电磁场与电磁波资料.pptx

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1、电磁理论的发展历程电磁理论的发展历程18201820年，奥斯特发现电流的磁效应，随后安培得年，奥斯特发现电流的磁效应，随后安培得出安培力定律；出安培力定律；18311831年，法拉第发现电磁感应定律；年，法拉第发现电磁感应定律；18451845年，法拉第引入年，法拉第引入“场场”的概念；的概念；18641864年，麦克斯韦以年，麦克斯韦以“麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组”建立了建立了系统的电磁理论系统的电磁理论18871887年，赫兹用实验证实电磁波的存在及其光的特性年，赫兹用实验证实电磁波的存在及其光的特性18951895年，波波夫和马可尼实现了无线通信。年，波波夫和马可尼实现了无线通信。第1

2、页/共84页电磁场理论知识结构电磁场理论知识结构电磁场理论知识结构电磁场理论知识结构第2页/共84页第第第第 一一一一 章章章章矢量分析矢量分析第3页/共84页基基 本本 要要 求求 深刻理解标量场和矢量场的概念；深刻理解标量场和矢量场的概念；深刻理解散度、旋度和梯度的物理意义并熟深刻理解散度、旋度和梯度的物理意义并熟练计算这三个度；练计算这三个度；熟练使用直角坐标、圆柱坐标和球坐标进行熟练使用直角坐标、圆柱坐标和球坐标进行矢量的微积分运算矢量的微积分运算；了解亥姆霍兹定理的内容了解亥姆霍兹定理的内容重重 点点 要要 求求在直角坐标、圆柱坐标和球坐标中计算矢量场在直角坐标、圆柱坐标和球坐标中计

3、算矢量场的散度和旋度、标量场的梯度以及矢量的线积的散度和旋度、标量场的梯度以及矢量的线积分、面积分和体积分。分、面积分和体积分。第4页/共84页l 又称数学场论又称数学场论;l是研究各种类型场运动规律的数学工具是研究各种类型场运动规律的数学工具;l它的数学公式与场的物理概念紧密相关它的数学公式与场的物理概念紧密相关;l把各种物理的场在数学上抽象成矢量场和把各种物理的场在数学上抽象成矢量场和标量场来研究标量场来研究。矢量运算矢量运算矢矢 量量 分分 析析矢量加法矢量乘法矢量微积分第5页/共84页1.1 1.1 1.1 1.1 矢矢矢矢 量量量量 场场场场 和和和和 标标标标 量量量量 场场场场

4、第6页/共84页场的重要属性场的重要属性：占有一个空间，且在该区域占有一个空间，且在该区域中，除开有限个点和某些表面外，场量是处处连续、中，除开有限个点和某些表面外，场量是处处连续、可微的。可微的。一一.什什 么么 是是 场场 如果在我们讨论的空间中的每一点都对应着某如果在我们讨论的空间中的每一点都对应着某个物理量（场量）的一个确定的值，就说在这个空个物理量（场量）的一个确定的值，就说在这个空间里确定了该物理量的一个间里确定了该物理量的一个场场。在数学上在数学上，任何一个可以表示成空间和时间函，任何一个可以表示成空间和时间函数的量都可以称为数的量都可以称为场场。第7页/共84页二二.场场 的的

5、 分分 类类动态场动态场：场量与时间有关：场量与时间有关 （时变场）（时变场）f(x,y,z,t)A(x,y,z,t)标量场标量场：场量是标量：场量是标量 如：温度场如：温度场T(x,y,z)、密度场、密度场(x,y,z)静态场：场量与时间无关 （恒定场）f(x,y,z)A(x,y,z)矢量场：场量是矢量如：速度场v(x,y,z)、力场F(x,y,z)第8页/共84页2.2.图示法：图示法：u(x,y,z)：等值面、等值线等值面、等值线u(x,y,z)=c1u(x,y,z)=c2u(x,y,z)=c3A(x,y,z)：矢线矢线 切向切向场量的场量的方向，疏密程度方向，疏密程度场量的大小。场量的

6、大小。三三.场场 的的 表表 示示 方方 法法1.1.数学法数学法：f=f(x,y,z)F(x,y,z)=exFx(x,y,z)+eyFy(x,y,z)+ezFz(x,y,z)手写体：手写体：标量场标量场矢量场矢量场第9页/共84页复习：矢量的代数运算复习：矢量的代数运算1.1.矢量加法：矢量加法：定义定义：按平行四边形或三角形法则相加：按平行四边形或三角形法则相加ABA+BAB-BA-BA-B-BBAAA+BB第10页/共84页 运算法则运算法则：a.A+B=B+Ab.A+B+C=(A+B)+C=A+(B+C)c.A B=A+(-B)d.若若 A=ex Ax(x,y,z)+ey Ay(x,y

7、,z)+ez Az(x,y,z)B=ex Bx(x,y,z)+ey By(x,y,z)+ez Bz(x,y,z)则则 AB=ex(AxBy)+ey(AyBy)+ez(AzBz)A=ex(Ax)+ey(Ay)+ez(Az)第11页/共84页2.2.两个矢量的标量积两个矢量的标量积（点积，点乘点积，点乘）：结果是标量结果是标量 定义定义：A B=A B cos 其中其中为为A、B间的夹角间的夹角 运算法则运算法则：a.A B=B A (A+B)C=A C +B C b.A A=A 2直角坐标中，A A=Ax2+Ay2+Az2A A 在在 B B 方向上的投影方向上的投影 AB 第12页/共84页c

8、.正交系中正交系中 ei ej =1 i=j0 i j 直角系中直角系中 A B=AxBx+AyBy+AzBzd.A B=0 A B （可作为两矢量相互垂直的判据可作为两矢量相互垂直的判据）第13页/共84页3.两个矢量的矢量积两个矢量的矢量积（叉积、叉乘叉积、叉乘）：结果是矢量结果是矢量 定义定义：C=A B 模值模值 C=A B=A B sin 方向方向 CA,CB 且 A,B,C成右手螺旋关系成右手螺旋关系ABBsinC=A B 运算法则运算法则：a.AB=-BA A(B+C)=AB+ACb.A A =0 第14页/共84页c.正交系中正交系中 ei ej =1 i j0 i=j直角系中

9、直角系中 AB=ex(AyBz AzBy)+ey(AzBx-AxBz)+ez(AxBy-AyBx)d.A B=0 A B （可作为两矢量相互平行的判据）（可作为两矢量相互平行的判据）第15页/共84页4.4.三个矢量的混合积：三个矢量的混合积：AB C 由行列式交换法则可得由行列式交换法则可得：(AB)C=(BC)A=(CA)B=-(BA)C=-(CB)A=-(AC)B 物理意义：物理意义：以以 A、B、C为邻边的平行六面体的体积为邻边的平行六面体的体积ABC第16页/共84页1.21.21.21.2 正正正正 交交交交 坐坐坐坐 标标标标 系系系系 第17页/共84页正正 交交 坐坐 标标

10、系系 简简 介介常用的正交坐标系有常用的正交坐标系有3 3种：种：直角直角圆柱圆柱球球第18页/共84页 一一.直角坐标系直角坐标系单位矢量单位矢量任意矢量任意矢量A在直角坐标系下的表达式在直角坐标系下的表达式第19页/共84页直角坐标系中直角坐标系中x yz长度元、面积元、体积元长度元、面积元、体积元 odzd ydx体积元体积元面积元面积元长度元矢量长度元矢量第20页/共84页直角坐标系中直角坐标系中A矢量：矢量：B矢量：矢量：（圆柱坐标系及（圆柱坐标系及 球坐标系下相应知识）类似球坐标系下相应知识）类似第21页/共84页二二.圆圆 柱柱 坐坐 标标 系系P(,z)P到到z轴垂直距离轴垂直

11、距离 与与+x轴的夹角轴的夹角z xzyOezeezP1.叉乘关系叉乘关系：(e)(e)(ez)第22页/共84页1 i=j0 i j ei ej =2.2.点乘关系点乘关系：3.3.换算关系换算关系：exyxyOex eye第23页/共84页注意注意：nex、ey、ez是常矢量，模值为是常矢量，模值为1，方向不变。，方向不变。ne、e 模值为模值为1，但方向随，但方向随 变化，是变化，是 的函数，是变矢。的函数，是变矢。exyxyOe第24页/共84页4.4.位置矢量位置矢量r：（从原点指向某点）从原点指向某点）直角直角：r=ex x+ey y+ezz 圆柱圆柱：r=e+ezz5.5.线元矢

12、量线元矢量:（位移矢量）（位移矢量）drr+drrxyOezzrzeeddzdP第25页/共84页6.6.面元矢量面元矢量：方向的定义：方向的定义：开表面开表面与面积外沿的绕向呈右手螺旋关系与面积外沿的绕向呈右手螺旋关系dS 闭合面闭合面外法线方向外法线方向dSdS例如直角系中例如直角系中：dS=ex dSx+eydSy+ezdSz 其中其中 dSx=dydz，dSy=dxdz，dSz=dxdy 分别是分别是dS在在yOz面面，xOz面和面和xOy面上的投影面上的投影第26页/共84页7.7.体积元体积元：直角系中直角系中圆柱系中圆柱系中dV=dx dy dzdV=d d dzxyOezzrz

13、eeddzdP圆柱系中圆柱系中：dS=e dS+edS+ezdSzdS=d dz，dS=ddz，dSz=dd第27页/共84页二球坐标系二球坐标系ezxyereOrPP(r，)r P到球心距离到球心距离1.叉乘关系叉乘关系：(er)(e)(e)0 r与+z轴的夹角j r在xOy面上的投影（）与+x 轴的夹角第28页/共84页1 i=j0 i j ei ej =2.2.点乘关系点乘关系：3.3.换算关系换算关系：zxereOrPye第29页/共84页zxereOrPye第30页/共84页注意注意：er(，）、e(，）、e(）均不均不是常矢是常矢量量zxereOrPye第31页/共84页4.4.位

14、置矢量位置矢量：r=e r r5.5.线元矢量线元矢量:zxyereeOd d rdr第32页/共84页6.6.矢量面元：矢量面元：dS=er dSr+edS+edSdS=rsinddr7.7.体积元体积元：dV=r2 sin drd ddSr=r2sind d dS=rd drzxyereeOd d rdr第33页/共84页直角坐标直角坐标与与圆柱坐标系圆柱坐标系圆柱坐标圆柱坐标与与球坐标系球坐标系直角坐标直角坐标与与球坐标系球坐标系oz单位圆单位圆 柱坐标系与球坐标系之间柱坐标系与球坐标系之间坐标单位矢量的关系坐标单位矢量的关系 ofxy单位圆单位圆 直角坐标系与柱坐标系之间直角坐标系与柱

15、坐标系之间坐标单位矢量的关系坐标单位矢量的关系 f四四.坐标单位矢量之间的关系坐标单位矢量之间的关系第34页/共84页1.3 1.3 1.3 1.3 标量场的梯度标量场的梯度标量场的梯度标量场的梯度 第35页/共84页一一.方向导数方向导数 定义定义：标量场标量场 u(r)在在l l方向上的变化率方向上的变化率在直角坐标系中，在直角坐标系中，dl dx、dy、dz，全微分：全微分：则则 u（r）在在dl方向上的方向导数为方向上的方向导数为 u 沿沿x方向的变化率方向的变化率例如：例如：第36页/共84页在直角坐标系中在直角坐标系中在圆柱坐标系中在圆柱坐标系中在球坐标系中在球坐标系中二标量场的梯

16、度二标量场的梯度第37页/共84页三梯度的性质三梯度的性质1.1.一个标量场的梯度构成一个矢量场。一个标量场的梯度构成一个矢量场。u 矢量矢量2.2.在空间任何一点，梯度的方向总是与过该点的在空间任何一点，梯度的方向总是与过该点的等值面相垂直，即梯度的方向与等值面的法线方等值面相垂直，即梯度的方向与等值面的法线方向是一致的。向是一致的。u0 u0+dudlu第38页/共84页3.3.在空间任何一点，梯度的模都等于标量场在在空间任何一点，梯度的模都等于标量场在 该点的方向导数可能取得的最大值。该点的方向导数可能取得的最大值。证证：其中其中为为 u与与dl之间的夹角之间的夹角最大最大即即当=0时，

17、u0 u0+dudlu第39页/共84页4.4.在空间任何一点，梯度的方向都指向标量场在空间任何一点，梯度的方向都指向标量场 场量增加的方向。场量增加的方向。u0 u0+dudlu第40页/共84页5.5.一个单值标量场梯度的线积分仅与曲线的起止点一个单值标量场梯度的线积分仅与曲线的起止点 有关，而与曲线的形状无关。即一个单值标量场有关，而与曲线的形状无关。即一个单值标量场 的梯度是一个保守的矢量场。的梯度是一个保守的矢量场。证：证：得得若若P1、P2重合，则重合，则P1P2由第41页/共84页6.6.运算法则：运算法则：(uv)=(vu)=vu+uv（f A）=Af +f A（f A）=f

18、A+f A u=0(u+v)=(v+u)=u+v第42页/共84页四四.梯度的物理意义梯度的物理意义 在空间任何一点，标量场梯度的在空间任何一点，标量场梯度的方向方向是该是该点标量场场量增加最快的方向；它的点标量场场量增加最快的方向；它的模模是由该是由该点向各个不同方向移动时场量可能有的最大增点向各个不同方向移动时场量可能有的最大增加率。加率。标量场的梯度是标量场的场量空间变化率。标量场的梯度是标量场的场量空间变化率。u0 u0+dudlu第43页/共84页例已知 R=ex(x-x)+ey(y-y)+ez(z-z)求证：证：第44页/共84页同理可得：第45页/共84页第46页/共84页(3)

19、设有标量场，求证：以设有标量场，求证：以(x,y,z)为动点的梯度为动点的梯度f（R）与以与以（x，y，z）为动点时的梯度为动点时的梯度f（R）之间有如下关系：之间有如下关系：f（R）=-f（R）O rrR(x,y,z)(x，y，z)其中：第47页/共84页O rrR(x,y,z)(x，y，z)同理同理证明：第48页/共84页1.4 1.4 1.4 1.4 矢量场的通量和散度矢量场的通量和散度矢量场的通量和散度矢量场的通量和散度散度定理散度定理第49页/共84页一一.矢量场的矢量线矢量场的矢量线1.1.矢量线的定义矢量线的定义:形象的描述矢量在空间分布的有形象的描述矢量在空间分布的有向曲线向曲

20、线静电场中的电场线磁场中的磁场线例如：例如：2.2.矢量线的特点矢量线的特点:在矢量线上任意一点的切线方向都与该点的场矢在矢量线上任意一点的切线方向都与该点的场矢量方向相同量方向相同第50页/共84页3.3.矢量线的微分方程矢量线的微分方程:（1）定义式）定义式：矢量切线方向上的微分矢量：矢量切线方向上的微分矢量物理意义物理意义：与与 夹角为零。夹角为零。即，二者方向相同即，二者方向相同（2）在直角坐标系下的形式）在直角坐标系下的形式第51页/共84页例例已知：已知：点电荷位于坐标原点，任意场点的点电荷位于坐标原点，任意场点的（x,y,zx,y,z）处的电场强度，）处的电场强度，其中其中 为介

21、电常数，位置矢量：为介电常数，位置矢量：求：求：的矢量线的矢量线解：解：第52页/共84页代入方程组代入方程组 得得即即第53页/共84页解方程组得解方程组得第54页/共84页一一.矢量场的通量矢量场的通量1.1.通量的定义通量的定义:(1)(1)矢量场矢量场A A穿过面元穿过面元dS S的通量：的通量：(2)(2)矢量场矢量场A A穿过开表面穿过开表面S S的通量的通量：(3)(3)矢量场矢量场A A穿过闭合面穿过闭合面S S的通量的通量：第55页/共84页2.2.通量的物理意义通量的物理意义：以流体为例，若以流体为例，若每秒有净流量每秒有净流量流出，包面内流出，包面内有有正源正源每秒有净流

22、量每秒有净流量流入，包面内流入，包面内有有负源负源每秒流入包面和流出包面的净流量相等，包面内无源，或正源与负源相等第56页/共84页二二.矢量场的散度矢量场的散度1.1.散度的定义散度的定义:2.2.散度的数学计算式散度的数学计算式:PAzAxAyzxyPOyxz123第57页/共84页式中式中定义为定义为矢量矢量微分算子，也叫汉密顿算符。微分算子，也叫汉密顿算符。第58页/共84页圆柱系中：圆柱系中：球系中：球系中：第59页/共84页3.3.矢量场散度的性质：矢量场散度的性质：a.一个矢量场的散度在空间构成一个标量场。一个矢量场的散度在空间构成一个标量场。b.矢量场的散度反映了矢量场在空间各

23、点的净通量状态矢量场的散度反映了矢量场在空间各点的净通量状态有散场有散场 有散场有散场 无散场无散场c.散度具有通量体密度的量纲。散度具有通量体密度的量纲。d.第60页/共84页三三.散度定理（高斯定理）散度定理（高斯定理）1.1.定理内容定理内容：设在空间有一闭合曲面设在空间有一闭合曲面S S，它所包围的空，它所包围的空 间体积为间体积为V，如果矢量场，如果矢量场A A在在S S和和V上都是连续可导的，上都是连续可导的，则则 表明了矢量场通过闭合面发出的净通量与矢量表明了矢量场通过闭合面发出的净通量与矢量场在曲面内的通量源之间的关系。场在曲面内的通量源之间的关系。第61页/共84页1.5 1

24、.5 1.5 1.5 矢量场的环量和旋度矢量场的环量和旋度矢量场的环量和旋度矢量场的环量和旋度斯托克斯定理斯托克斯定理第62页/共84页一一.矢量场的环量（环流）矢量场的环量（环流）1.1.矢量场做功：矢量场做功：P1 P22.2.环流的定义：环流的定义：直角系中直角系中圆柱系中圆柱系中球系中球系中第63页/共84页3 3 环量的物理意义：环量的物理意义：表明表明c包围涡旋源包围涡旋源表明表明c不包含涡旋源不包含涡旋源水流沿平行于水管轴线方向流动水流沿平行于水管轴线方向流动=0，无涡旋运动无涡旋运动流体做涡旋运动流体做涡旋运动0，有产生涡旋的源有产生涡旋的源例：例：流速场流速场第64页/共84

25、页二二.矢量场的旋度矢量场的旋度1.1.旋度的定义：旋度的定义：对对M点，仿照散度的定义，取点，仿照散度的定义，取（环流面密度）环流面密度）显然，上面的算式与积分路径的选取有关显然，上面的算式与积分路径的选取有关M Ac1c2c3n3n2n第65页/共84页定义：定义：其中其中n是最大环流密度所在环路的单位法线方向是最大环流密度所在环路的单位法线方向(rotation)第66页/共84页柱坐标：柱坐标：2.2.旋度的数学计算式：旋度的数学计算式：直角坐标：直角坐标：第67页/共84页球坐标：球坐标：第68页/共84页 求求A=exx2+eyy2+ezz2 沿着沿着 xy面上的一个闭合回路面上的

26、一个闭合回路c的线积的线积 分。如图所示，再计算分。如图所示，再计算A。P(2,)2y2=xOyx解：解：回路回路c在在xOy面上面上，dz=0=0例1.61.6第69页/共84页讨论讨论：A=ex x2+ey y2+ez z2=er r2是辐射状的场，是辐射状的场，必定是无旋的。必定是无旋的。A=exx2+eyy2+ezz2P(2,)2y2=xOyx第70页/共84页3.3.旋度的性质：旋度的性质：a.一个矢量场的旋度构成一个新的矢量场。一个矢量场的旋度构成一个新的矢量场。b.分类：有旋场、分类：有旋场、无旋场无旋场c.旋度具有环流面密度的量纲。旋度具有环流面密度的量纲。d.(A+B)=A+

27、B (A)=0说明任一矢量场的旋度一定是无散的。反过来也成立，即说明任一矢量场的旋度一定是无散的。反过来也成立，即若若 B B=0，则一定对应着一个矢量场则一定对应着一个矢量场A A，使，使B B=A A。第71页/共84页三三.斯托克斯斯托克斯（stockes)定理定理第72页/共84页1.6 1.6 1.6 1.6 无旋场和无散场无旋场和无散场无旋场和无散场无旋场和无散场 第73页/共84页1 1、定义、定义：一个矢量场：一个矢量场 ，对任意闭合路径都有，对任意闭合路径都有无旋场对应着一个标量场无旋场对应着一个标量场u则称其为无旋场则称其为无旋场一、无旋场一、无旋场2 2、恒等式、恒等式：

28、梯度的旋度恒为零：梯度的旋度恒为零 第74页/共84页证明证明：第75页/共84页1、定义、定义：一个矢量场一个矢量场F F，对任意闭合面都有，对任意闭合面都有则称其为无散场则称其为无散场无散场对应着一个矢量场无散场对应着一个矢量场A-二、无散场二、无散场2 2、恒等式、恒等式：旋度的散度恒为零：旋度的散度恒为零 第76页/共84页证明证明：=0 第77页/共84页1.81.81.81.8亥姆霍兹定理亥姆霍兹定理亥姆霍兹定理亥姆霍兹定理 第78页/共84页源是场的因，场同源一起出现。源是场的因，场同源一起出现。若若F=0，则则F0散度源（通量源）散度源（通量源）若若F=0，则则F0旋度源（涡旋

29、源）旋度源（涡旋源）例：例：判断矢量场的性质判断矢量场的性质000000一、场与源的关系一、场与源的关系第79页/共84页二、亥姆霍兹定理的基本内容二、亥姆霍兹定理的基本内容 一个矢量场只一个矢量场只可能有两种源可能有两种源旋度源旋度源和和散散度源度源，此外，再无其它类型的源。若在给定边界空间，此外，再无其它类型的源。若在给定边界空间中，一个矢量场的旋度和散度都给定了，则该矢量场中，一个矢量场的旋度和散度都给定了，则该矢量场的解是唯一确定的。的解是唯一确定的。已知已知在电磁场中在电磁场中矢量A的散度源密度矢量A的旋度源密度场域边界条件电流密度电流密度J矢矢量量A唯唯一一地地确确定定电荷密度场域

30、边界条件第80页/共84页假设：假设：F=Fl+Fc (Fl 0 Fc 0)则则三、亥姆霍兹定理的结论三、亥姆霍兹定理的结论亥姆霍兹定理总结了矢量场的基本性质：亥姆霍兹定理总结了矢量场的基本性质：从从微观微观角度分析矢量场：从研究它的角度分析矢量场：从研究它的散度散度和和旋度旋度开始着手；开始着手；从从宏观宏观角度分析矢量场：从研究它的角度分析矢量场：从研究它的通量通量和和环流环流开始着手。开始着手。则则微分形式的基本方程微分形式的基本方程第81页/共84页三、亥姆霍兹定理的结论三、亥姆霍兹定理的结论亥姆霍兹定理总结了矢量场的基本性质：亥姆霍兹定理总结了矢量场的基本性质：从从微观微观角度分析矢量场：从研究它的角度分析矢量场：从研究它的散度散度和和旋旋度开始着手；度开始着手；从从宏观宏观角度分析矢量场：从研究它的角度分析矢量场：从研究它的通量通量和和环流环流开始着手。开始着手。积分形式的基本方程积分形式的基本方程-高斯定理高斯定理-斯托克斯定理斯托克斯定理则则第82页/共84页习题习题：8 8、9 9、1818、2121、2323、2828 第83页/共84页感谢您的观看！第84页/共84页