时变电磁场与电磁波.ppt

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1、时变电磁场与电磁波现在学习的是第1页，共32页物理学及电子信息工程系第八章第八章 时变电磁场和电磁波时变电磁场和电磁波一、位移电流与麦克斯韦方程组一、位移电流与麦克斯韦方程组二、平面电磁波二、平面电磁波三、电磁场的能量密度和能流密度三、电磁场的能量密度和能流密度四、电磁波的辐射与赫兹实验四、电磁波的辐射与赫兹实验现在学习的是第2页，共32页物理学及电子信息工程系静静电场电场、静磁、静磁场场相互无相互无联联系，各自独立系，各自独立发发展与研究。若展与研究。若认为认为有有联联系，系，仅仅是是电电流由运流由运动电动电荷形成：荷形成：第一节第一节 位移电流与麦克斯韦方程组位移电流与麦克斯韦方程组一、位

2、移电流的引入一、位移电流的引入 并且并且满满足足约约束关系：束关系：1.稳恒电磁场方程稳恒电磁场方程8.1 位移电流与麦克斯韦方程组现在学习的是第3页，共32页物理学及电子信息工程系.变化电磁场方程：变化电磁场方程：这二式在变化情况下仍然成立，这二式在变化情况下仍然成立，只不过此时只不过此时D、B、q是时间的函是时间的函数数适用于变化场适用于变化场的形式如何？的形式如何？8.1 位移电流与麦克斯韦方程组即：法拉第电磁感应定律即：法拉第电磁感应定律现在学习的是第4页，共32页物理学及电子信息工程系+考虑包含电容考虑包含电容C的无分支电路，将的无分支电路，将用于对应同一个环路的用于对应同一个环路的

3、S、S面，得面，得矛盾矛盾电容器破坏了电路中传导电流的连续性。电容器破坏了电路中传导电流的连续性。8.1 位移电流与麦克斯韦方程组现在学习的是第5页，共32页物理学及电子信息工程系即：充电电流穿过了，但没有穿过即：充电电流穿过了，但没有穿过，说明电荷在与，说明电荷在与之间积累下来由电荷守恒定律有：之间积累下来由电荷守恒定律有：而而成立成立令令位移电流密度位移电流密度全电流密度全电流密度8.1 位移电流与麦克斯韦方程组现在学习的是第6页，共32页物理学及电子信息工程系则则在普遍情形下全电流永远是连续的，传导在普遍情形下全电流永远是连续的，传导电流中断处，位移电流便接替下去，形成电流中断处，位移电

4、流便接替下去，形成闭合电路。闭合电路。成立成立位移电流与传导电流连接起来恰好构成连位移电流与传导电流连接起来恰好构成连续的闭合电流续的闭合电流全电流全电流矛盾自然消除矛盾自然消除8.1 位移电流与麦克斯韦方程组现在学习的是第7页，共32页物理学及电子信息工程系位移电流的主要部分是变化的磁场，不与实物粒子运动对应。位移电流的主要部分是变化的磁场，不与实物粒子运动对应。在真空中在真空中 二、二、.位移电流的性质位移电流的性质是纯粹的位移电流是纯粹的位移电流由此可见，位移电流虽有由此可见，位移电流虽有“电流电流”之名，但它的基本部分之名，但它的基本部分却与却与“电荷的流动电荷的流动”无关，它本质上是

5、变化的电场。无关，它本质上是变化的电场。8.1 位移电流与麦克斯韦方程组现在学习的是第8页，共32页物理学及电子信息工程系位移电流与传导电流一样，按相同的方式产生磁场。位移电流与传导电流一样，按相同的方式产生磁场。位移电流与传导电流方向相位移电流与传导电流方向相同。同。位移电流不产生焦尔热，有介质时，偶极子不断位移电流不产生焦尔热，有介质时，偶极子不断往复运动可产生热量，但不是焦尔热，不与电流的平方成正比。往复运动可产生热量，但不是焦尔热，不与电流的平方成正比。位移电流强度位移电流强度8.1 位移电流与麦克斯韦方程组现在学习的是第9页，共32页物理学及电子信息工程系例：设平行板电容器极板为圆盘

6、，半径为例：设平行板电容器极板为圆盘，半径为R，两，两 极板间距为极板间距为d，用，用线变电流线变电流IC对电容器充电。对电容器充电。求：求：P1、P2点的磁感应强度。点的磁感应强度。解：解：任一时刻极板间的场强为：任一时刻极板间的场强为：极板间任一点的位移电流密度为：极板间任一点的位移电流密度为：8.1 位移电流与麦克斯韦方程组现在学习的是第10页，共32页物理学及电子信息工程系由安培环路定理由安培环路定理有：有：8.1 位移电流与麦克斯韦方程组现在学习的是第11页，共32页物理学及电子信息工程系作业作业P3969.1.1 9.1.2 9.1.48.1 位移电流与麦克斯韦方程组现在学习的是第

7、12页，共32页物理学及电子信息工程系 1.工作基础工作基础q在在前前人人成成就就的的基基础础上上，麦麦克克斯斯韦韦提提出出了了感感应应电电场场（涡涡旋旋电电场场）和）和位移电流位移电流的假说。的假说。q其其核核心心思思想想是是：变变化化的的磁磁场场可可以以激激发发涡涡旋旋电电场场；变变化化的的电电场场可以激发涡旋磁场可以激发涡旋磁场。三、麦克斯韦方程组三、麦克斯韦方程组8.1 位移电流与麦克斯韦方程组现在学习的是第13页，共32页物理学及电子信息工程系 2.真空中的麦克斯韦方程组的积分形式真空中的麦克斯韦方程组的积分形式q电磁学的基本规律是真空中的电磁场规律。电磁学的基本规律是真空中的电磁场

8、规律。(1).电场的高斯定律电场的高斯定律q在在1865年年，麦麦克克斯斯韦韦将将这这些些规规律律归归纳纳为为一一组组基基本本方方程程，即即麦麦克斯韦方程组。克斯韦方程组。q尽尽管管电电场场和和磁磁场场的的变变化化有有关关系系，但但总总的的电电场场和和电电荷荷的的关关系总服从这一高斯定律。系总服从这一高斯定律。8.1 位移电流与麦克斯韦方程组现在学习的是第14页，共32页物理学及电子信息工程系(2).磁场的高斯定律磁场的高斯定律(3).电场的环路定律电场的环路定律q即法拉第电磁感应定律，空间总电场和磁场的关系总符合这一定律。即法拉第电磁感应定律，空间总电场和磁场的关系总符合这一定律。q也是磁通

9、连续定理，说明在自然界中没有磁单极子存在也是磁通连续定理，说明在自然界中没有磁单极子存在8.1 位移电流与麦克斯韦方程组现在学习的是第15页，共32页物理学及电子信息工程系(4).磁场的环路定律磁场的环路定律q即即一一般般形形式式下下的的安安培培环环路路定定理理，它它说说明明磁磁场场和和电电流流以以及及变化的电场之间的联系。变化的电场之间的联系。即：麦克斯韦方程组的积分形式为：即：麦克斯韦方程组的积分形式为：8.1 位移电流与麦克斯韦方程组现在学习的是第16页，共32页物理学及电子信息工程系 四、麦克斯韦方程组的意义四、麦克斯韦方程组的意义不仅电荷可以产生电场，变化的磁场也可以产生电场；不仅电

10、荷可以产生电场，变化的磁场也可以产生电场；不仅电流可以产生磁场，变化的电场也可以产生磁场；不仅电流可以产生磁场，变化的电场也可以产生磁场；变化的电场和磁场互相激发，由近及远在空间传播，形成电磁波。变化的电场和磁场互相激发，由近及远在空间传播，形成电磁波。麦克斯韦方程组加上介质性能方程全面总结了电磁场的规麦克斯韦方程组加上介质性能方程全面总结了电磁场的规律，是宏观电动力学的基本方程组，利用它们原则上可以解律，是宏观电动力学的基本方程组，利用它们原则上可以解决各种宏观电磁场问题。决各种宏观电磁场问题。8.1 位移电流与麦克斯韦方程组现在学习的是第17页，共32页物理学及电子信息工程系一、麦克斯韦方

11、程组的微分形式一、麦克斯韦方程组的微分形式利用矢量分析中的高斯定理和利用矢量分析中的高斯定理和斯托克斯公式斯托克斯公式可把麦克斯韦方程可把麦克斯韦方程组化为组化为微分形式微分形式：高斯定理高斯定理斯托克斯公式斯托克斯公式则则第二节第二节 平面电磁波平面电磁波 8.2 平面电磁波现在学习的是第18页，共32页物理学及电子信息工程系在介质内，上述麦克斯韦方程组尚不完备，还需补充三个描述介质性在介质内，上述麦克斯韦方程组尚不完备，还需补充三个描述介质性质的方程式。对于各向同性介质来说，我们有质的方程式。对于各向同性介质来说，我们有 8.2 平面电磁波现在学习的是第19页，共32页物理学及电子信息工程

12、系二、真空中的电磁波动方程二、真空中的电磁波动方程真空中真空中则则 8.2 平面电磁波现在学习的是第20页，共32页物理学及电子信息工程系同理同理三维波动方程三维波动方程真空中的光速真空中的光速三、单色平面电磁波的性质三、单色平面电磁波的性质上述波动方程上述波动方程 一组特解为一组特解为 8.2 平面电磁波现在学习的是第21页，共32页物理学及电子信息工程系（1）电磁波是横波。令）电磁波是横波。令 代表电磁波传播方向的单位矢量，则振动代表电磁波传播方向的单位矢量，则振动的电矢量的电矢量 和磁矢量和磁矢量 都与都与 垂直，即：垂直，即：（2）电矢量与磁矢量垂直）电矢量与磁矢量垂直,即即（3）和和

13、 同频率同相位同频率同相位,并且在任何时刻、任何地点，并且在任何时刻、任何地点，、和和 三三个矢量总构成右旋系，个矢量总构成右旋系，即即 的方向总是沿着传播方向的方向总是沿着传播方向 的。的。（4）与与 的幅值成比例，的幅值成比例，令令 和和 分别代表电场和磁场的幅分别代表电场和磁场的幅值，值，和和 的比例关系为的比例关系为 8.2 平面电磁波现在学习的是第22页，共32页物理学及电子信息工程系（5）电磁波在真空中的传播速度为）电磁波在真空中的传播速度为 （6）能量密度）能量密度 8.2 平面电磁波现在学习的是第23页，共32页物理学及电子信息工程系（7）.能流密度能流密度:单位时间内流过垂直

14、于传播方向上单位面积的能量。单位时间内流过垂直于传播方向上单位面积的能量。写成矢量式有：写成矢量式有：玻印廷矢量玻印廷矢量根据电磁波的根据电磁波的 、构成右旋系的性质可以看出，电磁构成右旋系的性质可以看出，电磁波的能流密度矢量波的能流密度矢量 总是沿着电磁波的传播方向总是沿着电磁波的传播方向 ，即能量，即能量总是向前传播的。总是向前传播的。8.2 平面电磁波现在学习的是第24页，共32页物理学及电子信息工程系一、一、电磁波的产生电磁波的产生qLC 振荡回路。振荡回路。K合向右，回路中电流的大小和方向交替变化。合向右，回路中电流的大小和方向交替变化。振荡电流振荡电流 变化的磁场变化的磁场 变化的

15、电场变化的电场 变化的磁场变化的磁场 发射电磁波发射电磁波 第三节第三节 电磁波的辐射与赫兹实验电磁波的辐射与赫兹实验 8.3 电磁波的辐射与赫兹实验现在学习的是第25页，共32页物理学及电子信息工程系辐射的平均能流：辐射的平均能流：辐射功率：辐射功率：平均能流与辐射功率均正比于平均能流与辐射功率均正比于二、二、电磁波的辐射电磁波的辐射高频高频电路开放电路开放 8.3 电磁波的辐射与赫兹实验现在学习的是第26页，共32页物理学及电子信息工程系 8.3 电磁波的辐射与赫兹实验现在学习的是第27页，共32页物理学及电子信息工程系 8.3 电磁波的辐射与赫兹实验现在学习的是第28页，共32页物理学及

16、电子信息工程系三、电磁波振荡传播机制示意图三、电磁波振荡传播机制示意图 8.3 电磁波的辐射与赫兹实验电场电场电场电场电场电场电场电场电场电场电场电场磁场磁场磁场磁场磁场磁场磁场磁场磁场磁场磁场磁场磁场磁场波源波源现在学习的是第29页，共32页物理学及电子信息工程系四、赫兹实验四、赫兹实验 8.3 电磁波的辐射与赫兹实验现在学习的是第30页，共32页物理学及电子信息工程系 五、五、电磁波谱电磁波谱红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 8.3 电磁波的辐射与赫兹实验现在学习的是第31页，共32页物理学及电子信息工程系作业作业P3969.3.1 9.3.2 9.3.3 8.3 电磁波的辐射与赫兹实验现在学习的是第32页，共32页