2021-2022学年高二物理竞赛课件：位移电流电磁场理论.pptx

《2021-2022学年高二物理竞赛课件：位移电流电磁场理论.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2021-2022学年高二物理竞赛课件：位移电流电磁场理论.pptx（14页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出位移电流电磁场理论位移电流电磁场理论上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出 位移电流位移电流 电磁场理论电磁场理论一、一、位移电流位移电流1.1.问题的提出问题的提出对稳恒电流对稳恒电流对对S S1 1面面对对S S2 2面面矛矛盾盾稳恒磁场的安培环路定理已稳恒磁场的安培环路定理已不适用于非稳恒电流的电路不适用于非稳恒电流的电路充电放电对于如图所示的电容器对于如图所示的电容器充、放电过程充、放电过程上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出麦克斯韦

2、（麦克斯韦（J.C.Maxwell)简介简介 (1831-1879)一、生平一、生平 在法拉第发现电磁感应定律那一年，即在法拉第发现电磁感应定律那一年，即1831年，年，麦克斯韦在英国的爱丁堡出生了。他从小聪明好问。父麦克斯韦在英国的爱丁堡出生了。他从小聪明好问。父亲是个机械设计师，很赏识自己儿子的才华，常带他去亲是个机械设计师，很赏识自己儿子的才华，常带他去听爱丁堡皇家学会的科学讲座。十岁时送他到爱丁堡中听爱丁堡皇家学会的科学讲座。十岁时送他到爱丁堡中学。在中学阶段，他就显示出了在数学和物理方面的才学。在中学阶段，他就显示出了在数学和物理方面的才能，十五岁那年就写了一篇关于卵形线作图法的论文

3、，能，十五岁那年就写了一篇关于卵形线作图法的论文，被刊登在被刊登在爱丁堡皇家学会学报爱丁堡皇家学会学报上。上。1847年，十六岁年，十六岁的麦克斯韦考入爱丁堡大学。的麦克斯韦考入爱丁堡大学。1850年又转入剑桥大学。年又转入剑桥大学。他学习勤奋，成绩优异，经著名数他学习勤奋，成绩优异，经著名数上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出学家霍普金斯和斯托克斯的指点，很快就掌握了当时学家霍普金斯和斯托克斯的指点，很快就掌握了当时先进的数学理论。这为他以后的发展打下了良好的基先进的数学理论。这为他以后的发展打下了良好的基础。础。1854年在剑桥大学毕业后，曾先后任亚

4、伯丁马里年在剑桥大学毕业后，曾先后任亚伯丁马里夏尔学院、伦敦皇家学院和剑桥大学物理学教授。他夏尔学院、伦敦皇家学院和剑桥大学物理学教授。他的口才不行，讲课效果较差。的口才不行，讲课效果较差。二、主要贡献二、主要贡献 麦克斯韦在电磁学方面的贡献是总结了库仑、高麦克斯韦在电磁学方面的贡献是总结了库仑、高斯、安培、法拉第、诺埃曼、汤姆逊等人的研究成果斯、安培、法拉第、诺埃曼、汤姆逊等人的研究成果特别是把法拉第的力线和场的概念用数学方法加以描特别是把法拉第的力线和场的概念用数学方法加以描述、论证、推广和提升，创立了一套完整的电磁场理述、论证、推广和提升，创立了一套完整的电磁场理论。论。麦克斯韦除了在电

5、磁学方面的贡献外，还是分子麦克斯韦除了在电磁学方面的贡献外，还是分子运动论的奠基人之一。运动论的奠基人之一。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出位移电流的提出位移电流的提出产生上述矛盾的原因在于非稳定情况下电流不再连续产生上述矛盾的原因在于非稳定情况下电流不再连续。电流在极板处出现中断，但极板上的电荷电流在极板处出现中断，但极板上的电荷q、电荷面密、电荷面密度度、其间的电位移、其间的电位移D、通过整个截面的电位移通量、通过整个截面的电位移通量D=SD都随时间变化。都随时间变化。设平行板电容器极板面积为设平行板电容器极板面积为S，极板上电荷面，极板上电荷面

6、密度密度 。充、放电过程的任一瞬间。充、放电过程的任一瞬间上式表明，导线中的电流等于极板上的上式表明，导线中的电流等于极板上的 ，又等，又等于极板间的于极板间的 上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出在方向上当电容器充电时，电容器两极板间的电场增强，在方向上当电容器充电时，电容器两极板间的电场增强，所以所以 的方向与的方向与 的方向相同，也与导线中传导电流的方向相同，也与导线中传导电流的方向相同；的方向相同；当电容器放电时，电容器两极板间的电当电容器放电时，电容器两极板间的电场减弱，场减弱，所以所以 与与 的方向相反，但仍和导线中传导的方向相反，但仍和导线

7、中传导电流的方向一致。（见上图）电流的方向一致。（见上图）充电放电上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出麦克斯韦认为，可以把电位移通量对时间的变化率看麦克斯韦认为，可以把电位移通量对时间的变化率看作一种电流，称为作一种电流，称为位移电流位移电流。电场中某一点位移电流密度矢量电场中某一点位移电流密度矢量 等于该点电位移等于该点电位移矢量对时间的变化率；通过电场中某一截面的位移矢量对时间的变化率；通过电场中某一截面的位移电流电流 等于通过该截面电位移通量等于通过该截面电位移通量 对时间的变化对时间的变化率，即率，即位移电流密度位移电流密度为为上页上页 下页下页

8、 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出 令传导电流和位移电流相加的合电流令传导电流和位移电流相加的合电流It=I+Id。在在有电容器的电路中，电容器极板表面被中断的传导有电容器的电路中，电容器极板表面被中断的传导电流电流I I，可以由位移电流，可以由位移电流I Id d继续下去，从而构成了电继续下去，从而构成了电流的连续性。流的连续性。非稳定电流的安培环路定理非稳定电流的安培环路定理 在磁场中在磁场中H沿任一闭合回路的线积分，在数值上沿任一闭合回路的线积分，在数值上等于穿过以该闭合回路为边线的任意曲面的全电流。等于穿过以该闭合回路为边线的任意曲面的全电流。即即将上式用于前面

9、的电路取将上式用于前面的电路取S2面的情况，则面的情况，则 上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出解决了前面的矛盾之处。解决了前面的矛盾之处。由此可见，由此可见，位移电流的引入位移电流的引入，揭示了电场和磁场内，揭示了电场和磁场内在的联系和依存关系，反映了自然现象的对称性。在的联系和依存关系，反映了自然现象的对称性。电磁感应定率说明变化的磁场产生涡旋电场电磁感应定率说明变化的磁场产生涡旋电场，位移位移电流的论点说明变化的电场产生涡旋磁场电流的论点说明变化的电场产生涡旋磁场，这两种，这两种变化的场永远互相联系着，形成统一的电磁场。变化的场永远互相联系着，形成

10、统一的电磁场。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出 麦克斯韦提出的位移电流概念已经为无线电波的麦克斯韦提出的位移电流概念已经为无线电波的发现及其广泛的实际应用所证实。发现及其广泛的实际应用所证实。通常导体中的电流主要是传导电流，位移电流可通常导体中的电流主要是传导电流，位移电流可以不计，电介质中的电流主要是位移电流，传导电流以不计，电介质中的电流主要是位移电流，传导电流可以不计。可以不计。位移电流与传导电流的关系位移电流与传导电流的关系(1)(1)位移电流与传导电流在位移电流与传导电流在产生磁效应上是等效的产生磁效应上是等效的。(2)(2)产生的原因不同

11、产生的原因不同：传导电流是由自由电荷运动传导电流是由自由电荷运动 引起的，而位移电流本质上是变化的电场。引起的，而位移电流本质上是变化的电场。(3)(3)通过导体时的效果不同通过导体时的效果不同：传导电流通过导体时产传导电流通过导体时产生焦耳热，而位移电流不产生焦耳热。生焦耳热，而位移电流不产生焦耳热。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出 全电全电流流 传导电流传导电流 位移电流位移电流 在磁场中沿任意闭合回路在磁场中沿任意闭合回路 的线积分在数值上等的线积分在数值上等于穿过以该闭合回路为边线的任意曲面的传导电流和于穿过以该闭合回路为边线的任意曲面的传导

12、电流和位移电流的代数和，这称为位移电流的代数和，这称为全电流安培定律全电流安培定律，简称，简称全全电流定律电流定律。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出1.1.麦克斯韦方程组的积分形式麦克斯韦方程组的积分形式二、二、麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组(1)(1)电场的性质电场的性质(2)(2)磁场的性质磁场的性质(3)(3)变化电场和磁场的联系变化电场和磁场的联系(4)(4)变化磁场和电场的联系变化磁场和电场的联系上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上述麦克斯韦方程组描述的是在某区域内以积分形上述麦克斯韦方程组描述的是在

13、某区域内以积分形式联系各点的电磁场量（式联系各点的电磁场量（D、E、B、H）和电流、电）和电流、电荷之间的依存关系。而不能给出某一点上这些量之荷之间的依存关系。而不能给出某一点上这些量之间的关系。通过数学变换可以得到麦克斯韦方程组间的关系。通过数学变换可以得到麦克斯韦方程组得微分形式，它给出了电磁场中逐点的上述量之间得微分形式，它给出了电磁场中逐点的上述量之间的相互依存关系。的相互依存关系。电磁场量和表征介质电磁特性的量之间的关电磁场量和表征介质电磁特性的量之间的关系系上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出电场和磁场的本质及内在联系电场和磁场的本质及内在联系电荷电荷电流电流磁场磁场电场电场运动运动变化变化变化变化激激发发激激发发麦克斯韦电磁场理论的局限性麦克斯韦电磁场理论的局限性（2 2）麦克斯韦电磁理论在）麦克斯韦电磁理论在微观区域微观区域里不完全适里不完全适用，它可以看作是量子电动力学在某些特殊条件用，它可以看作是量子电动力学在某些特殊条件下的近似规律。下的近似规律。（1 1）麦克斯韦方程可用于高速领域。）麦克斯韦方程可用于高速领域。