第五章时变电磁场PPT讲稿.ppt
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1、第五章时变电磁场第1页,共84页,编辑于2022年,星期三4.0 序Introduction 在时变场中,电场与磁场都是时间和空间坐标的函数;变化的磁场会产生电场,变化的电场会产生磁场,电场与磁场相互依存构成统一的电磁场。英国科学家麦克斯韦将静态场、恒定场、时变场的电磁基本特性用统一的麦克斯韦方程组高度概括。麦克斯韦方程组是研究宏观电磁场现象的理论基础。下 页上 页返 回第2页,共84页,编辑于2022年,星期三时变场的知识结构框图:下 页上 页返 回磁通连续性原理高斯定律电磁感应定律全电流定律Maxwell方程组坡印廷定理与坡印廷矢量正弦电磁场动态位A A ,分界面上衔接条件达朗贝尔方程电磁
2、辐射、传输线及波导第3页,共84页,编辑于2022年,星期三本本 章章 要要 求求 深刻理解电磁场基本方程组的物理意义,其中包括位移电流的概念;掌握动态位与场量的关系以及波动方程,理解电磁场的滞后效应及波动性;掌握电磁波的产生和传播特性。下 页上 页返 回第4页,共84页,编辑于2022年,星期三4.1.1 电磁感应定律(Faradays Law)当与回路交链的磁通发生变化时,回路中会产生感应电动势,这就是法拉弟电磁感应定律。电磁感应定律:负号表示感应电流产生的磁场总是阻碍原磁场的变化。Faradays Law and Amperes Circuital Law4.1 电磁感应定律和全电流定律
3、电磁感应定律和全电流定律图4.1.1 感生电动势的参考方向下 页上 页返 回第5页,共84页,编辑于2022年,星期三1.回路不变,磁场随时间变化又称为感生电动势,这是变压器工作的原理,亦称为变压器电势。图4.1.2 感生电动势根据磁通变化的原因,分为三类:下 页上 页返 回第6页,共84页,编辑于2022年,星期三2.磁场不变,回路切割磁力线称为动生电动势,这是发电机工作原理,亦称为发电机电势。图4.1.3 动生电动势下 页上 页返 回第7页,共84页,编辑于2022年,星期三3.磁场随时间变化,回路切割磁力线实验表明:只要与回路交链的磁通发生变化,回路中就有感应电动势。与构成回路的材料性质
4、无关(甚至可以是假想回路),当回路是导体时,有感应电流产生。下 页上 页返 回电荷为什么会运动呢?即为什么产生感应电流呢?思考第8页,共84页,编辑于2022年,星期三4.1.2 感应电场(Inducted Electric Field)麦克斯韦假设,变化的磁场在其周围激发着一种电场,该电场对电荷有作用力(产生感应电流),称之为感应电场。图4.1.4 变化的磁场产生感应电场在静止媒质中 感应电场是非保守场,电力线呈闭合曲线,变化的磁场 是产生 的涡旋源,故又称涡旋电场。下 页上 页返 回第9页,共84页,编辑于2022年,星期三图4.1.5 变化的磁场产生感应电场 若空间同时存在库仑电场,即
5、则有 表明不仅电荷产生电场,变化的磁场也能产生电场。下 页上 页返 回 根据自然界的对偶关系,变化的电场是否会产生 磁场呢?思考第10页,共84页,编辑于2022年,星期三 4.1.3 全电流定律(Amperes Law)图4.1.6 交变电路用安培环路定律问题的提出思考经过S1面经过S2面下 页上 页返 回为什么相同的线积分结果不同?电流不连续 吗?原因所在?第11页,共84页,编辑于2022年,星期三电流连续性原理Stokes theorem矢量恒等式矢量恒等式 恒 定 场 时 变 场下 页上 页返 回所以因为所以所以第12页,共84页,编辑于2022年,星期三 变化的电场产生位移电流(D
6、isplacement Current),电流仍然是连续的。=下 页上 页返 回图4.1.7 交变电路用安培 环路定律第13页,共84页,编辑于2022年,星期三全电流定律 不仅传导电流产生磁场,变化的电场也能产生磁场。麦克斯韦预言电磁波的存在。微分形式积分形式其中,位移电流密度下 页上 页返 回第14页,共84页,编辑于2022年,星期三解:忽略边缘效应和感应电场位移电流密度位移电流电场 例 4.1.1 已知平板电容器的面积 S,相距 d,介质的介电常数 ,极板间电压 u(t)。试求位移电流 id;传导电流 ic与 id 的关系是什么?图4.1.8 传导电流与 位移电流下 页上 页返 回第1
7、5页,共84页,编辑于2022年,星期三4.2.1 电磁场基本方程组(Maxwell Equations)综上所述,电磁场基本方程组全电流定律 电磁感应定律磁通连续性原理高斯定律Maxwill Eguations and Boundary Conditions全电流定律:麦克斯韦第一方程,表明传导电流和变化 的电场都能产生磁场。电磁感应定律:麦克斯韦第二方程,表明电荷和变化的磁场都能产生电场。磁通连续性原理:表明磁场是无源场,磁力线总是闭合曲线。高斯定律:表明电荷以发散的方式产生电场(变化的磁场以涡旋的形式产生电场)。4.2 电磁场基本方程组分界面上的衔接条件下 页上 页返 回第16页,共84
8、页,编辑于2022年,星期三构成方程下 页上 页返 回麦克斯韦第一、二方程是独立方程,后面两个方程可以从中推得。静态场和恒定场是时变场的两种特殊形式。第17页,共84页,编辑于2022年,星期三 时变电磁场中媒质分界面上的衔接条件的推导方式与前三章类似,归纳如下:4.2.2 分界面上的衔接条件(Boundary Conditions)磁场:电场:折射定律下 页上 页返 回第18页,共84页,编辑于2022年,星期三结论:在理想导体内部无电磁场,电磁波发生全反射。图4.2.1 媒质分界面例 4.2.1 试推导时变场中理想导体与理想介质分界面上的衔接条件。分析:在理想导体中下 页上 页返 回。为有
9、限值,当。第19页,共84页,编辑于2022年,星期三根据衔接条件分界面介质侧的场量导体表面有感应的面电荷和面电流。下 页上 页返 回第20页,共84页,编辑于2022年,星期三4.3.1 动态位及其微分方程 (Kinetic Potentials and Differential Equations)从Maxwell方程组出发,称为动态位,是时间和空间坐标的函数。Kinetic Potentials and Integral Solutions4.3 动态位及其积分解下 页上 页返 回第21页,共84页,编辑于2022年,星期三经整理后,得由由(2)(1)洛仑兹条件定义A A 的散度下 页上
10、 页返 回第22页,共84页,编辑于2022年,星期三达朗贝尔方程(Dalangbaier Eguation)思考下 页上 页返 回 洛仑兹条件是电流连续性原理的体现。若场量不随时间变化,波动方程蜕变为泊松方程简化了动态位与场源之间的关系;确定了 的值,与 共同确定 A;第23页,共84页,编辑于2022年,星期三4.3.2 动态位方程的积分解 (Integral Solutions of Kinetic Potentials)以时变点电荷为例(除坐标原点外)返 回下 页上 页 式中 具有速度的量纲,f 1,f2 是具有二阶连续偏导数的任意函数。第24页,共84页,编辑于2022年,星期三有1
11、.通解的物理意义 或者说,t时刻的响应是 时刻的激励所产生。这是电磁波的滞后效应。说明 f1 以有限速度 向 方向传播,称之为入射波。图4.3.1 入射波 下 页上 页返 回第25页,共84页,编辑于2022年,星期三在无限大均匀媒质中没有反射波,即 f2=0。图4.3.2 波的入射、反射与透射下 页上 页返 回说明:f2 在 时间内,以速度 向(-)方向前进了距离,故称之为反射波。第26页,共84页,编辑于2022年,星期三由此推论,时变点电荷的动态标量位为2.动态位的积分的表达式根据叠加定理,连续分布电荷产生的标量位为无反射的特解为静电场中,无反射(无限大均匀媒质)下 页上 页返 回第27
12、页,共84页,编辑于2022年,星期三若激励源是时变电流源时(无反射)电磁波是以有限速度 传播的,光也是一种电磁波。达朗贝尔方程解的形式表明:t 时刻的响应取 决于 时刻的激励源。又称 为滞后位(Retarded Potential)。当场源不随时间变化时,蜕变为恒定场中的位函数。下 页上 页返 回第28页,共84页,编辑于2022年,星期三4.4.1 坡印廷定理(Poynting Theorem)在时变场中,能量密度为体积V内储存的能量为(1)(2)Poynting Theorem and Poynting Vector 4.4 坡印廷定理和坡印廷矢量下 页上 页返 回 电磁能量符合自然界物
13、质运动过程中能量守恒和转化定律坡印廷定理;坡印廷矢量是描述电磁场能量流动的物理量。第29页,共84页,编辑于2022年,星期三代入式(3)得式(2)对 t 求导,则有矢量恒等式(3)下 页上 页返 回第30页,共84页,编辑于2022年,星期三 物理意义:体积V内电源提供的功率,减去电阻消耗的热功率,减去电磁能量的增加率,等于穿出闭合面 S 的电磁功率。坡印廷定理下 页上 页返 回第31页,共84页,编辑于2022年,星期三恒定场中的坡印廷定理 注意:磁铁与静电荷产生的磁场、电场不构成能量的流动。在恒定场中,场量是动态平衡下的恒定量,能量守恒定律为:坡印廷定理下 页上 页返 回第32页,共84
14、页,编辑于2022年,星期三 表示单位时间内流过与电磁波传播方向相垂直单位面积上的电磁能量,亦称为功率流密度,S 的方向代表波传播的方向,也是电磁能量流动的方向。4.4.2 坡印廷矢量(Poynting Vector)W/m2 定义坡印廷矢量下 页上 页返 回4.4.1 电磁波的传播第33页,共84页,编辑于2022年,星期三 例 4.4.1 用坡印廷矢量分析直流电源沿同轴电缆向负载传送能量的过程。设电缆为理想导体,内外半径分别为a 和b。解:理想导体内部电磁场为零。电场强度磁场强度坡印廷矢量下 页上 页返 回图4.4.2 同轴电缆中的电磁能流 第34页,共84页,编辑于2022年,星期三电源
15、提供的能量全部被负载吸收。流入内外导体间的横截面A 的功率为坡印廷矢量下 页上 页返 回电磁能量是通过导体周围的介质传播的,导线只起导向作用。第35页,共84页,编辑于2022年,星期三导体吸收的功率为:例 4.4.2 导线半径为a,长为 l,电导率为 ,试用坡印亭矢量计算导线损耗的能量。电场磁场解:思路:下 页上 页返 回设图4.4.3 计算导线损耗的能量第36页,共84页,编辑于2022年,星期三表明:导体电阻所消耗的能量是由外部传递的。电源提供的能量一部分用于导线损耗另一部分传递给负载下 页上 页返 回图4.4.4 导体有电阻时同轴电缆中的E、H 与S第37页,共84页,编辑于2022年
16、,星期三电路中正弦量有三要素:振幅、频率和相位。正弦电磁场也有三要素:振幅,频率和相位。Sinusoidal Electromagnetic Field4.5.1 正弦电磁场的复数形式(Sinusoidal Electromagnetic Field Complex Form)4.5 正弦电磁场下 页上 页返 回第38页,共84页,编辑于2022年,星期三正弦电磁场基本方程组的复数形式场量与动态位的关系下 页上 页返 回第39页,共84页,编辑于2022年,星期三在正弦电磁场中,坡印亭矢量的瞬时形式为称之为平均功率流密度。S 在一个周期内的平均值为4.5.2 坡印廷定理的复数形式 The Co
17、mplex Poynting Theorem下 页上 页返 回第40页,共84页,编辑于2022年,星期三同理实部为平均功率流密度,虚部为无功功率流密度。定义:坡印廷矢量的复数形式可以证明下 页上 页返 回第41页,共84页,编辑于2022年,星期三对 取散度,展开为下 页上 页返 回 取体积分,利用高斯定理或散度定理,并将代入体积分项,有第42页,共84页,编辑于2022年,星期三若体积 V 内无电源,闭合面 S 内吸收的功率为有功功率 无功功率可用于求解电磁场问题的等效电路参数下 页上 页返 回第43页,共84页,编辑于2022年,星期三 例 4.5.1 当平板电容器两极板间加正弦工频交流
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