电磁场和电磁波补充.ppt

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1、电磁场和电磁波补充现在学习的是第1页，共54页1820年奥斯特电磁1831年法拉第磁电产生产生变化的电场磁场变化的磁场电场激发?SLSdtBl dE现在学习的是第2页，共54页（1）提出了有旋场（感生电动势来源于变化磁场引起的涡旋电场）概念。麦克斯韦（1831-1879）英国物理学家.经典电磁理论的奠基人,气体动理论创始人之一.主要贡献：(3)并预言了以光速传播的电磁波的存在 .在气体动理论方面,他还提出了气体分子按速率分布的统计规律.（2）又提出了位移电流(随时间变化的电场会产生磁场）的假说,建立了经典电磁理论。现在学习的是第3页，共54页Il dHl (2)在电流非稳恒状态下,安培环路定理

2、是否正确?矛盾+1S2SIIlSlSjIlHddcc(1)对于稳恒电流0 ll dH对 面1S对 面2SjC 为传导电流密度，IC是穿过以闭合回路L 为边界的任意曲面的传导电流强度。稳恒情况下得到的磁场环路定理一般不能应用到可变电流（非稳恒）情况。电容器破坏了电路中传导电流的连续性。原因：1、位移电流现在学习的是第4页，共54页（2）根据电荷守恒定律qSSD d(1）tqSdddcSj(2),1S2S构成闭合曲面（1）SStSDSjddc0dc StSDj(3)d0SjS全位移电流密度(jd)与传导电流密度（jC）的矢量和构成全电流之后，全电流是连续的令：ctDjj全，tD并称 为位移电流密度

3、dj（）单位时间内流出闭合曲面S的电量等于面内电量的减小量现在学习的是第5页，共54页+D0q0q变化的电场象传导电流一样能产生磁场，从产生磁场的角度看，变化的电场可以等效为一种电流。tD为什么 可以看成位移电流密度(jd)麦克斯韦把这种电流称为位移电流。tStDISddd dtDjd（1）位移电流密度：（2）位移电流：现在学习的是第6页，共54页二、全电流定律(2)位移电流与传导电流大小和方向的关系?dctdIIIlHl0csDjdSt表明全电流是连续的（1）有了全电流的概念之后，麦克斯韦将安培环路定理推广为：或者ddClSDHlISt全电流定律磁场强度沿任意闭合回路的环流等于穿过以此闭合回

4、路为边界的任意曲面的全电流。位移电流与传导电流大小相同，方向一致。现在学习的是第7页，共54页位移电流与传导电流大小相同，方向一致可以理解为：在传导电流中断的地方必有等量的位移电流接替它，而在位移电流中断的地方必有等量的传导电流接替它。d0SjS全ctDjj全，dctdIIIlHl全电流定律再来处理前面的问题无矛盾！现在学习的是第8页，共54页SlStDIlHdd若 I=0SlStDlHd d对比SlStBlEd di现在学习的是第9页，共54页 SliSdtBl dEiEtB左旋 SLdSdtDl dHdHtD右旋对称美现在学习的是第10页，共54页例 半径为R,相距l(lR)的圆形空气平板

5、电容器,两端加上交变电压U=U0sint,求电容器极板间的:(1)位移电流;(2)位移电流密度的大小;(3)位移电流激发的磁场分布B(r),r为圆板的中心距离.OOPlR现在学习的是第11页，共54页OOPlR解：(1)由于lR,故平板间可作匀强电场处理,lUE 根据位移电流的定义 dtDSddtdIed 20RdtdE ltsinU 0 tcosUlR 020+D0q0q现在学习的是第12页，共54页平性板电容器的电容lRC20 代入,可得同样结果.(2)由位移电流密度的定义tEtDJd 0 或者2RIJdd tcoslUtUl 000 另解 dtdUCdtCUddtdQId 现在学习的是第

6、13页，共54页Rr 211rJSdJl dHdSdL tcosrlUrH 20012 rtcoslUH 2001101HB OOPlR(3)因为电容器内 I=0,且磁场分布应具有轴对称性,由全电流定律得rtcoslcU 202+D0q0q现在学习的是第14页，共54页Rr 222RJIl dHddL rtcoslURrIHd1220202 202HB OOPlRrtcoslcUR12202 现在学习的是第15页，共54页 麦克斯韦认为静电场的高斯定理和磁场的高斯定理也适用于一般电磁场.所以,可以将电磁场的基本规律写成麦克斯韦方程组 SLSdtDjl dH VSdVSdD 0 SSdB SLS

7、dtBl dE四、麦克斯韦方程组tDjH D0 BtBE 积分形式微分形式现在学习的是第16页，共54页麦克斯韦方程组物理意义：1、通过任意闭合面的电位移通量等于该曲面所包围的自由电荷的代数和。2、电场强度沿任意闭曲线的线积分等于以该曲线为边界的任意曲面的磁通量对时间变化量的负值。3、通过任意闭合面的磁通量恒等于零。4、稳恒磁场沿任意闭合曲线的线积分等于穿过以该曲线为边界的曲面的全电流。现在学习的是第17页，共54页麦克斯韦方程组的形式既简洁又优美，全面反映了电场和磁场的基本性质，并把电磁场作为一个整体，用统一的观点阐明了电场和磁场之间的联系。麦克斯韦电磁理论的建立是19世纪物理学发展史上又一

8、个重要的里程碑。正如爱因斯坦所说：“这是牛顿以来物理学所经历的最深刻和最有成果的一项真正观念上的变革”.所以，人们常称麦克斯韦是电磁学上的牛顿。现在学习的是第18页，共54页根据麦克斯韦理论，在自由空间内的电场和磁场满足 这样电场和磁场可以相互激发并以波的形式由近及远,以有限的速度在空间传播开去，就形成了电磁波。五.电磁波的形成与传播基本原理:SdtDldHSdtBldEEEEEHHHH现在学习的是第19页，共54页解决途径：(1)提高回路振荡频率LC1 LC回路能否有效地发射电磁波(1)振荡频率太低LC电路的辐射功率4 S(2)电磁场仅局限于电容器和自感线圈内LC回路有两个缺点：?(2)实现

9、回路的开放1.电磁波的发射现在学习的是第20页，共54页从LC振荡电路到振荡电偶极子q q ildSC0 VnL20 电磁波的发射现在学习的是第21页，共54页振荡电偶极子:电矩作周期性变化的电偶极子.tptqlqlp coscos00 .qq+.q+q.q+q+q-.q电偶极子的辐射过程 q q il振荡电偶极子等效于一振荡电流元tpdtdpldtdqil sin0 振荡电偶极子产生的电磁场现在学习的是第22页，共54页不同时刻振荡电偶极子附近的电场线tppcos0+EBEcccc+-B振荡电偶极子附近的电磁场线现在学习的是第23页，共54页电偶极子的辐射场 vrtcosrvsinp)t,r

10、(E 2024 vrtcosvrsinp)t,r(H 402各向同性介质中，可由波动方程解得振荡偶极子辐射的电磁波球面电磁波方程1 vvHE yxpPzr现在学习的是第24页，共54页偶极子周围的电磁场xyz.aabbHEHEHESSp现在学习的是第25页，共54页在更远离偶极子的地方（rl），因 r 很大，在通常的研究范围内，的变化很小，故 的振幅可看作恒量，因而HE,vrtEE cos0 vrtHH cos0平面电磁波方程四、平面电磁波现在学习的是第26页，共54页xyZ此振动产生一列沿x正方向传播的平面简谐行波，其波动式为E=E0cosw(t-x/t)现在学习的是第27页，共54页平面电

11、磁波示意图2、电磁波是偏振波,HE,都在各自的平面内振动vEH 在无限大均匀绝缘介质(或真空)中,平面电磁波的性质概括如下:1、电磁波是横波,vHE,它们构成正交右旋关系.相互垂直，HE,3、是同位相的，且HE 都指向波的传播方向，即波速u的方向的方向在任意时刻现在学习的是第28页，共54页真空中1800109979.21smcv实验测得真空中光速181099792458.2smc光波是一种电磁波5、电磁波的传播速度为 1 v即v只与媒质的介电常数和磁导率有关4、在同一点的E、H值满足下式:HE 现在学习的是第29页，共54页振子发射谐振器接收电磁波的接收感应圈ABCD现在学习的是第30页，共

12、54页赫兹-德国物理学家 赫兹对人类伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在，发现了光电效应。1888年，成了近代科学史上的一座里程碑。开创了无线电电子技术的新纪元。赫兹对人类文明作出了很大贡献，正当人们对他寄以更大期望时，他却于1894年因血中毒逝世，年仅36岁。为了纪念他的功绩，人们用他的名字来命名各种波动频率的单位，简称“赫”。现在学习的是第31页，共54页六、电磁波谱将电磁波按波长或频率的顺序排列成谱X射线紫外线红外线微 波毫米波短无线电波 射线频率(Hz)波长(m)25102010101051001015101510 1010 010510510 长无线电波可见光现在学习的是第32页，共

13、54页电磁波的应用电磁波的应用 在发现电磁波不到在发现电磁波不到6 6年，年，利用电磁波的技术，如雨后利用电磁波的技术，如雨后春笋般相继问世。春笋般相继问世。无线电报（无线电报（18941894年）年）无线电广播（无线电广播（19061906年）年）无线电导航（无线电导航（19111911年）年）无线电话（无线电话（19161916年）年）现在学习的是第33页，共54页短波通信（短波通信（19211921年）年）无线电传真（无线电传真（19231923年）年）电视（电视（19291929年）年）微波通信（微波通信（19331933年）年）雷达（雷达（19351935年）年）自自50年代第一颗人

14、造卫星上天，年代第一颗人造卫星上天，卫星通讯事业得到迅猛发展。如卫星通讯事业得到迅猛发展。如今电磁波已在通讯、遥感、空间今电磁波已在通讯、遥感、空间控测、军事应用、科学研究等诸控测、军事应用、科学研究等诸多方面得到广泛的应用。多方面得到广泛的应用。现在学习的是第34页，共54页卫星接收天线宽带全向天线3m微波接力通信天线现在学习的是第35页，共54页六十年代，美国在波多黎各阿雷西博镇建造了直径达305米的抛物面射电望远镜，它是顺着山坡固定在地表面上的，不能转动，这是世界上最大的单孔径射电望远镜 它的无线电球面反射镜直径可达305米，是用将近4万个钻孔的铝质筛板制成的。它能将入射的无线电波聚焦于

15、安装在反射镜面上空的可移动天线上。这根天线可以向任何方向移动，这样可以跟踪某个天体。射电望远镜十分灵敏，它能够探测到距离达1300万光年处的天体。现在学习的是第36页，共54页 中国探月工程昆明地面站40米天线 由中国科学院云南天文台承担建设的国家重大航天工程“嫦娥工程”地面应用系统昆明地面站40米天线。据了解，昆明地面站作为国家探月工程的组成部分，主要任务是完成探月卫星下传的月球观测数据的接收和记录存储；与北京密云地面站、乌鲁木齐南山站、上海佘山站共同组成VLBI网，对绕月探测卫星进行精密定位。现在学习的是第37页，共54页微波通信微波通信微波加热超短波、微波由于波长短在空间按直线传播，并容

16、易为障碍物所反射，所以远距离传播要借助中间站。现在学习的是第38页，共54页移动通信移动通信现在学习的是第39页，共54页卫星通信卫星通信现在学习的是第40页，共54页卫星测控、遥感、微波成像卫星测控、遥感、微波成像卫星地面测控站现在学习的是第41页，共54页射电天文射电天文射电望远镜微波武器现在学习的是第42页，共54页收听中央广播电台可用中、长波波段收听美国之音、BBC要用短波波段?思考题：就其传播特点而言，（1）长波、中波由于它们的波长很长，绕射能力强；但频率比较低，能量比较低，容易被环境衰减。（2）短波绕射能力小，靠电离层向地面反射来传播，能传得很远;指向性强.现在学习的是第43页，共

17、54页无线电波波段划分：现在学习的是第44页，共54页发射机末级回路产生的高频振荡电流经过馈线送到发射天线，通过发射天线将其转换成电磁波辐射出去；到了接收端，电磁波在接收天线上感生高频振荡电流，再经馈线将高频振荡电流送到接收机输入回路，这就完成了信息的传递。在这个过程中，经历了电磁波的传输、发射、传播、接收等过程。接收机接收天线馈线下行波发射机发射天线馈线导行波现在学习的是第45页，共54页现在学习的是第46页，共54页*11-3 电磁场的能量与动量一、电磁场的能量密度与能流密度电磁场中单位体积空间内能量称为电磁场的能量密度，用 表示w单位时间通过电磁场中与能量传播方向垂直的单位面积上的能量称

18、为能流密度，它是一个矢量，用 表示。S现在学习的是第47页，共54页二、电磁场的能量密度与能流密度表达式1.能量密度221Ewe 221Hwm 电场磁场 2221HEwwwme 电磁场电磁波所携带的能量称为辐射能.现在学习的是第48页，共54页2.能流密度(又叫辐射强度)单位时间内通过垂直于传播方向的单位面积的辐射能量(S)vHEwvS2221 1 vHE EHS HES EH wS能流密度矢量坡印廷矢量现在学习的是第49页，共54页对于振荡电偶极子辐射波,可导出(自证推导)平均能流密度（辐射强度）:vrsinpS2224042 上式表明:1)辐射具有方向性2)S与4成正比现在学习的是第50页

19、，共54页三、电磁场的动量相对论中420222cmcPE 真空中平面电磁波，其单位体积的动量（动量密度）大小：cwVdWcdVdpg 1ScHEcg2211 动量为矢量，故 电磁波在物体表面反射或被吸收时必定产生压强称为辐射压强。)EH(ccSw1 )(1220EHccEcwg 现在学习的是第51页，共54页四、同步辐射 BavS的角分布作匀速率圆周电荷的同步辐射运动 在回旋加速器的磁场中作圆周运动的质子或电子就要产生强烈的辐射，这时由加速器提供给粒子的能量将有一部分转变为辐射能。当粒子的速度接近光速时粒子辐射的能流密度的角分布形成一个指向前方的锥形瓣，随粒子运动，象一个转动的探照灯束，这种辐射称为同步辐射。现在学习的是第52页，共54页五、电磁场是物质的一种形态能量和动量都是物质运动的量度运动是物质存在的形式电磁场具有能量和动量，它是物质的一种形态。现在学习的是第53页，共54页tDjd位移电流密度：充电DtDD/+-cItD +-放电cIDtDD/tD 位移电流与传导电流方向相同（a）位移电流的方向现在学习的是第54页，共54页