麦克斯韦电磁场理论电磁波解析.pptx

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1、会计学1麦克斯韦电磁场理论电磁波解析麦克斯韦电磁场理论电磁波解析 1865 年麦克斯韦在总结前人工作的基础年麦克斯韦在总结前人工作的基础 上，提出完整的电磁场理论，他的主要贡献是上，提出完整的电磁场理论，他的主要贡献是提出了提出了“有旋电场有旋电场”和和“位移电流位移电流”两个假设，两个假设，从而预言了电磁波的存在，并计算出电磁波的从而预言了电磁波的存在，并计算出电磁波的速度（即速度（即光速光速）.1888 年赫兹的实验证实了他的预言年赫兹的实验证实了他的预言,麦克麦克斯韦理论奠定了经典动力学的基础，为无线电斯韦理论奠定了经典动力学的基础，为无线电技术和现代电子通讯技术发展开辟了广阔前景技术和

2、现代电子通讯技术发展开辟了广阔前景.(真空中 )第1页/共27页引言：引言：静电场静电场稳恒磁场稳恒磁场电电电电磁磁电电变化磁场变化磁场感应电场感应电场变化电场变化电场？麦克斯韦又敏锐提出了：麦克斯韦又敏锐提出了：变化电场变化电场涡旋磁场涡旋磁场产生产生如何提出？如何提出？感应磁场感应磁场第2页/共27页1.引入引入S1S2RIC在电容器的充放电过程中：在电容器的充放电过程中：以左极板边缘取为积分回路以左极板边缘取为积分回路L，并以并以L为边界作曲面为边界作曲面S1、S2。(见见130页页)对对S1面：面：对对S2面：面：相相矛盾矛盾！安培环路定理有问题？安培环路定理有问题？否！否！安培环路定

3、理对非稳恒情况不适用。安培环路定理对非稳恒情况不适用。IS1极板极板q(t)极板间极板间D(t)S2麦克斯韦分析矛盾后，指出：麦克斯韦分析矛盾后，指出：大胆地从理论上提出：大胆地从理论上提出：位移电流的概念位移电流的概念.一、一、位移电流位移电流第3页/共27页IS1S2以左极板为例，如图取高斯面：以左极板为例，如图取高斯面：穿过穿过S1的电流：的电流：位移电流位移电流 变化电场变化电场若若S2面不随时间面不随时间t变化：变化：有电流有电流的量纲的量纲RIC2.定义：定义：位移电流位移电流密度：位移电流密度：第4页/共27页电容充电：电容充电：电容放电：电容放电：结论结论：在电容器中，不计边缘

4、效应：在电容器中，不计边缘效应 Id总总=I，极板中断，极板中断的电流由的电流由Id接替，保持电流的连续性。接替，保持电流的连续性。位移电流：位移电流：RIC 麦克斯韦假设 电场中某一点位移电流密度等于该点电位移矢量对时间的变化率.第5页/共27页 在非稳恒情况，往往是传导电流与位移电流同时在非稳恒情况，往往是传导电流与位移电流同时存在，两者之和的电流总是闭合的。存在，两者之和的电流总是闭合的。S1S2RIC对对S1面：面：对对S2面：面：而：而：I=Id3、位移电流（、位移电流（变化电场变化电场）产生的磁场。）产生的磁场。Id在激发磁场方面完全等效于在激发磁场方面完全等效于IcId所激发的磁

5、场所激发的磁场H(B)与其成右手螺旋关系：与其成右手螺旋关系：第6页/共27页4、传导电流与位移电流的比较、传导电流与位移电流的比较位移电流位移电流Id的实质是变化电场！的实质是变化电场！2.Ic产生焦耳热而产生焦耳热而Id不产生焦耳热！不产生焦耳热！Ic 和和Id以共同的形式激发磁场。以共同的形式激发磁场。1.传导电流传导电流Ic和电荷的宏观定向运动有关和电荷的宏观定向运动有关,而而共同点不同点3.Ic只存在于导体中，而只存在于导体中，而Id可存在于导体、介质可存在于导体、介质 和真空中。和真空中。第7页/共27页二二.全电流安培环路定理：全电流安培环路定理：即：磁场强度即：磁场强度H沿任意

6、闭合环路的积分等于穿过此环路的传沿任意闭合环路的积分等于穿过此环路的传 导电流与位移电流的代数和。导电流与位移电流的代数和。第8页/共27页三、麦克斯韦方程组的积分形式三、麦克斯韦方程组的积分形式变化磁场变化磁场产生电场产生电场变化电场变化电场产生磁场产生磁场稳恒稳恒情况情况的电的电磁场磁场规律规律将高斯定理也推广到一般：将高斯定理也推广到一般：电场：电场：自由电荷的电场自由电荷的电场变化磁场的电场变化磁场的电场任意电场任意电场磁场磁场传导电流传导电流 I 的磁场的磁场位移电流位移电流 Id的磁场的磁场任意电流任意电流麦麦克克斯斯韦韦方方程程组组第9页/共27页麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 象

7、一首美丽的诗象一首美丽的诗 !人们赞美第10页/共27页2.各方程的各方程的物理意义：物理意义：1.麦克斯韦方程组：麦克斯韦方程组：(1)(1)在任何电场中，通过任何闭合曲面的电通量等于该闭合在任何电场中，通过任何闭合曲面的电通量等于该闭合曲面内自由电荷的代数和。曲面内自由电荷的代数和。有源场有源场(2)(2)在任何磁场中，通过任何闭合曲面的磁通量恒等于在任何磁场中，通过任何闭合曲面的磁通量恒等于0 0。无源场无源场(3)(3)一般地，电场强度一般地，电场强度E E沿任意闭合环路的积分等于穿过该环沿任意闭合环路的积分等于穿过该环路磁通量随时间变化率的负值。路磁通量随时间变化率的负值。有旋场有旋

8、场(4)(4)磁场强度磁场强度H H沿任意闭合环路的积分，等于穿过该环路传导沿任意闭合环路的积分，等于穿过该环路传导电流和位移电流的代数和。电流和位移电流的代数和。有旋场有旋场(1)(2)(3)(4)第11页/共27页 麦克斯韦完善了电磁场理论，预言了麦克斯韦完善了电磁场理论，预言了电磁波的存在，并计算出电磁波在真空电磁波的存在，并计算出电磁波在真空的速度为：的速度为：3108 m/s第12页/共27页14.5电磁波电磁波第13页/共27页一、一、电磁波的产生电磁波的产生1.凡做加速运动的电荷都是电磁波的波源例如：天线中的振荡电流分子或原子中电荷的振动2.对电磁波二、平面简谐电磁波的性质1.2

9、.电磁波是横波的描述（平面简谐波）的描述（平面简谐波）和和传播速度相同、相位相同相位相同第14页/共27页3.量值上量值上 4.波速5.电磁波具有波的共性 在介质分界面处有反射和折射三、电磁波的能量密度真空中折射率折射率第15页/共27页能流密度dA波的强度 I结论：I 正比于 E02 或 H02坡印亭矢量坡印亭矢量（坡印亭矢量）（坡印亭矢量）第16页/共27页解决途径：(1)提高回路振荡频率LC回路能否有效地发射电磁波回路能否有效地发射电磁波(1)振荡频率太低振荡频率太低LC电路的辐射功率(2)电磁场仅局限于电容器和自感线圈内电磁场仅局限于电容器和自感线圈内LC回路有回路有两个缺点两个缺点：

10、(2)实现回路的开放四、四、振荡电路振荡电路 赫兹实验赫兹实验第17页/共27页从从LC振荡电路振荡电路到振荡电偶极子到振荡电偶极子第18页/共27页振子振子发射发射谐振器谐振器接收接收电磁波的接收电磁波的接收感应圈感应圈第19页/共27页赫兹-德国物理学家 赫兹对人类伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在，发现了光电效应。1888年，成了近代科学史上的一座里程碑。开创了无线电电子技术的新纪元。赫兹对人类文明作出了很大贡献，正当人们对他寄以更大期望时，他却于1894年因血中毒逝世，年仅36岁。为了纪念他的功绩，人们用他的名字来命名各种波动频率的单位，简称“赫”。第20页/共27页五、五、电磁波谱

11、电磁波谱将电磁波按将电磁波按波长波长或或频率频率的顺序排列的顺序排列成谱成谱X射线紫外线红外线微 波毫米波短无线电波 射线频率(Hz)波长(m)长无线电波可见光第21页/共27页电磁波的应用从1888 年赫兹用实验证明了电磁波的存在，1895 年俄国科学家波波夫发明了第一个无线电报系统。1914 年语音通信成为可能。1920 年商业无线电广播开始使用。20世纪30年代发明了雷达。40年代雷达和通讯得到飞速发展，自50年代第一颗人造卫星上天，卫星通讯事业得到迅猛发展。如今电磁波已在通讯、遥感、空间控测、军事应用、科学研究等诸多方面得到广泛的应用。第22页/共27页光是电磁波光是电磁波光色光色 波

12、长波长(nm)频率频率(Hz)中心波长中心波长(nm)红红 760622 660 橙橙 622597 610 黄黄 597577 570 绿绿 577492 540 青青 492470 480 兰兰 470455 460 紫紫 455400 430 可见光七彩颜色的波长和频率范围可见光七彩颜色的波长和频率范围第23页/共27页课后练习课后练习:选择题选择题：14-11,12,13，14,20计算题：计算题：14-26,32第24页/共27页 例例2 一导线矩形框的平面与磁感强度为一导线矩形框的平面与磁感强度为 的均的均匀磁场相垂直匀磁场相垂直.在此矩形框上在此矩形框上,有一质量为有一质量为 长为长为 的的可移动的细导体棒可移动的细导体棒 ;矩形框还接有一个电阻矩形框还接有一个电阻 ,其值较之导线的电阻值要大得很多其值较之导线的电阻值要大得很多.若开始时若开始时,细导体细导体棒以速度棒以速度 沿如图所示的矩形框运动沿如图所示的矩形框运动,试求棒的速率试求棒的速率随时间变化的函数关系随时间变化的函数关系.解解 如图建立坐标如图建立坐标棒所受安培力棒所受安培力方向沿方向沿 轴反向轴反向+棒中棒中且由且由第25页/共27页方向沿方向沿 轴反向轴反向棒的运动方程为棒的运动方程为则则计算得棒的速率随时间变化的函数关系为+第26页/共27页