第十四讲 电磁场与电磁波精选PPT.ppt

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1、第十四讲 电磁场与电磁波1第1页，此课件共30页哦根据已知电磁场基本规律：根据已知电磁场基本规律：静止电荷静止电荷静电场；静电场；变化的磁场变化的磁场电场（涡旋电场）电场（涡旋电场）变化的电场变化的电场磁场磁场？传导（稳恒）电流传导（稳恒）电流稳恒磁场；稳恒磁场；启示启示麦克斯韦对此引入麦克斯韦对此引入位移电流位移电流的概念，提出假说：的概念，提出假说：变化的电场变化的电场 位移电流位移电流磁场磁场该假设正确地回答了变化的电场激发磁场的问题该假设正确地回答了变化的电场激发磁场的问题,并并在此基础上建立了麦克斯韦电磁场理论在此基础上建立了麦克斯韦电磁场理论麦克斯韦方程麦克斯韦方程组。组。-电磁学

2、发展的第二个里程碑电磁学发展的第二个里程碑-2第2页，此课件共30页哦一、旧理论在新问题中的矛盾一、旧理论在新问题中的矛盾稳恒电路中电流连续，故安培环路定理：稳恒电路中电流连续，故安培环路定理：对同一环路对同一环路L所围成的任意曲面所围成的任意曲面S均成立。均成立。23-123-1位移电流与全电流定律位移电流与全电流定律如右图所示，曲面如右图所示，曲面S1和和S2均由环均由环路路L所围成，上式对两者均成立。所围成，上式对两者均成立。3第3页，此课件共30页哦适用于稳恒电路的安培环适用于稳恒电路的安培环路定理路定理在电流不连续的情况在电流不连续的情况下下出现矛盾！出现矛盾！对对L所围成的所围成的

3、S1面面而对而对L所围成的所围成的S2面面将稳恒电路的环路定理用于非稳恒电路时，将出现矛盾。将稳恒电路的环路定理用于非稳恒电路时，将出现矛盾。以如图电容器充电电路为例：以如图电容器充电电路为例：4第4页，此课件共30页哦电容器充电时，穿过电容器充电时，穿过S1面的电流累积为极板上的电荷面的电流累积为极板上的电荷.根据电荷守恒定律有根据电荷守恒定律有：二、位移电流二、位移电流而两极板间的电位移而两极板间的电位移D和电通量和电通量 D为为(无论充电或放电，无论充电或放电，方向均与电流方向相同方向均与电流方向相同)5第5页，此课件共30页哦穿过穿过S1的传导电流的传导电流I，等于穿过，等于穿过S2的

4、电位移通量的时间的电位移通量的时间变化率。变化率。麦克斯韦定义麦克斯韦定义位移电流：位移电流密度矢量：位移电流密度矢量：在极板上中断的传导电流在极板上中断的传导电流I，被位移电流，被位移电流Id所接替，两者所接替，两者保持了电流的连续性保持了电流的连续性.6第6页，此课件共30页哦与回路中的与回路中的 成右旋关系。成右旋关系。麦克斯韦指出：麦克斯韦指出：在产生磁效应方面位移电流与传导电流完全相同，在激发在产生磁效应方面位移电流与传导电流完全相同，在激发磁场时也遵守同样的规律。磁场时也遵守同样的规律。三、位移电流的磁场三、位移电流的磁场传导电流：传导电流：位移电流位移电流 Id 产产生的磁场生的

5、磁场类比得位移电流：类比得位移电流：7第7页，此课件共30页哦四、全电流定律四、全电流定律1.1.全电流全电流全电流密度全电流密度全电流在任何情况下都是连续的。全电流在任何情况下都是连续的。或：或：2.2.全电流定律全电流定律磁场强度的环流等于穿过环路面积的全电流的代磁场强度的环流等于穿过环路面积的全电流的代 数和。数和。8第8页，此课件共30页哦位移电流与传导电流的异同位移电流与传导电流的异同传导电流传导电流I 位移电流位移电流Id 相异点：相异点：起源起源热效应热效应电荷的运动电荷的运动电场的变化电场的变化有有无无相同点：相同点：两者均产生涡旋磁场，而且电流与磁场的两者均产生涡旋磁场，而且

6、电流与磁场的方向均满足右手螺旋关系。方向均满足右手螺旋关系。9第9页，此课件共30页哦例例:半径为半径为R的的圆形平板电容器，两极板间电场的时间变化率圆形平板电容器，两极板间电场的时间变化率为为dE/dt=K（K 0）.求：求：1.1.两极板间的位移电流两极板间的位移电流;2.2.两极两极板间内、外的磁感应强度。板间内、外的磁感应强度。1.1.两极板间的两极板间的位移电流位移电流解：解：2.2.如图取半径为如图取半径为r(r R，穿过回路的电通量分布在，穿过回路的电通量分布在半径半径R范围内，所以范围内，所以 11第11页，此课件共30页哦在极板边缘处，在极板边缘处，r=R感应磁场分布曲线如图

7、。感应磁场分布曲线如图。12第12页，此课件共30页哦解：解：根据欧姆定律有根据欧姆定律有例：例：导体中通有简谐电流导体中通有简谐电流 i=I0cos t，电流沿横截面电流沿横截面S均匀均匀分布，试分布，试计算导体中传导电流与位移电流的比值计算导体中传导电流与位移电流的比值.位移电流位移电流位移电流与传导电流的振幅比位移电流与传导电流的振幅比一般良导体，一般良导体，只要电流变化频率只要电流变化频率通常导体内的位移电流与传导电流相比微不足道。例如，通常导体内的位移电流与传导电流相比微不足道。例如，市电频率：市电频率：50Hz，13第13页，此课件共30页哦例：例：带不同电量的两长直细线以不同的速

8、率沿长度方向作同带不同电量的两长直细线以不同的速率沿长度方向作同向运动，试比较它们之间相互作用的磁力和电力的大小。向运动，试比较它们之间相互作用的磁力和电力的大小。解：解：两带电线匀速运动时的等效电流分别为两带电线匀速运动时的等效电流分别为单位长度线段间的相互作用磁力单位长度线段间的相互作用磁力P.18带电直线带电直线1 1在直线在直线2 2处产生的电场强度处产生的电场强度14第14页，此课件共30页哦带电直线带电直线2 2单位长度所受电力单位长度所受电力故，磁力与电力的比值故，磁力与电力的比值磁力远小于电力！磁力远小于电力！因导线中的正、负电荷的电场彼此抵消了。因导线中的正、负电荷的电场彼此

9、抵消了。u在原子内部，电荷间的相互作用主要是电力，而磁力在原子内部，电荷间的相互作用主要是电力，而磁力不过是不过是(v/c )的二级小的效应。的二级小的效应。但实验中为何只观察到导线间的磁力而无电力？但实验中为何只观察到导线间的磁力而无电力？(通常现象中通常现象中vc)注意此处是带电线，其中正负电荷未抵消，而是有净余电荷。注意此处是带电线，其中正负电荷未抵消，而是有净余电荷。15第15页，此课件共30页哦23-2 23-2 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组一般情况，总电磁场包括静态场、稳恒场和动态场一般情况，总电磁场包括静态场、稳恒场和动态场Maxwell电磁理论基本思想电磁理论基本思想 变化的电

10、场和变化的磁场相互激发、变化的电场和变化的磁场相互激发、相互依存，实为一个整体相互依存，实为一个整体,组成统一组成统一的电磁场。的电磁场。16第16页，此课件共30页哦总结电磁学方程总结电磁学方程17第17页，此课件共30页哦Maxwell方程组的积分形式方程组的积分形式物质方程：物质方程：18第18页，此课件共30页哦Maxwell方程组的微分形式方程组的微分形式Maxwell方程的适用范围：方程的适用范围：一切宏观电磁现象。一切宏观电磁现象。当讨论局部性问题时，常用到微分形式的方程组当讨论局部性问题时，常用到微分形式的方程组.19第19页，此课件共30页哦Maxwell方程组的科学价值方程

11、组的科学价值完整地概括了电磁场的运动规律，能推断和解释一完整地概括了电磁场的运动规律，能推断和解释一切宏观的电磁现象。切宏观的电磁现象。预言了光的电磁本性，将光学和电磁学统一起来预言了光的电磁本性，将光学和电磁学统一起来.方程方程蕴含着完美的对称结构蕴含着完美的对称结构时空对称、电磁对称。不仅时空对称、电磁对称。不仅说明电磁场是最简单的规范场，也为相对论的产生提供了邹说明电磁场是最简单的规范场，也为相对论的产生提供了邹形。形。它在技术上的应用促进了电子技术和生产力的高度发展。它在技术上的应用促进了电子技术和生产力的高度发展。可以说近代一切无线电技术、雷达、电视、电子计算机等可以说近代一切无线电

12、技术、雷达、电视、电子计算机等等等都只不过是麦克斯韦方程的应用而已。都只不过是麦克斯韦方程的应用而已。20第20页，此课件共30页哦麦克斯韦简介特点：特点：治学严谨，擅长数学，有一股为科学奋斗不息的精神，且治学严谨，擅长数学，有一股为科学奋斗不息的精神，且能注意辩证思维。能注意辩证思维。(如引入位移电流如引入位移电流)爱因斯坦曾评价说爱因斯坦曾评价说：“这个理论从超距作用过渡到以场为基本量，这个理论从超距作用过渡到以场为基本量，以致成为一个革命的理论以致成为一个革命的理论”。18791879年是麦克斯韦生命的最后一年。这一年的春天来得很晚，年是麦克斯韦生命的最后一年。这一年的春天来得很晚，也格

13、外冷。他的健康明显恶化，但是他仍然坚持不懈地宣传电磁也格外冷。他的健康明显恶化，但是他仍然坚持不懈地宣传电磁理论。这时，他的讲座只有两个听众。一个是美国来的研究生，理论。这时，他的讲座只有两个听众。一个是美国来的研究生，另一个就是后来发明电子管的另一个就是后来发明电子管的弗莱明弗莱明。这是一幕多么令人感叹的。这是一幕多么令人感叹的情景啊！空旷的阶梯教室里，只在头排坐着两个学生。麦克斯情景啊！空旷的阶梯教室里，只在头排坐着两个学生。麦克斯韦夹着讲义，照样步履坚定地走上讲台，他面孔消瘦，目光闪韦夹着讲义，照样步履坚定地走上讲台，他面孔消瘦，目光闪烁，表情严肃而庄重。仿佛他不是在向两个听众，而是在向

14、全烁，表情严肃而庄重。仿佛他不是在向两个听众，而是在向全世界解释自己的理论。世界解释自己的理论。他的巨著他的巨著电磁学通论电磁学通论的重大意义，完全可以与牛顿的的重大意义，完全可以与牛顿的数学数学原理原理和达尔文的和达尔文的物种起源物种起源等价。等价。21第21页，此课件共30页哦18791879年年1111月月5 5日，麦克斯韦患癌症去世，终年只有日，麦克斯韦患癌症去世，终年只有4848岁。物理学史上岁。物理学史上一颗可以同牛顿交相辉映的明星陨落了。他正当壮年就不幸夭折，这一颗可以同牛顿交相辉映的明星陨落了。他正当壮年就不幸夭折，这是非常可惜的。他的理论为近代科学技术开辟了一条崭新的道路，可

15、是非常可惜的。他的理论为近代科学技术开辟了一条崭新的道路，可是他的功绩，在他活着的时候却没有得到人们重视。麦克斯韦的一生，是他的功绩，在他活着的时候却没有得到人们重视。麦克斯韦的一生，是咤叱风云的一生是咤叱风云的一生,也是自我牺牲的一生。这位科学巨匠生前的荣誉远也是自我牺牲的一生。这位科学巨匠生前的荣誉远远不及法拉第，直到他死后许多年，在赫兹证明了电磁波存在以后人远不及法拉第，直到他死后许多年，在赫兹证明了电磁波存在以后人们才意识到，并且公认他是们才意识到，并且公认他是“牛顿以后世界上最伟大的数学物理学家牛顿以后世界上最伟大的数学物理学家”。麦克斯韦麦克斯韦(1831-1879)(1831-1

16、879)。是继法拉第之后，集电磁学大成的伟。是继法拉第之后，集电磁学大成的伟大科学家。他依据大科学家。他依据库仑库仑、高斯高斯、欧姆欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉安培、毕奥、萨伐尔、法拉第第等前人的一系列发现和实验成果，建立了第一个完整的电磁理论体系，等前人的一系列发现和实验成果，建立了第一个完整的电磁理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在不仅科学地预言了电磁波的存在,而且揭示了光、电、磁现象的本质的统而且揭示了光、电、磁现象的本质的统一性，完成了物理学的又一次大综合。这一自然科学理论的成果，奠定了一性，完成了物理学的又一次大综合。这一自然科学理论的成果，奠定了现代的电力工业、电子工业和无线电

17、工业的基础。现代的电力工业、电子工业和无线电工业的基础。22第22页，此课件共30页哦变化的电磁场在空间的传播叫电磁波。变化的电磁场在空间的传播叫电磁波。23-3 23-3 电磁波电磁波一、电磁波一、电磁波电磁波的形成：电磁波的形成：变化着的电场和磁场相互激发、交替产生变化着的电场和磁场相互激发、交替产生,并以有限速度在空间中传播，即为电磁波。并以有限速度在空间中传播，即为电磁波。解：解：平面简谐电磁波方程平面简谐电磁波方程(波源作简谐振荡波源作简谐振荡)振幅关系振幅关系23第23页，此课件共30页哦平面简谐电磁波的基本性质平面简谐电磁波的基本性质且两者均垂直于且两者均垂直于电磁波是横波。电磁

18、波是横波。电磁波具有偏振性，电磁波具有偏振性，分别有各自的振动面。分别有各自的振动面。电磁场的量值均作周期性变化，且变化的位相相同电磁场的量值均作周期性变化，且变化的位相相同.其瞬时关系其瞬时关系:波速波速真空中真空中:光是一种电磁波光是一种电磁波24第24页，此课件共30页哦 辐射强度辐射强度 （能流密度矢量能流密度矢量或或坡印廷矢量坡印廷矢量）：电磁波的传播过程就是电磁能的传播过程。电磁波的传播过程就是电磁能的传播过程。电磁波所携带的能量叫做辐射能。电磁波所携带的能量叫做辐射能。矢量形式：矢量形式：二、电磁波的能量二、电磁波的能量电磁波能量密度电磁波能量密度单位时间通过垂直于波传播方向单位

19、面积的辐射能单位时间通过垂直于波传播方向单位面积的辐射能.大小大小方向与电磁波的传播速度方向一致。方向与电磁波的传播速度方向一致。25第25页，此课件共30页哦电磁场具有能量密度电磁场具有能量密度相应的质量密度和相应的质量密度和动量密度：动量密度：三、电磁场的物质性与统一性三、电磁场的物质性与统一性1.1.电磁场的物质形态电磁场的物质形态19201920年列别捷夫的光压实验证明电磁场与实物间有动量年列别捷夫的光压实验证明电磁场与实物间有动量传递，并满足守恒定律。传递，并满足守恒定律。2.2.电磁场是统一的整体电磁场是统一的整体电场与磁场相互激发电场与磁场相互激发,交替作用。交替作用。电场与磁场

20、相互联系，相互依存电场与磁场相互联系，相互依存，不可分割，不可分割。根据根据狭义相对论原理不难说明：磁现象是电现象的一种相狭义相对论原理不难说明：磁现象是电现象的一种相对效应。对效应。总之：电磁场具有统一性，相对性。具有物质的一切重要属性。是总之：电磁场具有统一性，相对性。具有物质的一切重要属性。是物质的一种形态。物质的一种形态。26第26页，此课件共30页哦按频率或波长的顺序把各种电磁波排列起来，就构成了电磁按频率或波长的顺序把各种电磁波排列起来，就构成了电磁波谱。一定波源发出的电磁波的频率波谱。一定波源发出的电磁波的频率 不变不变,但波速但波速c、波长、波长 都与介质有关。都与介质有关。电

21、磁波谱电磁波谱27第27页，此课件共30页哦例：例：半径为半径为R的的长直螺线管长直螺线管(单位长度匝数为单位长度匝数为n)其导线中其导线中通有变化的电流通有变化的电流i，且且di/dt 0，管内磁导率为，管内磁导率为。求：求：1.1.管管内与轴线相距内与轴线相距 r 的某点的某点p处的磁场强度；处的磁场强度；2.2.p点处的感生电点处的感生电场强度；场强度；3.3.p点处的坡印廷矢量。点处的坡印廷矢量。1.1.管内为均匀磁场管内为均匀磁场左视图左视图解：解：2.2.在管内取回路在管内取回路L，则，则28第28页，此课件共30页哦式中负号表明式中负号表明感生电场满足楞次定律的要求感生电场满足楞次定律的要求。3.3.p 点处的坡印廷矢量大小点处的坡印廷矢量大小由对称性知，各点由对称性知，各点 S 的方向均指向螺线管轴线。的方向均指向螺线管轴线。方向指向中心方向指向中心o：轴线上轴线上故整个螺线管不向外辐射电磁能量。故整个螺线管不向外辐射电磁能量。29第29页，此课件共30页哦下次课交下次课交习题六习题六作业作业30第30页，此课件共30页哦