器件中的电流，不遵从欧姆定律和焦耳定律。在气体或真空中，在电场的作用下自由电荷将发生定焦耳定律。在气体或真空中，在电场的作用下自由电荷将发生定向运动形成电流，这种电流称为运流电流。它由自由电荷密度向运动形成电流，这种电流称为运流电流。它由自由电荷密度 和电荷的平均运动速度和电荷的平均运动速度 来确定。（真空电子管中由阴极放射到来确定。（真空电子管中由阴极放射到阳极的电子流阳极的电子流 ）(1-1-11)(1-1-11)2023/4/351867年德国的韦纳西门子发觉用电磁铁代替永久磁铁，同样可以发电。西门子兄弟四人都是精彩的独创家。韦纳在柏林被称为“柏林的西门子”，而威廉在英国被称为“伦敦的西门子”，弗里德里希是“德累斯顿的西门子”，而小弟卡则是“俄罗斯的西门子”。2023/4/36第一台电子管计算机（ENIAC)占地170平方米，重30吨，有1.8万个电子管，用十进制计算，每秒运算5000次第一台电子管计算机（ENIAC)占地170平方米，重30吨，有1.8万个电子管，用十进制计算，每秒运算5000次 2023/4/37 真空管具有抗辐射实力强、抗宇宙射线、线性放大区域宽等特点，在航空航天领域、高保真音响等方面还有应用。2023/4/38电流密度矢量电流密度矢量：趋肤效应趋肤效应体电流密度矢量体电流密度矢量 ：表面电流密度矢量表面电流密度矢量 ：位移电流：是为说明变更的电场能产生磁场而引入的。位移电流：是为说明变更的电场能产生磁场而引入的。电容的隔直流通沟通特性电容的隔直流通沟通特性 (1-1-6)(1-1-7)(1-1-8)两种电流密两种电流密度的关系：度的关系：(1-1-10)2023/4/39特殊留意：特殊留意：体电流密度是垂直通过单位横截面的电流，因此它的单位是体电流密度是垂直通过单位横截面的电流，因此它的单位是每平方米安培每平方米安培(A/m2)(A/m2)，而不是每立方米安培，而不是每立方米安培(A/m3)(A/m3)；在一个厚度；在一个厚度可以忽视的薄层内所形成的电流称为表面电流可以忽视的薄层内所形成的电流称为表面电流,表面电流密度矢表面电流密度矢量单位是每米安培量单位是每米安培(A/m)(A/m)，而不是每平方米安培，而不是每平方米安培(A/m2)(A/m2)。图1-2（体）电流密度矢量模型 图1-3 表面电流模型 2023/4/310位移电流与传导电流两者相比，唯一共同点仅在于都可以在空间激发磁场，但二者本质是不同的：(1)位移电流的本质是变更着的电场，而传导电流则是自由电荷的定向运动；(2)传导电流在通过导体时会产生焦耳热，而位移电流则不会产生焦耳热；(3)位移电流也即变更着的电场可以存在于真空、导体、电介质中，而传导电流只能存在于导体中。2023/4/3113.3.电流连续方程电流连续方程反映电荷与电流的关系（重要）反映电荷与电流的关系（重要）依据电荷守恒定律，有依据电荷守恒定律，有 这是电流连续性方程的积分形式这是电流连续性方程的积分形式(1-1-15)二、场和场量二、场和场量 假如某个物理量是空间位置的函数，这个空间就确定了该假如某个物理量是空间位置的函数，这个空间就确定了该物理量的一个场；假如空间位置的函数是矢量，相应的场就是物理量的一个场；假如空间位置的函数是矢量，相应的场就是矢量场；假如空间位置的函数是标量，相应的场就是标量场。矢量场；假如空间位置的函数是标量，相应的场就是标量场。例如电场是矢量场，电位是标量场。例如电场是矢量场，电位是标量场。2023/4/3121.电场强度矢量库仑定律：库仑定律：由此可得静电场电场强度矢量（单位正电荷受的电场力）由此可得静电场电场强度矢量（单位正电荷受的电场力）(1-1-16)真空的介电常数2.2.电位移矢量电位移矢量电电偶极子：由两个相距很近的等偶极子：由两个相距很近的等值值异号点异号点电电荷荷组组成。由成。由电电偶极偶极矩表示其方向与大小，定矩表示其方向与大小，定义为义为（的方向的方向为为 指向指向 ）：）：（c.m）2023/4/313E在电介质中的变更介质在外加电场时会产生感应电荷而减弱电场，原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为介电常数，又称诱电率.假如有高介电常数的材料放在电场中，场的强度会在电介质内有可观的下降。2023/4/314极性分子：整体是中性，但分子正、负电荷中心不重合，即使极性分子：整体是中性，但分子正、负电荷中心不重合，即使无外加电场，就具有偶极矩，称为固有电偶极矩。无外加电场，就具有偶极矩，称为固有电偶极矩。非极性分子：正、负电荷中心重合，无外加电场时，偶极矩为非极性分子：正、负电荷中心重合，无外加电场时，偶极矩为零；当有外加电场时，正、负电荷中心被拉开，获得零；当有外加电场时，正、负电荷中心被拉开，获得偶极矩，称为感应电偶极矩。偶极矩，称为感应电偶极矩。介介质质的极化：介的极化：介质质在外加在外加电场电场的作用下，出的作用下，出现现了了电电偶极矩。偶极矩。为为了描述介了描述介质质的极化状的极化状态态，引入引入电电极化极化强强度矢量度矢量 。(1-1-19)(1-1-19)电介质中的分子可分为极性分子与非极性分子。电介质中的分子可分为极性分子与非极性分子。电介质：即绝缘体。电介质：即绝缘体。2023/4/315在各向同性电介质中，电极化强度矢量与电场强度矢量成正比在各向同性电介质中，电极化强度矢量与电场强度矢量成正比 (1-1-20)图图1-4 1-4 均匀电场中的介质板均匀电场中的介质板 称为称为电介质的相对介电常数。电介质的相对介电常数。束束缚电缚电荷：在匀整外加荷：在匀整外加电场电场中，介中，介质质内部相内部相邻邻偶极矩的正偶极矩的正负电负电荷相互抵消，荷相互抵消，结结果在介果在介质质表面表面产产生正生正电电荷荷层层或或负电负电荷荷层层，出，出现现在表面的在表面的电电荷称荷称为为束束缚电缚电荷或极化荷或极化电电荷。如荷。如图图1-41-4所示。所示。介质受电场的作用产生束缚电荷，束缚电荷反过来也要影响电介质受电场的作用产生束缚电荷，束缚电荷反过来也要影响电场的分布。总电场为自由电荷与束缚电荷产生电场的之和。为场的分布。总电场为自由电荷与束缚电荷产生电场的之和。为探讨介质中电场和介质中高斯定理，引进电位移矢量。探讨介质中电场和介质中高斯定理，引进电位移矢量。(1-1-21)2023/4/316 介电常数确定了电信号在该介质中传播的速度。电信号传播的速度与介电常数平方根成反比。介电常数越低，信号传送速度越快。我们作个形象的比方，就好想你在海滩上跑步，水深厚没了你的脚踝，水的粘度就是介电常数，水越粘，代表介电常数越高，你跑的也越慢。PCB板（FR-4）4.5 相对介电常数r可以用静电场用如下方式测量:首先在其两块极板之间为空气的时候测试电容器的电容C0。然后，用同样的电容极板间距离但在极板间加入电介质后侧得电容Cx。然后相对介电常数可以用下式计算 r=Cx/C0 2023/4/317固有磁矩：分子中电子绕原子核旋转和电子自旋会产生电子磁矩，固有磁矩：分子中电子绕原子核旋转和电子自旋会产生电子磁矩，分子中全部电子磁矩的总和为固有磁矩。分子中全部电子磁矩的总和为固有磁矩。磁偶极矩：磁偶极矩：，为电流环的面积矢量，为电流环的面积矢量，I I 为电流环上电流。为电流环上电流。3.3.磁感应强度矢量磁感应强度矢量B B（高斯计）（高斯计）计算公式：毕奥萨伐尔定律计算公式：毕奥萨伐尔定律单位：单位：1 1特斯拉（特斯拉（T T）1 1韦伯韦伯/米米2 2(Wb/m(Wb/m2 2)10104 4高斯高斯 4.4.磁场强度矢量磁场强度矢量磁介质：探讨媒质与磁场相互作用时，称媒质为磁介质。磁介质：探讨媒质与磁场相互作用时，称媒质为磁介质。磁偶极子：随意形态的小电流环。磁偶极子：随意形态的小电流环。洛伦磁力：洛伦磁力：(1-1-22)2023/4/318咖啡炉1mG电饭锅40mG传真机2mG复印机40mG电熨斗3mG吹风机70mG录像机6mG手机100mGVCD10mG电脑100mG音响20mG电须刀100mG电冰箱20mG电热毯100mG空调20mG吸尘器200mG电视机20mG无绳电话200mG洗衣机30mG微波炉200mG2023/4/319磁磁 化：外磁场使分子内电子运动状态发生变更导致分子磁矩化：外磁场使分子内电子运动状态发生变更导致分子磁矩发生变更的现象。发生变更的现象。磁化强度：无外加磁场时，磁介质在总体上不产生磁场，但被磁磁化强度：无外加磁场时，磁介质在总体上不产生磁场，但被磁化以后，各个分子的磁矩化以后，各个分子的磁矩 的矢量和不再是零。单位的矢量和不再是零。单位体积内分子磁矩的矢量体积内分子磁矩的矢量 和称为磁介质的磁化强度。和称为磁介质的磁化强度。(1-1-23)在各向同性磁介质中，磁化强度与磁感应强度成正比：在各向同性磁介质中，磁化强度与磁感应强度成正比：为了分析问题便利，引入磁场强度：为了分析问题便利，引入磁场强度：真空的磁导率真空的磁导率其中其中 是相对磁导率是相对磁导率 所以所以(1-1-25)(1-1-28)2023/4/320磁环磁环2023/4/3215.5.矢量场的通量和环量矢量场的通量和环量通量的定通量的定义义：矢量场 沿有向曲面S的曲面积分，即 例如有磁通量B、电通量E、磁场强度通量H和电位移通量D，通常把磁通量记为。环环量的定量的定义义：矢量场 沿有向闭合曲线 的线积分，即 (1-1-29)(1-1-30)环量A=0，矢量场为无旋场；环量A 0，矢量场为有旋场 例如，安培环路定理 (1-1-31)2023/4/3221-21-2 麦克斯韦方程组的积分形式麦克斯韦方程组的积分形式 2023/4/323物理意义！物理意义！2023/4/324JamesClerkMaxwell（1831-1879）麦克斯韦电磁场理论是19世纪物理学中最宏大的成就，它的地位相当于牛顿定律，没有它，现在的通信广播无从谈起。将教材中(1-2-1)式麦克斯韦方程（必需牢牢记住）可改写为 (1-2-1)2023/4/325S Sq q看式看式1-2-11-2-1第一式第一式2023/4/326探讨探讨 上面第一式是推广的法拉第电磁感应定律，所谓推广就是该上面第一式是推广的法拉第电磁感应定律，所谓推广就是该定律可用于任何媒质；该式表明时变磁场可以产生电场这一重要定律可用于任何媒质；该式表明时变磁场可以产生电场这一重要事实。其次式是修正的安培环路定律，所谓修正是指添加了位移事实。其次式是修正的安培环路定律，所谓修正是指添加了位移电流。该式表明电流和时变电场可产生磁场。前两个式子是麦克电流。该式表明电流和时变电场可产生磁场。前两个式子是麦克斯韦方程的核心，说明时变电场和时变磁场相互激发，形成电磁斯韦方程的核心，说明时变电场和时变磁场相互激发，形成电磁波，麦克斯韦导出了波动方程，表明电磁波的传播速度与已测出波，麦克斯韦导出了波动方程，表明电磁波的传播速度与已测出的光速是一样的。他推断光是一种电磁波，并预言存在与可见光的光速是一样的。他推断光是一种电磁波，并预言存在与可见光不同的其它电磁波。不同的其它电磁波。18871887年德国物理学家赫兹年德国物理学家赫兹(Hertz)(Hertz)的试验证的试验证明白这一预见，依据这预见马可尼（明白这一预见，依据这预见马可尼（MarconiMarconi，意大利）在，意大利）在18951895年和波波夫（年和波波夫（A.C.PopovA.C.Popov，俄罗斯）在，俄罗斯）在18961896年成功地进行了无线年成功地进行了无线电报传送试验。电报传送试验。2023/4/327 第第3 3式是电场的高斯定理，对时变电荷与静止电荷都成立；式是电场的高斯定理，对时变电荷与静止电荷都成立；该式表明该式表明电场是有源的场电场是有源的场。第四式表明磁通的连续性，。第四式表明磁通的连续性，磁力线没磁力线没有起点也没有终点有起点也没有终点，或者说，或者说空间不存在磁荷空间不存在磁荷。例例1-2-1 1-2-1 电源电源u(t)=U0sin(u(t)=U0sin(t)t)接在平板电容器接在平板电容器C C的两端，见图的两端，见图1-2-21-2-2。(1)(1)证证 电容器电容器C C中的位移电流中的位移电流IDID与导线中的传导电流与导线中的传导电流I I相相等；等；(2)(2)求导线求导线MNMN四周的磁场强度四周的磁场强度H H(忽视其它导线的影响忽视其它导线的影响)解：解：(1)(1)导线中的传导电流为导线中的传导电流为 极板面积为A，极板间距为d，介电常数为 为的电容器的容量为 2023/4/328电容器中的电场电容器中的电场E=u/d，电位移矢量强度和位移电流分别为，电位移矢量强度和位移电流分别为 (2)在与导线垂直的平面上，以导线中心为圆心取一个半径为r的圆形的平面，平面上的磁力线都是同心圆。在这个环面的周界L上磁场到处相等，因此有 电容器极板外的磁场强度为 2023/4/329例1-2-2已知某良导体的电导率为=107S/m，相对介电常数r=1.0。假如导体中的电场为E=E0cos(t)，试求位移电流密度的振幅值JD与传导电流密度的振幅值J之比。解：解：由已知条件可求得位移电流、传导电流分别为 可以看出，导体中位移电流超前于传导电流90相角在良导体内的位移电流远远小于传导电流。2023/4/3301-3 麦克斯韦方程组的微分形式麦克斯韦方程组的微分形式哈米尔顿算子哈米尔顿算子 可视为矢量，表示为：可视为矢量，表示为：推导散度公式推导散度公式 高斯公式：矢量：矢量：面元：面元：积分形式的麦克斯韦方程组表示某一范围内的电磁场量的之间的相互关系，微分形式的麦克斯韦方程组则表示某一点的电磁场量之间的相互关系。2023/4/331在一个包含点在一个包含点 的封的封闭闭面上的通量面上的通量为为 由此可得通量体密度：由此可得通量体密度：点的散度：点的散度：趋于趋于 的通量体密度极限的通量体密度极限。记为。记为 2023/4/332散度的物理说明：矢量场中单位体积所发散出来的矢量通量。散度的物理说明：矢量场中单位体积所发散出来的矢量通量。明显有：推导旋度公式推导旋度公式斯托克斯公式：，在围绕着点 的小闭合回路上的环量为：2023/4/333最后一步由积分中值定理得到，最后一步由积分中值定理得到，是闭合回路包围的面积，是闭合回路包围的面积，M是是 内的某一点内的某一点,为为 法向单位矢量法向单位矢量。由此得环量面密度：。由此得环量面密度：2023/4/334当 趋于M0时，表示M0处与方向 垂直的单位面积上的环量值：方向为该矢量环量面密度最大的方向；模为该矢量最大环量面密度的值。明显，这个物理量就是 ，它就是矢量 在 点的旋度。记为 明显有：依据以上推导，可将麦克斯韦方程积分形式改为微分形式。分析 与 的关系，可得旋度定义。矢量旋度矢量旋度的定义：的定义：2023/4/335 物理意义：略 2023/4/336说明：麦克斯韦方程组说明：麦克斯韦方程组4 4个方程式中，两个旋度方程可以认为个方程式中，两个旋度方程可以认为是独立的；而两个散度方程不是独立的，它们分别可以由相是独立的；而两个散度方程不是独立的，它们分别可以由相应的旋度方程导出来。在推导中应用条件：应的旋度方程导出来。在推导中应用条件：。请。请自行验证！推导时均接受微分形式，由第一式可以推出自行验证！推导时均接受微分形式，由第一式可以推出第四式；由其次式，再代入电流连续性方程，可以推出第三第四式；由其次式，再代入电流连续性方程，可以推出第三式。另外，电流连续性方程也可以由麦克思伟方程组推出。式。另外，电流连续性方程也可以由麦克思伟方程组推出。推导电流连续性方程的微分形式推导电流连续性方程的微分形式电流连续性方程的积分形式依据高斯公式，有 由此可得电流连续性方程的微分形式 ：2023/4/33711-4 物质的电磁特性物质的电磁特性 本构方程：描述媒质特有规律，取决于考察点邻域内媒质性质。电磁场的本构方程：麦克斯韦方程组中有 4个矢量，相当于12个标量，而麦克斯韦方程组只有两个独立方程，仅能分解成六个标量方程。而加上本构方程后，就可以达到12个方程，这样就可解出12个标量。理想介质：理想介质：的媒质。的媒质。理想导体：理想导体：的媒质。的媒质。导电媒质：导电媒质：介于介于0 0和和之间的媒质。之间的媒质。媒质参数主要是指 ，。各种媒质的定义如下：各种媒质的定义如下：2023/4/338线性线性(Linear)(Linear)媒质：媒质参数与场强的大小无关，否则称为非媒质：媒质参数与场强的大小无关，否则称为非线性媒质。线性媒质。各向同性各向同性(Isotropic)(Isotropic)媒质：媒质参数与场强的方向无关，否媒质：媒质参数与场强的方向无关，否 则称为各向异性媒质。则称为各向异性媒质。匀整匀整(Homogeneous)(Homogeneous)媒质：媒质参数与位置无关，否则称为非匀媒质：媒质参数与位置无关，否则称为非匀整媒质。整媒质。色散色散(Dispersive)(Dispersive)媒质：媒质参数与场强频率有关，否则称为媒质：媒质参数与场强频率有关，否则称为非色散媒质。非色散媒质。简洁媒质：线性、匀整、各向同性的媒质。简洁媒质：线性、匀整、各向同性的媒质。2023/4/339一、真空中的本构方程一、真空中的本构方程 真空中磁导率和介电常数是常数，有：真空中磁导率和介电常数是常数，有：二、各向同性介质中的本构方程各向同性介质：在给定空间，所考察点邻域之内各向同性介质：在给定空间，所考察点邻域之内,各个方向上的各个方向上的物质的电磁特性均相同。物质的电磁特性均相同。2023/4/340三、各向异性介质中的本构方程 电位移矢量 的任何一个坐标重量不仅与电场强度矢量 相应的坐标重量有关，而且还与其他两个坐标重量有关；磁感应强度矢量 的任何一个坐标重量不仅与磁场强度矢量 相应的坐标重量有关，而且还与其他两个坐标重量有关。各向异性介质的介电常数 不再是一个数值，磁导率 也不再是一个数值，它们都成了用矩阵表示的张量。2023/4/3411-5 1-5 电磁场的边界条件（电磁场的边界条件（重点重点）一、边界条件的概念边界条件：场矢量越过不同媒质的分界面时所满足的方程。表示由介质表示由介质2 2指向介质指向介质1 1的分界面法向单位矢量。的分界面法向单位矢量。在志向导体内，电场和磁场都为在志向导体内，电场和磁场都为0 0。2023/4/342二、法向重量的边界条件二、法向重量的边界条件1.1.电位移矢量的法向重量边界条件电位移矢量的法向重量边界条件 由麦克斯由麦克斯韦韦方程高斯定理方程高斯定理积积分形式，分形式，考考虑虑到到 ，可得：，可得：两种志向介质分界面：两种志向介质分界面：志向导体与志向介质分界面：志向导体与志向介质分界面：或或 2023/4/343由麦克斯由麦克斯韦韦方程方程积积分形式第四式，分形式第四式，考考虑虑到到 ，可得：，可得：2.2.磁感应强度矢量的法向重量边界条件磁感应强度矢量的法向重量边界条件两种志向介质分界面：两种志向介质分界面：或或 或或 志向导体与志向介质分界面：志向导体与志向介质分界面：或或 2023/4/344三、切向重量的边界条件三、切向重量的边界条件 在两种媒在两种媒质质的分界面上作的分界面上作一无限小的矩形回路，如一无限小的矩形回路，如图图1-1-5-25-2，其侧边，其侧边 。分别是矩形回路面的单位法向分别是矩形回路面的单位法向矢量、分界面的单位法向矢量、矢量、分界面的单位法向矢量、矩形长边的单位矢量。矩形长边的单位矢量。三者满足：三者满足：1.1.磁场强度矢量的切向重量边界条件磁场强度矢量的切向重量边界条件矢量公式：矢量公式：2023/4/345由此可得：两种志向介质分界面：由麦克斯韦方程积分形式其次式由麦克斯韦方程积分形式其次式:志向导体与志向介质分界面：难点说明：难点说明：当分界面无面电流时，为有限值，回路面积趋于零，则方程右边为零；分界面上有面电流，则 时，可变换为 ，方程右边不为零。由此可得：2023/4/3462.2.电场强度矢量的切向重量边界条件电场强度矢量的切向重量边界条件 同理由麦克斯韦方程积分形式第一式得到电场强度切向重量边界条件的矢量形式和标量形式：两种志向介质分界面：两种志向介质分界面：志向导体与志向介质分界面：解：解：例例 设设 的平面的平面为为空气与理想空气与理想导导体的分界面，体的分界面，一一侧为侧为理想理想导导体，体，分界面分界面处处的磁的磁场场强强度度为为求理想求理想导导体表面上的面体表面上的面电电流密度矢量、面流密度矢量、面电电荷密度以及分界面荷密度以及分界面处处的的电场电场强强度。度。2023/4/347 由题意可知导体表面上法线单位矢量为：由题意可知导体表面上法线单位矢量为：依据电流连续性方程：依据电流连续性方程：由边界条件：由边界条件：，且，且 ，可得，可得 2023/4/348作业：作业：2,4,6,72,4,6,7
