位移电流电磁场基本方程的积分形式(3)课件

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1、1820年奥斯特年奥斯特电电磁磁1831年法拉第年法拉第磁磁电电1865年麦克斯韦的两个假设年麦克斯韦的两个假设产生产生产生产生涡旋电场涡旋电场位移电流位移电流变化的磁场变化的磁场电场电场变化的电场变化的电场磁场磁场激发激发?James ClerkMaxwellJames ClerkMaxwell （1831-18791831-1879）麦克斯韦麦克斯韦 是经典电磁理论的奠基是经典电磁理论的奠基人。他在电磁理论方面的人。他在电磁理论方面的工作可以和牛顿在力学方工作可以和牛顿在力学方面的工作相媲美。他提出面的工作相媲美。他提出了有旋场和位移电流的概了有旋场和位移电流的概念念,建立了经典电磁场理论

2、建立了经典电磁场理论的完整体系的完整体系,并预言了电磁并预言了电磁波的存在。波的存在。18731873年他的年他的 电电磁学通论磁学通论 问世，这是一本问世，这是一本划时代的巨著。划时代的巨著。是人类探是人类探索电磁规律的里程碑。索电磁规律的里程碑。英国物理学家、数学家麦克斯韦英国物理学家、数学家麦克斯韦1515岁就在岁就在“爱丁堡爱丁堡皇家学报皇家学报”发表论文，发表论文，18541854年从剑桥大学毕业，年从剑桥大学毕业，18741874年年任卡文迪许实验室的首任主任。他是任卡文迪许实验室的首任主任。他是气体动理论的创始气体动理论的创始人之一，也是经典电磁理论的奠基人。人之一，也是经典电磁

3、理论的奠基人。麦克斯韦虽然只麦克斯韦虽然只活了活了49 49 岁，但他却写了岁，但他却写了100100多篇有价值的论文。爱因斯多篇有价值的论文。爱因斯坦在纪念麦克斯韦坦在纪念麦克斯韦100100周年的文集中对他作出了很高的周年的文集中对他作出了很高的评价评价“这是自牛顿奠定理论物理学的基础以来，物理学这是自牛顿奠定理论物理学的基础以来，物理学公理基础的最伟大的变革，公理基础的最伟大的变革，这样一次伟大的变革是同这样一次伟大的变革是同法拉第、麦克斯韦和赫兹的名字永远联在一起的。这次法拉第、麦克斯韦和赫兹的名字永远联在一起的。这次革命的最大部分出自麦克斯韦。革命的最大部分出自麦克斯韦。”一、位移电

4、流一、位移电流IsjlHSL1dd+-I（以（以 L 为边做任意曲面为边做任意曲面 S）0dd2SLsjlH1S2SL对对S S1 1面面对对S S2 2面面矛矛盾盾变化的磁场变化的磁场 激发电场激发电场（涡旋电场或感生电场）（涡旋电场或感生电场）变化的电场变化的电场 激发磁场激发磁场变化的电场等效于一电流变化的电场等效于一电流位移电流。位移电流。1 1、问题的提出、问题的提出2 2、位移电流假设、位移电流假设 非稳恒电路中，在传导电流中断处必发生电荷分布的变化；非稳恒电路中，在传导电流中断处必发生电荷分布的变化；t/qIdd极板上电荷随时间变化率等于传导电流。极板上电荷随时间变化率等于传导电

5、流。极板上电荷的变化必引起电场的变化。极板上电荷的变化必引起电场的变化。电位移通量为电位移通量为:位移电流位移电流(电场变化等效为一种电流电场变化等效为一种电流)(以平行板电容器为例以平行板电容器为例)t t)(tI)(tI tDDSD tDD SttD tqDDIttqIddddSSDDSDttIddddd一般情况位移电流：一般情况位移电流：StDSd 位移电流与传导电流连接起来恰好构成位移电流与传导电流连接起来恰好构成 连续的闭合电流。连续的闭合电流。IRDI麦克斯韦提出全电流的概念麦克斯韦提出全电流的概念:位移传导全III电流在空间永远是连续不中断的，并且构成闭合回路电流在空间永远是连续

6、不中断的，并且构成闭合回路IIcdDj位移电流密度位移电流密度(全电流安培环路定理全电流安培环路定理)LIIIlH位移传导全dSStDId传导麦克斯韦将安培环路定理推广为：麦克斯韦将安培环路定理推广为：LcIl dHS面：对1LDdtdl dHS2面：对2SSdtD全电流安培环路定理：全电流安培环路定理：磁场强度沿任意闭合回路的环流等于穿过此闭磁场强度沿任意闭合回路的环流等于穿过此闭合回路所围曲面的全电流。合回路所围曲面的全电流。传导电流和位移电流的比较传导电流和位移电流的比较相同点：相同点：（1 1）都在周围空间激发磁场；）都在周围空间激发磁场；（2 2）激发的磁场都是有旋场；）激发的磁场都

7、是有旋场；（3 3）和磁场方向都满足右手螺旋关系。）和磁场方向都满足右手螺旋关系。不同点：不同点：I Id dI Ic c（1 1）电荷激发）电荷激发 变化电场激发变化电场激发（源不同）（源不同）（3 3）存在于导体存在于导体 存在于真空、导体、电介质存在于真空、导体、电介质（2 2）产生焦耳热）产生焦耳热 无焦耳热无焦耳热注意注意(H(Hd d为为I Id d产生的涡旋磁场产生的涡旋磁场)SliSdtBl dEiEtB左旋左旋SLdSdtDl dHdHtD右旋右旋对称美对称美上述就是上述就是麦克斯韦电磁场理论的基本概念麦克斯韦电磁场理论的基本概念 法拉第电磁感应定律说明：法拉第电磁感应定律说

8、明：变化的磁场激发电场变化的磁场激发电场麦克斯韦位移电流论点说明：麦克斯韦位移电流论点说明：变化的电场激发磁场变化的电场激发磁场00l dEL Maxwell Maxwell 的新思想：的新思想：涡旋电场涡旋电场 变化的磁场产生电场变化的磁场产生电场位移电流位移电流 变化的电场产生磁场变化的电场产生磁场 前人的经验：前人的经验：QSDSd0SSB0d0静电场静电场稳恒磁场稳恒磁场Il dHL01、电场的性质、电场的性质 SqSdE001静涡静而EEESSdE0涡但SqSdE001SqSdD0由静电场中的高斯定理由静电场中的高斯定理：2、磁场的性质、磁场的性质 在任意磁场中，通过任意闭合曲面的磁

9、通量都等在任意磁场中，通过任意闭合曲面的磁通量都等于零。于零。SSdB0 3、变化电场与磁场的关系、变化电场与磁场的关系由全电流的安培环路定律得：由全电流的安培环路定律得：dtdIl dHDLc4、变化磁场和电场的关系、变化磁场和电场的关系Ll dE0静dtdl dEmL涡ScSdtDj)(涡静EEEdtdl dEmLSSdtB上式是麦克斯韦对法拉第定律的推广。上式是麦克斯韦对法拉第定律的推广。Maxwell 方程组方程组：1.电场的高斯定理电场的高斯定理SiqSDd2.磁场的高斯定理磁场的高斯定理0dSSB静电场是有源场、感应电场是涡旋场。静电场是有源场、感应电场是涡旋场。传导电流、位移电流

10、产生的磁场都是无源场。传导电流、位移电流产生的磁场都是无源场。3.电场的环路定理电场的环路定理StBtlESLdddd4.全电流安培环路定理全电流安培环路定理SLd)(dSjlHtD静电场是保守场，变化磁场可以激静电场是保守场，变化磁场可以激发涡旋电场。发涡旋电场。传导电流和变化电场可以激发涡传导电流和变化电场可以激发涡旋磁场。旋磁场。麦克斯韦用数学形式，系统而完美地概括了电磁场麦克斯韦用数学形式，系统而完美地概括了电磁场的基本规律，奠定了宏观电磁场理论的基础；的基本规律，奠定了宏观电磁场理论的基础；预言了预言了电磁波的存在；并指出光波也是电磁波，电磁波的存在；并指出光波也是电磁波，从而将电磁

11、从而将电磁现象和光现象联系起来。现象和光现象联系起来。说明：说明：（1）反映了电磁场是一个整体；）反映了电磁场是一个整体；（2）方程组简洁、全面、完整的反映了电磁场的基本）方程组简洁、全面、完整的反映了电磁场的基本 规律和性质；规律和性质；（3）麦克斯韦方程组是宏观电磁场理论的基础。）麦克斯韦方程组是宏观电磁场理论的基础。平面电磁波平面电磁波uEHxo)(cos0uxtEE)(cos0uxtHHOEuH三、电磁波简介三、电磁波简介1、电磁波的特性、电磁波的特性)cos()(cos00kxtEuxtEE)cos()(cos00kxtHuxtHH2kuEH 1）电磁波是横波电磁波是横波 ,;2）和

12、和 同相位同相位;3）和和 数值成比例数值成比例 ；4）电磁波传播速度电磁波传播速度 ,真空中波速真空中波速等于光速等于光速 。EHHEHE 1u001cuEuHu2、电磁波的能量、电磁波的能量)(2122meHEwww 电磁场能量密度电磁场能量密度 辐射能辐射能：以电磁波的形式传播出去的能量。以电磁波的形式传播出去的能量。HESSEHwuS 单位时间通过垂直于传播方向的单位面积的辐单位时间通过垂直于传播方向的单位面积的辐射能称为射能称为或辐射强度。或辐射强度。（坡印廷）矢量（坡印廷）矢量 例：例：在真空中沿在真空中沿x轴正方向传播的平面电磁波，其轴正方向传播的平面电磁波，其电电场强度波的表达式是场强度波的表达式是 ，则磁场，则磁场的表达式是：的表达式是：0cos2()zxEEt 解：由电磁波的性质可知：解：由电磁波的性质可知：uExoyzuEuHHuEHxoyzEHSEHu但是还要满足性质：但是还要满足性质：所以只能是第所以只能是第种情况。种情况。下面求磁场的表达式下面求磁场的表达式HE 0cos()xEEtu0cos()xHHtu0cos2()yxHHt 0000EH真空中：真空中：0000HE00cos2()yxHt 0cos2()zxEEt