第14章电磁场与电磁波1优秀PPT.ppt
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1、第14章电磁场与电磁波1现在学习的是第1页,共34页 麦麦麦麦克克克克斯斯斯斯韦韦韦韦系系系系统统统统地地地地总总总总结结结结了了了了从从从从库库库库仑仑仑仑到到到到安安安安培培培培和和和和法法法法拉拉拉拉第第第第等等等等人人人人的的的的电电电电磁磁磁磁学学学学说说说说的的的的全全全全部部部部成成成成就就就就,并并并并在在在在此此此此基基基基础础础础上上上上提提提提出出出出了了了了有有有有旋旋旋旋电电电电场场场场和和和和位位位位移移移移电电电电流流流流的的的的假假假假说,他指出:说,他指出:说,他指出:说,他指出:不不不不但但但但变变变变化化化化的的的的磁磁磁磁场场场场可可可可以以以以产产产产
2、生生生生(有有有有旋旋旋旋)电电电电场场场场,而而而而且且且且变变变变化化化化的的的的电电电电场场场场(位位位位移移移移电电电电流流流流)也可以产生磁场。也可以产生磁场。也可以产生磁场。也可以产生磁场。在在在在相相相相对对对对论论论论出出出出现现现现之之之之前前前前,麦麦麦麦克克克克斯斯斯斯韦韦韦韦就就就就揭揭揭揭示示示示了了了了电电电电场场场场和和和和磁磁磁磁场场场场的的的的内内内内在在在在联联联联系系系系,把把把把电电电电场场场场和和和和磁磁磁磁场场场场统统统统一一一一为为为为电电电电磁磁磁磁场场场场,归归归归纳纳纳纳出出出出了了了了电电电电磁磁磁磁场场场场的的的的基基基基本本本本方方方方
3、程程程程麦麦麦麦克克克克斯斯斯斯韦韦韦韦方方方方程程程程组组组组,建建建建立立立立了了了了完完完完整整整整的的的的电电电电磁磁磁磁场场场场理理理理论论论论体体体体系系系系。1862186218621862年年年年,麦麦麦麦克克克克斯斯斯斯韦韦韦韦从从从从他他他他建建建建立立立立的的的的电电电电磁磁磁磁理理理理论论论论出出出出发发发发,预预预预言言言言了了了了电电电电磁磁磁磁波波波波的的的的存存存存在在在在,并并并并论论论论证证证证了了了了光光光光是是是是一一一一种电磁波种电磁波种电磁波种电磁波。1888188818881888年,赫兹在实验上年,赫兹在实验上年,赫兹在实验上年,赫兹在实验上证实
4、证实证实证实了麦克斯韦的这一预言。了麦克斯韦的这一预言。了麦克斯韦的这一预言。了麦克斯韦的这一预言。即即即即使使使使在在在在相相相相对对对对论论论论和和和和量量量量子子子子力力力力学学学学建建建建立立立立之之之之后后后后,麦麦麦麦克克克克斯斯斯斯韦韦韦韦方方方方程程程程组组组组实实实实质质质质上上上上还还还还是是是是在在在在原来的形式下被使用着,它们正确地描写了所有的电磁现象。原来的形式下被使用着,它们正确地描写了所有的电磁现象。原来的形式下被使用着,它们正确地描写了所有的电磁现象。原来的形式下被使用着,它们正确地描写了所有的电磁现象。概 述现在学习的是第2页,共34页基本要求1.理解麦克斯韦
5、的理解麦克斯韦的两个基本假设两个基本假设和和位移电流位移电流的意义;的意义;2.理解并掌握理解并掌握麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组的积分形式;的积分形式;了解了解麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组的微分形式的微分形式;3.了解电磁场统一理论了解电磁场统一理论.本章习题本章习题本章习题本章习题(共共共共 5 5 题题题题):-14-1,2,4,5,6。现在学习的是第3页,共34页麦克斯韦麦克斯韦(James Clerk Maxwell 18311879)1919世世纪纪伟伟大大的的英英国国物物理理学学家家、数数学学家家。经经典典电电磁磁理理论论的的奠奠基基人人,气气体体动动理理论论创创始人之一。始人之一
6、。u他提出了他提出了有旋电场有旋电场和和位移电流位移电流概念,概念,建立了经典电磁理论,并预言了以建立了经典电磁理论,并预言了以光速传播的电磁波的存在。他的光速传播的电磁波的存在。他的电磁学通论与牛顿时代的自电磁学通论与牛顿时代的自然哲学的数学原理并驾齐驱,它然哲学的数学原理并驾齐驱,它是人类探索电磁规律的一个里程碑。是人类探索电磁规律的一个里程碑。u在气体动理论方面,他还提出气体分子在气体动理论方面,他还提出气体分子按速率分布的统计规律。按速率分布的统计规律。14-1 位移电流位移电流现在学习的是第4页,共34页一、电磁场的基本规律一、电磁场的基本规律一、电磁场的基本规律一、电磁场的基本规律
7、1.静电场静电场由由库库仑仑定定律律和和场场强强叠叠加加原原理理,可可以以导导出出描描述述静静电电场场性性质质的的高高斯斯定定理理和和环路定理环路定理:2.恒定磁场恒定磁场由由毕毕奥奥 萨萨伐伐尔尔定定律律和和磁磁场场的的叠叠加加原原理理,可可以以导导出出描描述述恒恒定定磁磁场场性性质质的的高斯定理高斯定理和和安培环路定理安培环路定理3.变化的磁场变化的磁场麦麦克克斯斯韦韦提提出出,感感生生电电动动势势预预示示着着变变化化的的磁磁场场周周围围产产生生了了有有旋旋电电场场。于于是是,法法拉拉第第电电磁磁感感应应定定律律预预示示着着在在普普遍遍情情况况下下电电场场的的环环路路定定理理应是应是4.普
8、遍情况普遍情况从当时的实验资料和理论分析,从当时的实验资料和理论分析,没有发现电场的高斯定理和磁场没有发现电场的高斯定理和磁场的高斯定理有什么不合理处,麦的高斯定理有什么不合理处,麦克斯韦假定它们在普遍情况下应克斯韦假定它们在普遍情况下应该成立。然而,麦克斯韦在分析该成立。然而,麦克斯韦在分析安培环路定理时发现,将它应用安培环路定理时发现,将它应用到到非恒定情况非恒定情况时遇到了时遇到了困难困难。现在学习的是第5页,共34页二、位移电流二、位移电流二、位移电流二、位移电流1、问题的提出、问题的提出在稳恒电流的磁场中,安培环路定理为在稳恒电流的磁场中,安培环路定理为对于非稳恒电路,传导对于非稳恒
9、电路,传导电流不连续,安培环路电流不连续,安培环路定理不成立。定理不成立。对于曲面对于曲面S1,对于曲面对于曲面S2,I0RLS1S2在电容器充放电电路中,若围绕导线取一闭在电容器充放电电路中,若围绕导线取一闭合回路合回路L,安培环路定理为,安培环路定理为2、解决问题的方法:、解决问题的方法:u方法方法1:在实验基础上,提出新概念,建立与实验事实相符合的新理论;:在实验基础上,提出新概念,建立与实验事实相符合的新理论;u方法方法2:在原有定律的基础上,根据新观察到的实验现象,提出合:在原有定律的基础上,根据新观察到的实验现象,提出合理的假设,对原有的定律作必要的修正,使矛盾得到解决理的假设,对
10、原有的定律作必要的修正,使矛盾得到解决.现在学习的是第6页,共34页因因此此,在在非非恒恒定定的的情情况况下下,尽尽管管电电流流密密度度j0可可以以是是不不连连续续的的,但但 这这个个量量却却总总是是连连续续的的。换换言言之之,这这个个量量的的地地位与电流密度位与电流密度j0相当。相当。3、电流密度、电流密度j0的不连续与电场的变化的不连续与电场的变化 电电流流密密度度j0的的不不连连续续,是是上上述述问问题题出出现现的的症症结结所所在在。仔仔细细分分析析发发现现,传传导导电电流流在在电电容容器器极极板板上上终终止止的的同同时时,将将在在极极板板表表面面引引起起自自由由电电荷荷积积累累q0的的
11、增增加加或或减减少少,从从而而引引起起两两极极板板间间的的电电场场随随之之变变化化。一一方方面面,根根据据电电流流的的连连续续性原理,有性原理,有其其中中S是是由由S1和和S2构构成成的的闭闭合合曲曲面面,q0是在其内的自由电荷。是在其内的自由电荷。另一方面,按高斯定理,有另一方面,按高斯定理,有 或或现在学习的是第7页,共34页4、位移电流和全电流、位移电流和全电流DI0又又令令 q0BA以平板电容器充电为例,极板面以平板电容器充电为例,极板面积为积为S:则则 在数值上等于板在数值上等于板内的传导电流;内的传导电流;在数值上等于板在数值上等于板内的传导电流密度。内的传导电流密度。现在学习的是
12、第8页,共34页Maxwell Maxwell 关于关于位移电流位移电流和和位移电流密度位移电流密度的定义:的定义:通过电场中某一截面通过电场中某一截面位移电流位移电流Id,等于通过该截面电位移通量,等于通过该截面电位移通量 对时间的变化率,而电场中某一点对时间的变化率,而电场中某一点位移电流密度位移电流密度jd,等于该点的电,等于该点的电位移矢量位移矢量D对时间的变化率,即对时间的变化率,即 位移电流位移电流在其周围空间要产生磁场,但位移电流不产生热效应在其周围空间要产生磁场,但位移电流不产生热效应与化学效应。与化学效应。位移电流位移电流的实质是变化的电场。的实质是变化的电场。且将电路中传导
13、电流且将电路中传导电流I0与位移电流与位移电流Id,合在一起,称为,合在一起,称为全电流全电流,即,即全电流在任何情况下都是连续的。全电流在任何情况下都是连续的。且且现在学习的是第9页,共34页此即此即普遍的安培环路定理的积分形式普遍的安培环路定理的积分形式,磁场强,磁场强度度H沿任意闭合回路的环流,等于通过此闭合回所沿任意闭合回路的环流,等于通过此闭合回所围面积的全电流。其微分形式为围面积的全电流。其微分形式为 麦克斯韦用全电流来替换有磁介质存在时安培环路定理中的传导麦克斯韦用全电流来替换有磁介质存在时安培环路定理中的传导电流,得到电流,得到或或三、安培环路定理的普遍形式三、安培环路定理的普
14、遍形式三、安培环路定理的普遍形式三、安培环路定理的普遍形式传导电流传导电流传导电流传导电流位移电流位移电流位移电流位移电流电荷的定向移动电荷的定向移动电场的变化电场的变化通过电流产生焦耳热通过电流产生焦耳热真空中无热效应真空中无热效应传导电流和位移电流在激发磁场上是等效传导电流和位移电流在激发磁场上是等效现在学习的是第10页,共34页【例例1】平平行行板板电电容容器器由由半半径径为为5.0 cm的的两两块块圆圆导导体体片片构构成成,极极板板间间电电场场强强度度的的时时间间变变化化率率为为 dE/dt=2.0 1013V/(m s).设设充充电电后后电电荷荷在在极极板板上上均均匀匀分分布布,试试
15、求求:(1)两两极极板板间间的的位位移移电电流流Id;(2)两两极极板板间间磁磁感感应应强强度度的的分分布布和和极极板边缘处的磁感应强度。板边缘处的磁感应强度。解:解:(1)rPLRS(2)磁磁场场对对极极板板中中心心轴轴线线具具有有对对称称性性,在在垂垂直直于于该该轴轴的的平平面面上上,取取以以轴轴点点为为圆圆心心半半径径r的的圆圆作作积积分分环环路路,且与位移电流成右手螺旋,则且与位移电流成右手螺旋,则当当r=R时时,可见,虽然电场强度的时间变化可见,虽然电场强度的时间变化率已经很大,但它所激发的磁场率已经很大,但它所激发的磁场仍然是很弱的,在实验中不易测仍然是很弱的,在实验中不易测量到。
16、量到。现在学习的是第11页,共34页可见,只要交流电的频率可见,只要交流电的频率 ,则比值,则比值 .因此,实际上当电场变化的频率不是非常高时,在导体内位移电因此,实际上当电场变化的频率不是非常高时,在导体内位移电流与传导电流相比是微不足道的。流与传导电流相比是微不足道的。【例【例2 2】试求导体中位移电流与传导电流的比值。】试求导体中位移电流与传导电流的比值。解解:假定简谐交流电假定简谐交流电 通过横截面积为通过横截面积为S 的导体的导体,且电流且电流沿横截面均匀分布,则根据欧姆定律的微分形式沿横截面均匀分布,则根据欧姆定律的微分形式 则导体中位移电流的瞬时值为则导体中位移电流的瞬时值为 可
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