第二十三章 麦克斯韦方程组与电磁波PPT讲稿.ppt

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1、第二十三章 麦克斯韦方程组与电磁波第1页，共27页，编辑于2022年，星期二把安培环路定理推广到电流把安培环路定理推广到电流 变变化的回路时出现了矛盾化的回路时出现了矛盾电流概念必须发展电流概念必须发展完善宏观电完善宏观电磁场理论磁场理论 电场电场静电场静电场感生电场感生电场静止电荷静止电荷空间存在空间存在 磁场磁场稳恒磁场稳恒磁场空间存在空间存在恒定电流恒定电流感生磁场？感生磁场？回顾前几章的内容回顾前几章的内容？原因？原因？第2页，共27页，编辑于2022年，星期二里程碑里程碑 (在在100100年左右的时间年左右的时间)17851785年年 Coulomb Law Coulomb Law

2、 静电规律静电规律1791 Volta1791 Volta电池电池 动电规律动电规律 1820 Oersted 1820 Oersted 电电磁磁 稳恒磁场稳恒磁场18311831年年 Faraday Faraday 电磁感应电磁感应18651865年年 Maxwell Maxwell 完善完善矛盾矛盾推广推广假设假设完善完善本章思路：本章思路：第3页，共27页，编辑于2022年，星期二1 位移电流与全电流定律位移电流与全电流定律一一.关于关于1.1.从稳恒电路中推出从稳恒电路中推出最初目的：避开磁化电流的计算最初目的：避开磁化电流的计算2.2.传导电流传导电流(电荷定向移动电荷定向移动)热效

3、应热效应 产生磁场产生磁场3.3.内：内：与回路套连的电流与回路套连的电流取值取值:通过以通过以L L为边界的任一曲面的电流为边界的任一曲面的电流第4页，共27页，编辑于2022年，星期二在电容器充电过程中出现了矛盾在电容器充电过程中出现了矛盾在某时刻在某时刻 回路中传导电流强度为回路中传导电流强度为取取L L 如图如图思考之一：场客观存在思考之一：场客观存在 环流值必须唯一环流值必须唯一思考之二：定理应该普适思考之二：定理应该普适假设：电容器内存在一种类似电流的物理量假设：电容器内存在一种类似电流的物理量计算计算H H的环流的环流取取取取第5页，共27页，编辑于2022年，星期二麦克斯韦假设

4、位移电流的存在，麦克斯韦假设位移电流的存在，提出全电流的概念，提出全电流的概念，把安培环路定理推广到非恒定情况下也适用，把安培环路定理推广到非恒定情况下也适用，得到安培环路定理的普遍形式。得到安培环路定理的普遍形式。二二.位移电流位移电流 全电流全电流 全电流定理全电流定理1.1.位移电流位移电流平板电容器内部存在一个物理量平板电容器内部存在一个物理量可以产生磁场可以产生磁场起着电流的作用起着电流的作用应是电流的量纲应是电流的量纲第6页，共27页，编辑于2022年，星期二在充放电过程中，平行板电容器内在充放电过程中，平行板电容器内有哪些物理量？有哪些物理量？时刻有时刻有分析各量的量纲分析各量的

5、量纲第7页，共27页，编辑于2022年，星期二 从量纲上进行寻找从量纲上进行寻找Maxwell Maxwell 定义：定义：位移电流位移电流电流面密度电流面密度第8页，共27页，编辑于2022年，星期二通过某通过某个面积个面积的位移电流就的位移电流就是通过是通过该面积该面积的的电位移通量电位移通量对时间的对时间的变化率变化率位移电流密度位移电流密度定义定义第9页，共27页，编辑于2022年，星期二2.2.全电流定律全电流定律电流概念的推广电流概念的推广能产生磁场的物理量能产生磁场的物理量1 1）传导电流）传导电流 载流子定向运动载流子定向运动2 2）位移电流）位移电流第10页，共27页，编辑于

6、2022年，星期二 电流概念的推广电流概念的推广仅仅从产生磁场的能力仅仅从产生磁场的能力上定义仅此而已上定义仅此而已 位移电流与传导电流的异同位移电流与传导电流的异同第11页，共27页，编辑于2022年，星期二 用全电流定律就可以解决前面的用全电流定律就可以解决前面的充电电路中矛盾充电电路中矛盾只有传导只有传导电流电流只有位只有位移电流移电流平行板电容器板平行板电容器板面积为面积为S第12页，共27页，编辑于2022年，星期二（1）电容器两极板）电容器两极板 间的位移电流间的位移电流（2）以两板中心连线为轴，取半径为）以两板中心连线为轴，取半径为r的圆形回路，应的圆形回路，应用全电流定律用全电

7、流定律例例:有一平板电容器，两极板是半径有一平板电容器，两极板是半径R=0.1m的导体的导体圆板，匀速充电使电容器两极板间电场的变化率为圆板，匀速充电使电容器两极板间电场的变化率为 。求：。求：(1)Id；(2)两极板间离两板中心连线为两极板间离两板中心连线为r处的处的磁感强度磁感强度 和和r=R处的处的 。第13页，共27页，编辑于2022年，星期二所以所以此时，此时，B r。第14页，共27页，编辑于2022年，星期二所以所以此时，此时，B 。BrR第15页，共27页，编辑于2022年，星期二2 2 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 Maxwell equations Maxwell equa

8、tions一一.积分形式积分形式通量通量第16页，共27页，编辑于2022年，星期二环流环流通量通量第17页，共27页，编辑于2022年，星期二第18页，共27页，编辑于2022年，星期二二二.微分形式微分形式积分形式积分形式微分形式微分形式第19页，共27页，编辑于2022年，星期二1.1.完善了宏观的电磁场理论完善了宏观的电磁场理论 四个微分方程四个微分方程方程组在任何惯性系中形式相同方程组在任何惯性系中形式相同洛仑兹不变式洛仑兹不变式确定的边界确定的边界条件下条件下解方程组解方程组还有还有介质方程介质方程麦克斯韦的贡献麦克斯韦的贡献第20页，共27页，编辑于2022年，星期二2.2.爱因

9、斯坦相对论的重要实验基础爱因斯坦相对论的重要实验基础3.3.预言电磁波的存在预言电磁波的存在由微分方程出发由微分方程出发 在各向同性介质中在各向同性介质中 且在且在情况下情况下满足的微分满足的微分方程形式方程形式第21页，共27页，编辑于2022年，星期二3 电磁波电磁波是波动方程的形式是波动方程的形式对沿对沿 方向传播的电磁场方向传播的电磁场(波波)有有一一.电磁波电磁波第22页，共27页，编辑于2022年，星期二波动方程波动方程任一物理量任一物理量传播方向传播方向物理量是物理量是波速是波速是比较比较第23页，共27页，编辑于2022年，星期二基本性质：基本性质：（1）电磁波是横波，）电磁波

10、是横波，两两相互垂直。两两相互垂直。（2）偏振性，）偏振性，分别在各自的平面方向上振动。分别在各自的平面方向上振动。（3），同相变化。且同相变化。且(4)(4)波速波速真空真空第24页，共27页，编辑于2022年，星期二二二.电磁波的能量电磁波的能量能量密度能量密度辐射强度：单位时间内通过垂直于传播方向单位面积上辐射强度：单位时间内通过垂直于传播方向单位面积上 的辐射能，用的辐射能，用 表示。表示。能量密度矢量（坡印廷矢量）：能量密度矢量（坡印廷矢量）：dAvdt第25页，共27页，编辑于2022年，星期二按频率或波长的顺序把各种电磁波排列起来，就按频率或波长的顺序把各种电磁波排列起来，就构成

11、了构成了电磁波谱电磁波谱。第26页，共27页，编辑于2022年，星期二波 长频 率主 要 用 途名称长 波30 000m3 000m中 波3 000m200m中短波200m50m短波 50m10m米波 10m1m 10100 kHz 100 1500 kHz 1.56 MHz 630 MHz 30 300 MHz微 波分 米 波厘 米 波毫 米 波 1m10cm 10cm1cm 1cm0.1cm 300 3 000 MHz 3 000 300 000 MHz 30 000 3000 000 MHz长距离通讯和导航无线电广播电报通讯、无线电广播无线电广播、电报通讯调频无线电广播、电视广播无线电导航电视、雷达、无线电导航及其他专门用途 各种无线电波的范围和用途各种无线电波的范围和用途第27页，共27页，编辑于2022年，星期二