第一章 麦克斯韦方程优秀PPT.ppt
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1、第一章麦克斯韦方程现在学习的是第1页,共48页2022/12/22图1-1 1-1 电荷三种密度的示意图 2.2.电流电流电荷的流动电荷的流动(或场的变化或场的变化)电流定义:电荷的宏观定向运动电流定义:电荷的宏观定向运动电流方向:正电荷宏观运动方向电流方向:正电荷宏观运动方向 静电的产生与电荷的关系?飞机特制接地轮胎,油罐车接地铁链静电的产生与电荷的关系?飞机特制接地轮胎,油罐车接地铁链(1-1-5)现在学习的是第2页,共48页2022/12/23现在学习的是第3页,共48页2022/12/24电流的分类:电流的分类:传导电流:在电导率为传导电流:在电导率为 的导电媒质中,如果存在电场的导电
2、媒质中,如果存在电场作用,自由电子将作用,自由电子将发生定向运动形成电流,这种电流称为传导电流。发生定向运动形成电流,这种电流称为传导电流。(1-1-11)电导率电导率 的单位是电阻率单位的单位是电阻率单位(m)m)的倒数,叫做每米西门子,通的倒数,叫做每米西门子,通常用符号记做常用符号记做(S/m)(S/m)。运流电流:气态媒质、真空器件中的电流,不遵从欧姆定律和焦耳定律。运流电流:气态媒质、真空器件中的电流,不遵从欧姆定律和焦耳定律。在气体或真空中,在电场的作用下自由电荷将发生定向运动形成电在气体或真空中,在电场的作用下自由电荷将发生定向运动形成电流,这种电流称为运流电流。流,这种电流称为
3、运流电流。它由自由电荷密度它由自由电荷密度 和电荷的平均运动速度和电荷的平均运动速度 来确定来确定。(。(真空电子管真空电子管中由阴极发射到阳极的电子流中由阴极发射到阳极的电子流 )(1-1-12)(1-1-11)电导率电导率 的单位是电阻率单位的单位是电阻率单位(m)m)的倒数,叫做每米的倒数,叫做每米西门子西门子,通常用符号记做通常用符号记做(S/m)(S/m)。运流电流:气态媒质、真空器件中的电流,不遵从欧姆定律和焦耳运流电流:气态媒质、真空器件中的电流,不遵从欧姆定律和焦耳定律。定律。在气体或真空中,在电场的作用下自由电荷将发生定向运动形在气体或真空中,在电场的作用下自由电荷将发生定向
4、运动形成电流,这种电流称为运流电流。成电流,这种电流称为运流电流。它由自由电荷密度它由自由电荷密度 和电荷的平均运和电荷的平均运动速度动速度 来确定来确定。(。(真空电子管真空电子管中由阴极发射到阳极的电子流中由阴极发射到阳极的电子流 )(1-1-11)(1-1-11)现在学习的是第4页,共48页2022/12/251867年德国的韦纳西门子发现用电磁铁代替永久磁铁,同样可以发电。西门子兄弟四人都是出色的发明家。韦纳在柏林被称为“柏林的西门子”,而威廉在英国被称为“伦敦的西门子”,弗里德里希是“德累斯顿的西门子”,而小弟卡则是“俄罗斯的西门子”。现在学习的是第5页,共48页2022/12/26
5、第一台电子管计算机(ENIAC)占地170平方米,重30吨,有1.8万个电子管,用十进制计算,每秒运算5000次第一台电子管计算机(ENIAC)占地170平方米,重30吨,有1.8万个电子管,用十进制计算,每秒运算5000次 现在学习的是第6页,共48页2022/12/27 真空管具有抗辐射能力强、抗宇宙射线、线性放大区域宽等特点,在航空航天领域、高保真音响等方面还有应用。现在学习的是第7页,共48页2022/12/28电流密度矢量电流密度矢量:趋肤效应趋肤效应体电流密度矢量体电流密度矢量 :表面电流密度矢量表面电流密度矢量 :位移电流:是为说明变化的电场能产生磁场而引入的。位移电流:是为说明
6、变化的电场能产生磁场而引入的。电容的隔直流通交流特性电容的隔直流通交流特性 (1-1-6)(1-1-7)(1-1-8)两种电流密度两种电流密度的关系:的关系:(1-1-10)现在学习的是第8页,共48页2022/12/29特别注意:特别注意:体电流密度是垂直通过单位横截面的电流,因此它的单位是每体电流密度是垂直通过单位横截面的电流,因此它的单位是每平方米安培平方米安培(A/m(A/m2 2),而不是每立方米安培,而不是每立方米安培(A/m(A/m3 3);在一个厚度可以忽略在一个厚度可以忽略的薄层内所形成的电流称为表面电流的薄层内所形成的电流称为表面电流,表面电流密度矢量单位是每米表面电流密度
7、矢量单位是每米安培安培(A/m)(A/m),而不是每平方米安培,而不是每平方米安培(A/m(A/m2 2)。图1-2(体)电流密度矢量模型 图1-3 表面电流模型 现在学习的是第9页,共48页2022/12/210位移电流与传导电流两者相比,唯一共同点仅在于都可以在空间激发磁场,但二者本质是不同的:(1)位移电流的本质是变化着的电场,而传导电流则是自由电荷的定向运动;(2)传导电流在通过导体时会产生焦耳热,而位移电流则不会产生焦耳热;(3)位移电流也即变化着的电场可以存在于真空、导体、电介质中,而传导电流只能存在于导体中。现在学习的是第10页,共48页2022/12/2113.3.电流连续方程
8、电流连续方程反映电荷与电流的关系(重要)反映电荷与电流的关系(重要)根据电荷守恒定律,有根据电荷守恒定律,有 这是电流连续性方程的积分形式这是电流连续性方程的积分形式(1-1-15)二、场和场量二、场和场量 如果某个物理量是空间位置的函数,这个空间就确定了该物理量的如果某个物理量是空间位置的函数,这个空间就确定了该物理量的一个场;如果空间位置的函数是矢量,相应的场就是矢量场;如果空间一个场;如果空间位置的函数是矢量,相应的场就是矢量场;如果空间位置的函数是标量,相应的场就是标量场。例如电场是矢量场,电位是位置的函数是标量,相应的场就是标量场。例如电场是矢量场,电位是标量场。标量场。现在学习的是
9、第11页,共48页2022/12/2121.电场强度矢量库仑定律:库仑定律:由此可得静电场电场强度矢量(单位正电荷受的电场力)由此可得静电场电场强度矢量(单位正电荷受的电场力)(1-1-16)真空的介电常数2.2.电位移矢量电位移矢量电电偶极子:由两个相距很近的等偶极子:由两个相距很近的等值值异号点异号点电电荷荷组组成。由成。由电电偶极偶极矩表示其方向与大小,定矩表示其方向与大小,定义为义为(的方向的方向为为 指向指向 ):):(c.m)现在学习的是第12页,共48页2022/12/213E在电介质中的变化介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场,原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为介
10、电常数,又称诱电率.如果有高介电常数的材料放在电场中,场的强度会在电介质内有可观的下降。现在学习的是第13页,共48页2022/12/214极性分子:整体是中性,但分子正、负电荷中心不重合,即使无外加电场,极性分子:整体是中性,但分子正、负电荷中心不重合,即使无外加电场,就具有偶极矩,称为固有电偶极矩。就具有偶极矩,称为固有电偶极矩。非极性分子:正、负电荷中心重合,无外加电场时,偶极矩为零;当有外加非极性分子:正、负电荷中心重合,无外加电场时,偶极矩为零;当有外加电场时,正、负电荷中心被拉开,获得偶极矩,称为感应电偶电场时,正、负电荷中心被拉开,获得偶极矩,称为感应电偶极矩。极矩。介介质质的极
11、化:介的极化:介质质在外加在外加电场电场的作用下,出的作用下,出现现了了电电偶极矩。偶极矩。为为了描了描述介述介质质的极化状的极化状态态,引入引入电电极化极化强强度矢量度矢量 。(1-1-19)(1-1-19)电介质中的分子可分为极性分子与非极性分子。电介质中的分子可分为极性分子与非极性分子。电介质:即绝缘体。电介质:即绝缘体。现在学习的是第14页,共48页2022/12/215在各向同性电介质中,电极化强度矢量与电场强度矢量成正比在各向同性电介质中,电极化强度矢量与电场强度矢量成正比 (1-1-20)图图1-4 1-4 均匀电场中的介质板均匀电场中的介质板 称为称为电介质的相对介电常数。电介
12、质的相对介电常数。束束缚电缚电荷:在均匀外加荷:在均匀外加电场电场中,介中,介质质内部内部相相邻邻偶极矩的正偶极矩的正负电负电荷互相抵消,荷互相抵消,结结果在果在介介质质表面表面产产生正生正电电荷荷层层或或负电负电荷荷层层,出,出现现在表面的在表面的电电荷称荷称为为束束缚电缚电荷或极化荷或极化电电荷。荷。如如图图1-41-4所示。所示。介质受电场的作用产生束缚电荷,束缚电荷反过来也要影响电场的分布。总介质受电场的作用产生束缚电荷,束缚电荷反过来也要影响电场的分布。总电场为自由电荷与束缚电荷产生电场的之和。电场为自由电荷与束缚电荷产生电场的之和。为讨论介质中电场和介质为讨论介质中电场和介质中高斯
13、定理,引进电位移矢量。中高斯定理,引进电位移矢量。(1-1-21)现在学习的是第15页,共48页2022/12/216 介电常数决定了电信号在该介质中传播的速度。电信号传播的速度与介电常数平方根成反比。介电常数越低,信号传送速度越快。我们作个形象的比喻,就好想你在海滩上跑步,水深淹没了你的脚踝,水的粘度就是介电常数,水越粘,代表介电常数越高,你跑的也越慢。PCB板(FR-4)4.5 相对介电常数r可以用静电场用如下方式测量:首先在其两块极板之间为空气的时候测试电容器的电容C0。然后,用同样的电容极板间距离但在极板间加入电介质后侧得电容Cx。然后相对介电常数可以用下式计算 r=Cx/C0 现在学
14、习的是第16页,共48页2022/12/217固有磁矩:分子中电子绕原子核旋转和电子自旋会产生电子磁矩,分子中所固有磁矩:分子中电子绕原子核旋转和电子自旋会产生电子磁矩,分子中所有电子磁矩的总和为固有磁矩。有电子磁矩的总和为固有磁矩。磁偶极矩:磁偶极矩:,为电流环的面积矢量,为电流环的面积矢量,I I 为电流环上电流。为电流环上电流。3.3.磁感应强度矢量磁感应强度矢量B B(高斯计)(高斯计)计算公式:毕奥萨伐尔定律计算公式:毕奥萨伐尔定律单位:单位:1 1特斯拉(特斯拉(T T)1 1韦伯韦伯/米米2 2(Wb/m(Wb/m2 2)10104 4高斯高斯 4.4.磁场强度矢量磁场强度矢量磁
15、介质:讨论媒质与磁场相互作用时,称媒质为磁介质。磁介质:讨论媒质与磁场相互作用时,称媒质为磁介质。磁偶极子:任意形状的小电流环。磁偶极子:任意形状的小电流环。洛伦磁力:洛伦磁力:(1-1-22)现在学习的是第17页,共48页2022/12/218咖啡炉1mG电饭锅40mG传真机2mG复印机40mG电熨斗3mG吹风机70mG录像机6mG手机100mGVCD10mG电脑100mG音响20mG电须刀100mG电冰箱20mG电热毯100mG空调20mG吸尘器200mG电视机20mG无绳电话200mG洗衣机30mG微波炉200mG现在学习的是第18页,共48页2022/12/219磁磁 化:化:外磁场使
16、分子内电子运动状态发生变化导致分子磁矩发生变化的现象。磁化强度:磁化强度:无外加磁场时,磁介质在总体上不产生磁场,但被磁化以后,各个分子的磁矩 的矢量和不再是零。单位体积内分子磁矩的矢量 和称为磁介质的磁化强度。(1-1-23)在各向同性磁介质中,磁化强度与磁感应强度成正比:在各向同性磁介质中,磁化强度与磁感应强度成正比:为了分析问题方便,引入磁场强度:为了分析问题方便,引入磁场强度:真空的磁导率真空的磁导率其中其中 是相对磁导率是相对磁导率 所以所以(1-1-25)(1-1-28)现在学习的是第19页,共48页2022/12/220磁环磁环现在学习的是第20页,共48页2022/12/221
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