电磁场与电磁波第2章.ppt

第2章 电磁场基本理论,主要内容 场的定义和计算、麦克斯韦方程组的建立及其积分微分形式,2.1、场量的定义和计算,1、电场,2、电位,3、磁场,4、矢量磁位,2.2、麦克斯韦方程组的建立,1、安培环路定律,2、法拉第电磁感应定律,3、电场的高斯定律,4、磁场的高斯定律,5、电流连续性方程,2.3、麦克斯韦方程组的积分形式和微分形式,2.1、场量的定义和计算,1、电场,（1）什么是电场？,存在于电荷周围，能对其他电荷产生作用力的特殊的物质称为电场。可见电荷是产生电场的源。,（2）电场强度的定义,单位正电荷在电场中某点受到的作用力称为该点的电场强度。,电场强度严格的数学表达式为：,在此要求实验电荷足够小，以使该电荷产生的电场不致使原电场发生畸变。,（3）库仑定律,其中：为真空中介电常数。,（4）电场强度的计算,.点电荷周围电场强度的计算公式：,其中：是源电荷指向场点的方向。,解：如图,点的坐标矢量为：,点的坐标矢量为：,点电荷电场强度的计算公式,其中：,所以:,例1：在直角坐标系中，设一点电荷q 位于点，计算空间点 的电场强度。,结论：,多个电荷产生的电场,如果有多个点电荷源,场域中某点的电场强度应该是所有点电荷在该场中产生的电场强度的矢量和。,在直角坐标系中，若源电荷 所在点的坐标为，场点P 的坐标为，则P 点的电场强度为：,真空中的N个点电荷q1、q2、qN（分别位于、）对点电荷q（位于）的作用力为,.连续分布的电荷源产生的电场,a.线电荷分布：电荷沿某一曲线连续分布。,线电荷密度定义：,单位长度上的电荷量。,上所带的电荷量：,产生的电场强度为：,该线电荷在空间产生的电场强度：,b.面电荷分布：电荷沿空间曲面连续分布。,面电荷密度定义：,单位面积上的电荷量。,上所带的电荷量：,产生的电场强度为：,该面电荷在空间产生的电场强度：,c.体电荷分布:电荷在某空间体积内连续分布。,体电荷密度定义：,单位体积内的电荷量。,上所带的电荷量：,产生的电场强度为：,该体电荷在空间产生的电场强度:,解：根据题意，选取圆柱坐标系,面元：,面元上的电荷量为：,从此电荷源到 z 轴上 P 点的距离矢量为：,距离大小为：,根据面分布电荷在空间一点所产生的电场强度公式：,例2：设有一无限大的均匀带电平面，面电荷密度为,求：距平面h高处的电场强度E。,可见：无限大均匀带电平面产生的电场是均匀的,与距离 h无关，方向为该平面的法线方向。,由于电荷分布的对称性，对每一个面元，将有一个对称面元 与之对应，这两个面元上的电荷在P点产生的电场强度的径向分量相互抵消，因此P点的电场强度的径向分量为零。,2、电位,电荷 在电场中受力为：,电荷在静电场中由P点移动到A点，外力所做的功为：,电位差定义：单位正电荷由P点移动到A点，外力所做的功称为A点和P点之间的电位差。,（1）电位差,电荷 在电场中要保持静止，需受外力作用为：,结论：空间两点的电位差只与两点所在位置有关，而与积分路径无关。,例3：计算原点处一点电荷q 产生的电场中AP之间的电位差。,解：选取球坐标系，点电荷q 产生的电场,所以：,电位定义：外力将单位正电荷是由无穷远处移到A点，则A点和无穷远处的电位差称为A点的电位。,（2）电位,以无穷远处为零电位参考点，为电荷源到A点的距离。,电位物理意义：,静电场中某点的电位，其物理意义是单位正电荷在电场力的作用下，自该点沿任一条路径移至无限远处过程中电场力作的功。,应该注意，这里所说的电位实际上是该点与无限远处之间的电位差，或者说是以无限远处作为参考点的电位。原则上，可以任取一点作为电位参考点。显然，电位的参考点不同，某点电位的值也不同。但是任意两点之间的电位差与电位参考点无关，因此电位参考点的选择不会影响电位差的值。当电荷分布在有限区域时，通常选择无限远处作为电位参考点，因为此时无限远处的电位为零。,根据定义，任意一点A的电位等于把单位正电荷从该点移到电位参考点P（零电位点）电场力所做的功。也就是外力克服电场力把单位正电荷从电位参考点（零电位点）移到该点所做的功。数值上也就是单位正电荷所具有的势能。,因此我们才可以说（在静电场条件下）电位是单位正电荷的势能。势能本身就意味着它只与状态有关，与过程无关。,（3）电位计算,.点电荷的电位计算：,多个点电荷的电位计算：,其中：为第i个电荷源到A点的距离。,.连续分布的电荷源的电位计算,线电荷分布：,面电荷分布：,体电荷分布：,.场源电荷分布至无限远时，电位的计算,电荷分布到无穷远，不能选无限远处为零电位点。只能在有限区域非源点处任选一点作参考点。,电位参考点不能位于无穷远点。,例：无限长线电荷电位,.电位参考点的选择：a.选择参考点尽可能使电位表达式比较简单，且要有意义。b.电荷在有限区域，无穷远点为参考点。c.电荷分布到无穷远，在有限区域任选一点作参考点。d.同一物理问题，参考点应该统一。e.场中任意两点的电位差与参考点无关。f.参考点的选择不会影响电场，电场只与电位差有关，绝对电位没有意义，只有电位差才有意义。,（4）电位与电场强度关系,在静电场中，任意一点的电场强度E的方向总是沿着电位减少的最快方向，其大小等于电位的最大变化率。,在直角坐标系中：,根据E与 的微分关系，试问静电场中的某一点,？(),？(),1）电位作辅助量，简化求解过程，矢量变标量。2）静电场电位有物理意义：电位是单位正电荷的势能。3）电位比电场易测量。,为什么要引入电位：,例4:有一对等量异号相距很近的电荷构成电偶极子，如图，求：P点的电位和电场强度。,解：取球坐标系，P点的电位,因为：,则：,电场强度：,（5）等位面,由于电场强度的方向为电位梯度的负方向，而梯度方向总是垂直于等位面，因此，电场线与等位面一定处处保持垂直。若规定相邻的等位面之间的电位差保持恒定，那么等位面密集处表明电位变化较快，因而场强较强。这样，等位面分布的疏密程度也可表示电场强度的强弱。,式中常数 C 等于电位值。,电位相等的曲面称为等位面，其方程为,点电荷与接地导体的电场,电偶极子的等位线和电力线,点电荷与不接地导体的电场,点电荷位于一块介质上方的电场,3、磁场,产生磁场的源：a.永久磁铁 b.变化的电场 c.电流周围，即运动的电荷,（1）什么是磁场？,存在于载流回路或永久磁铁周围空间，能对运动电荷施力的特殊物质称为磁场。,可见：磁场力、运动速度 和磁感应强度 三者相互垂直，且满足右手螺旋法则。,（2）磁感应强度B的定义,实验发现，运动电荷在磁场中受到的作用力不仅与电荷量及运动速度的大小成正比，而且还与电荷的运动方向有关。电荷沿某一方向运动时受力最大，而垂直此方向运动时受力为零。我们定义，受力为零的方向为零线方向，如图所示。,矢量 B 称为磁感应强度，单位为T（特斯拉）。,设最大作用力为 Fm，沿偏离零线方向 角度运动时，受力为，作用力 F 的大小与电荷量 q 及速度大小 v 的乘积成正比。,我们定义一个矢量 B，令其大小为，其方向为零线方向，那么矢量B 与电荷量 q，运动速度v 以及作用力F 的关系为,电流元,电流元 在空间所产生的磁感应强度为：,该式称为毕奥萨伐尔定律。,安培力实验定律：,（3）磁感应强度的计算,其中：为真空磁导率。,得到：,比较,电流分类：电流可以分布在体积中，也可分布在表面上或细导线中。面分布的电流称为表面电流，表面电流密度 Js 的单位为 A/m。细导线中电流称为线电流，线电流无密度可言。,各种电流之间的关系为,例5：求如图所示的电流线 I 在O点产生的磁感应强度。,解：取圆柱坐标系,将电流线分成 三段分别求这三段电流在O点产生的磁感应强度。,.闭合电流回路在空间所产生的磁感应强度：,特斯拉(T),（1）段在O点产生的,（2）段在O点产生的,（3）段在O点产生的,O点产生的磁感应强度:,例6：求长为l,载有电流I的细直导线在P点产生的磁感应强度.,解：如图所示，选用圆柱坐标系,式中：,所以：,式中：,于是得：,有限长度电流线磁感应强度：,无限长载流直导线周围磁感应强度：,即：,.面电流情况:电流在某一曲面上流动。,面电流密度：,定义为在与电流线垂直的方向上单位长度流过的电流。,上流过的电流量：,产生的磁感应强度为：,整个面电流产生的磁场：,(A/m),解：如图，选用直角坐标系,上流过的电流为,例7：设一面电流密度为 的无限大均匀导流面，求：距该平 面h高处的磁感应强度？,与 对称的取线元,其中：,该面电流在P点产生的磁感应强度：,无限大均匀导流面两侧的磁感应强度：,.体电流情况:电流在某一体积内流动。,体电流密度：,定义为在与电流线垂直的方向上平面内单位面积流过的电流。,上流过的电流量：,产生的磁感应强度为：,整个体电流产生的磁场：,(A/m2),4、矢量磁位,(1)磁通量,磁感应强度对一个曲面的面积分称为穿过该曲面的磁通量。,若曲面闭合：,磁感应强度：,根据梯度规则：,则有：,根据高斯定律：,利用矢量恒等式：,已知：,和,结论：穿过空间任意闭合曲面的磁通量恒为零。这就是磁通连续性原理。它说明磁感线是连续的闭合矢线，磁场是无散场。,为了简化磁场的求解，通常采用间接方法。,由磁场的散度为零，引入矢量磁位。,（2）矢量磁位的引入,根据矢量恒等式：,引入矢量，令 则：,该矢量 称为矢量磁位，单位为韦伯/米（Wb/m）。,矢量磁位与电位不同，它没有任何物理意义，仅是一个计算辅助量。,（3）矢量磁位的计算,规范条件：,对线电流的情况：,已知：,.线电流矢量磁位计算,利用矢量恒等式：,则：,为零！,矢量磁位：,该式为线电流产生的磁场中的矢量磁位计算公式。,.面电流矢量磁位计算,面电流密度：,(A/m),矢量磁位：,.体电流矢量磁位计算,体电流密度：,矢量磁位：,(A/m2),例8：计算半径为a，电流为 I 的小电流环产生的磁感应强度。,解：取球坐标系，令坐标原点位于电流环的中心，且电流环的平面位于xy 平面内，如图示。由于结构对称，场量一定与 无关。为了计算方便起见，令所求的场点位于xz 平面，即=0平面内。,经过一系列演算，求得,式中 为小电流环的面积。,根据，求得,可见，小电流环产生的矢量磁位 A 与距离 r 的平方成反比，磁感应强度 B 与距离 r 的立方成反比。而且，两者均与场点所处的方位有关。,2.2 麦克斯韦方程组的建立,1、安培环路定律麦克斯韦第一方程,（1）安培环路定律,已知：无限长载流直导线周围的磁感应强度为：,引入一个新矢量，令 则：,矢量 称为磁场强度，单位为安培/米（A/m）。,安培环路定律：在真空中，磁场强度沿任意回路的线积分，等于该回路所限定的曲面上穿过的总电流。,若积分回路中包含多个电流则：,例9:如图所示，一无限长同轴电缆芯线通有均匀分布的电流I，外导体通有均匀的等量反向电流，求各区域的磁感应强度。,解:根据题意，取圆柱坐标系。,（1）区域,内导体的电流密度为:,取半径为 r 的圆环为积分回路，根据安培环路定律:,磁感应强度为:,同理取半径为r 的圆为积分回路，则有:,（2）区域,该区域的磁感应强度为:,（3）区域,外导体的电流密度为:,同理，取半径为r 的圆为积分回路，则有:,可得：,（4）区域,（2）位移电流,传导电流连续是安培环路定律成立的前提。,位移电流的提出：在电容器两极板间，由于电场随时间的变化而存在位移电流，其数值等于流向正极板的传导电流。,如图：,穿过 的传导电流为，则：,穿过 的传导电流为，则：,矛盾？,平板电容器极板上的电荷：,位移电流的计算,传导电流：,位移电流：,位移电流密度：,引入一个新矢量，在真空中令，则位移电流密度表示为：,某曲面上的位移电流：,电位移矢量,3.全电流定律,引入位移电流之后，穿过 S 面的总电流为：,总电流密度为：,某曲面上全电流 I 为：,全电流定律：,该方程称为麦克斯韦第一方程。,该式的物理意义：它表明磁场不仅由传导电流产生，也能由随时间变化的电场，即位移电流产生。,2、法拉第电磁感应定律麦克斯韦第二方程,（1）法拉第电磁感应定律,磁场中的一个闭合导体回路的磁通量发生变化时，回路中就产生了感应电流，表示回路中感应了电动势，且感应电动势的大小正比于磁通对时间的变化率。,数学表达式为：,E,该闭合回路中的感应电动势为：,闭合回路中的磁通量为：,可得：,引起磁通变化的原因：,闭合回路与恒定磁场之间存在相对运动,这时回路中的感 应电动势称为动生电动势。,既存在时变磁场又存在回路的相对运动，则总的感应电动 势为：,闭合回路是静止的，但与之交链的磁场是随时间变化的，这是回路中产生的感应电动势称为感生电动势。,（2）法拉第电磁感应定律的推广,当空间某曲面内的磁通随时间变化时，意味着空间存在着感应电场，感应电场沿曲面边界的积分为该曲线上的感应电动势。,经麦克斯韦推广的电磁感应定律为：,该方程称为麦克斯韦第二方程。,该式说明：变化的磁场产生电场。即电场不仅由电荷源产生，也可由时变的磁场产生。,3、电场的高斯定律麦克斯韦第三方程,若以该点电荷为中心，做一半径为R 的球面，则电场强度穿出该球面的通量为,如果闭合曲面内包含n个点电荷，则：,如果闭合曲面内含有连续分布的电荷，则：,该方程称为麦克斯韦第三方程。,该式表明：穿过任何闭合曲面的电通量等于该闭合曲面所包围 的净电荷。,解：如图，选球坐标系，由于球壳内均匀 带电，所产生的电场具有中心对称性。,（1）区域,取半径为 R 的球面为高斯面，根据电高斯定律:,可得：,例10：一均匀带电球壳，电荷密度为，球壳内外半径分别为a、b，求各区域中的电位移矢量。,（2）区域,取半径为 R 的球面为高斯面，根据电高斯定律:,可得：,同理取半径为 R 的球面为高斯面，根据电高斯定律:,可得：,（3）区域,数学表达式为：,该式表明：通过任何闭合曲面的磁通量恒为零。磁力线总是连续的，它不会在闭合曲面内积累或中断，故称磁通连续性原理。,该方程称为麦克斯韦第四方程。,4、磁场的高斯定律麦克斯韦第四方程,5、电流连续性方程（麦克斯韦第五方程）,从封闭曲面流出的电流，必然等于封闭曲面内正电荷的减少率：,设流出封闭曲面的电流为：,该封闭曲面内的总电荷为：,则：,（该方程称为麦克斯韦第五方程）,该式表明：从封闭曲面流出的电流，必然等于封闭曲面内正电荷的减少率，反之亦然。,1.麦克斯韦方程组的积分形式：,一般情况：,无源的情况：,2.3、麦克斯韦方程组的积分形式和微分形式,恒定电磁场(存在直流电流),正弦电磁场（存在时间因子）,注意：利用积分形式的麦克斯韦方程可直接求解具有对称性的场。,如：中心对称性场，轴对称性场，平面对称性场。,例11：一无限长均匀带电直导线，线电荷密度为，求：该导线周围的电场强度。,解：该导线周围的电场具有轴对称性，选柱坐标系，高斯面选柱面。,可得：,电场强度：,已知：,2、麦克斯韦方程组的微分形式,积分形式:,微分形式:,注意：麦克斯韦方程的微分形式只适用于媒体的物理性质 不发生突变的区域。,微分形式的麦克斯韦方程组给出了空间某点场量之间及场量与场源之间的关系。,麦克斯韦方程组在电磁学中的地位，如同牛顿运动定律在力学中的地位一样。以麦克斯韦方程组为核心的电磁理论，是经典物理学最引以自豪的成就之一。它所揭示出的电磁相互作用的完美统一，为物理学家树立了这样一种信念：物质的各种相互作用在更高层次上应该是统一的。另外，这个理论被广泛地应用到技术领域。,任何一个能把这几个公式看懂的人，一定会感到背后有凉风如果没有上帝，怎么解释如此完美的方程？这组公式融合了电的高斯定律、磁的高斯定律、法拉第定律以及安培定律。比较谦虚的评价是：“一般地，宇宙间任何的电磁现象，皆可由此方程组解释。”到后来麦克斯韦仅靠纸笔演算，就从这组公式预言了电磁波的存在。我们不是总喜欢编一些故事，比如爱因斯坦小时候因为某一刺激从而走上了发奋学习、报效祖国的道路么？事实上，这个刺激就是你看到的这个方程组。也正是因为这个方程组完美统一了整个电磁场，让爱因斯坦始终想要以同样的方式统一引力场，并将宏观与微观的两种力放在同一组式子中：即著名的“大一统理论”。爱因斯坦直到去世都没有走出这个隧道，而如果一旦走出去，我们将会在隧道另一头看到上帝本神。-摘自“百度百科”,