[信息与通信]工程电磁场导论第四章.ppt

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1、Time-Varying Electromagnetic Field,第四章 时变电磁场,下 页,电磁感应定律和全电流定律,正弦电磁场,序,电磁辐射,电磁场基本方程、分界面上的衔接条件,动态位及其积分解,返 回,坡印廷定理和坡印廷矢量,4.0 序,Introduction,在时变场中，电场与磁场都是时间和空间坐标的函数；变化的磁场会产生电场，变化的电场会产生磁场，电场与磁场相互依存构成统一的电磁场。,英国科学家麦克斯韦将静态场、恒定场、时变,场的电磁基本特性用统一的麦克斯韦方程组高度概,括。麦克斯韦方程组是研究宏观电磁场现象的理论,基础。,下 页,上 页,返 回,时变场的知识结构框图：,下 页

2、,上 页,返 回,Maxwell方程组,坡印廷定理与坡印廷矢量,正弦电磁场,动态位A,分界面上衔接条件,达朗贝尔方程,电磁辐射、传输线及波导,本 章 要 求,下 页,上 页,返 回,4.1.1 电磁感应定律（Faradays Law）,当与回路交链的磁通发生变化时，回路中会产生感应电动势，这就是法拉弟电磁感应定律。,电磁感应定律：,负号表示感应电流产生的磁场总是阻碍原磁场的变化。,Faradays Law and Amperes Circuital Law,4.1 电磁感应定律和全电流定律,图4.1.1 感生电动势的参考方向,下 页,上 页,返 回,1.回路不变，磁场随时间变化,又称为感生电动

3、势，这是变压器工作的原理，亦称为变压器电势。,图4.1.2 感生电动势,根据磁通变化的原因，分为三类：,下 页,上 页,返 回,2.磁场不变，回路切割磁力线,称为动生电动势，这是发电机工作原理，亦称为发电机电势。,图4.1.3 动生电动势,下 页,上 页,返 回,3.磁场随时间变化，回路切割磁力线,实验表明：只要与回路交链的磁通发生变化，回路中就有感应电动势。与构成回路的材料性质无关（甚至可以是假想回路），当回路是导体时，有感应电流产生。,下 页,上 页,返 回,4.1.2 感应电场（Inducted Electric Field）,麦克斯韦假设，变化的磁场在其周围激发着一种电场，该电场对电荷

4、有作用力（产生感应电流），称之为感应电场。,图4.1.4 变化的磁场产生感应电场,在静止媒质中,感应电场是非保守场，电力线呈闭合曲线，变化的磁场 是产生 的涡旋源，故又称涡旋电场。,下 页,上 页,返 回,图4.1.5 变化的磁场产生感应电场,若空间同时存在库仑电场,即 则有,表明不仅电荷产生电场，变化的磁场也能产生电场。,下 页,上 页,返 回,4.1.3 全电流定律（Amperes Law）,图4.1.6 交变电路用安培环路定律,问题的提出,思考,经过S1面,经过S2面,下 页,上 页,返 回,为什么相同的线积分结果不同？电流不连续 吗？原因所在？,电流连续性原理,Stokes theor

5、em,矢量恒等式,矢量恒等式,下 页,上 页,返 回,所以,因为,所以,所以,变化的电场产生位移电流（Displacement Current），电流仍然是连续的。,=,下 页,上 页,返 回,图4.1.7 交变电路用安培 环路定律,全电流定律,不仅传导电流产生磁场，变化的电场也能产生磁场。麦克斯韦预言电磁波的存在。,微分形式,积分形式,其中，位移电流密度,下 页,上 页,返 回,解：忽略边缘效应和感应电场,位移电流密度,位移电流,电场,例 4.1.1 已知平板电容器的面积 S,相距 d,介质的介电常数，极板间电压 u(t)。试求位移电流 id；传导电流 ic与 id 的关系是什么?,图4.1

6、.8 传导电流与 位移电流,下 页,上 页,返 回,4.2.1 电磁场基本方程组(Maxwell Equations),综上所述,电磁场基本方程组,全电流定律,电磁感应定律,磁通连续性原理,高斯定律,Maxwill Eguations and Boundary Conditions,电磁感应定律：麦克斯韦第二方程，表明电荷和变化的磁场都能产生电场。,磁通连续性原理：表明磁场是无源场,磁力线总是闭合曲线。,高斯定律：表明电荷以发散的方式产生电场(变化的磁场以涡旋的形式产生电场)。,4.2 电磁场基本方程组分界面上的衔接条件,下 页,上 页,返 回,构成方程,下 页,上 页,返 回,麦克斯韦第一、

7、二方程是独立方程，后面两个方程可以从中推得。,静态场和恒定场是时变场的两种特殊形式。,时变电磁场中媒质分界面上的衔接条件的推导方式与前三章类似，归纳如下：,4.2.2 分界面上的衔接条件(Boundary Conditions),下 页,上 页,返 回,结论:在理想导体内部无电磁场，电磁波发生全反射。,图4.2.1 媒质分界面,例 4.2.1 试推导时变场中理想导体与理想介质分界面上的衔接条件。,分析：在理想导体中,下 页,上 页,返 回,。,根据衔接条件,分界面介质侧的场量,导体表面有感应的面电荷和面电流。,下 页,上 页,返 回,4.3.1 动态位及其微分方程(Kinetic Potent

8、ials and Differential Equations),从Maxwell方程组出发,称为动态位，是时间和空间坐标的函数。,下 页,上 页,返 回,经整理后，得,由,由,（2）,（1）,洛仑兹条件,定义A 的散度,下 页,上 页,返 回,达朗贝尔方程(Dalangbaier Eguation),思考,下 页,上 页,返 回,洛仑兹条件是电流连续性原理的体现。,若场量不随时间变化，波动方程蜕变为泊松方程,简化了动态位与场源之间的关系;,确定了 的值，与 共同确定A；,4.3.2 动态位方程的积分解（Integral Solutions of Kinetic Potentials）,以时变

9、点电荷为例,（除坐标原点外）,返 回,下 页,上 页,式中 具有速度的量纲，f 1，f2 是具有二阶连续偏导数的任意函数。,有,1.通解的物理意义,或者说，t时刻的响应是 时刻的激励所产生。这是电磁波的滞后效应。,说明 f1 以有限速度 向 方向传播，称之为入射波。,图4.3.1 入射波,下 页,上 页,返 回,在无限大均匀媒质中没有反射波，即 f2=0。,图4.3.2 波的入射、反射与透射,下 页,上 页,返 回,由此推论，时变点电荷的动态标量位为,2.动态位的积分的表达式,根据叠加定理，连续分布电荷产生的标量位为,无反射,无反射,（无限大均匀媒质）,下 页,上 页,返 回,若激励源是时变电

10、流源时,（无反射）,电磁波是以有限速度 传播的，光也是一种电磁波。,达朗贝尔方程解的形式表明：t 时刻的响应取 决于 时刻的激励源。又称 为滞后位（Retarded Potential）。,当场源不随时间变化时，蜕变为恒定场中的位函数。,下 页,上 页,返 回,4.4.1 坡印廷定理（Poynting Theorem）,在时变场中，能量密度为,体积V内储存的能量为,（1）,（2）,下 页,上 页,返 回,电磁能量符合自然界物质运动过程中能量守恒和转化定律坡印廷定理；,坡印廷矢量是描述电磁场能量流动的物理量。,代入式(3)得,式(2)对 t 求导，,则有,矢量恒等式,（3）,下 页,上 页,返

11、回,物理意义：体积V内电源提供的功率，减去电阻消耗的热功率，减去电磁能量的增加率，等于穿出闭合面 S 的电磁功率。,坡印廷定理,下 页,上 页,返 回,恒定场中的坡印廷定理,注意：磁铁与静电荷产生的磁场、电场不构成能量的流动。,在恒定场中，场量是动态平衡下的恒定量，能量守恒定律为：,坡印廷定理,下 页,上 页,返 回,表示单位时间内流过与电磁波传播方向相垂直单位面积上的电磁能量，亦称为功率流密度，S 的方向代表波传播的方向，也是电磁能量流动的方向。,4.4.2 坡印廷矢量(Poynting Vector),W/m2,定义坡印廷矢量,下 页,上 页,返 回,4.4.1 电磁波的传播,例 4.4.

12、1 用坡印廷矢量分析直流电源沿同轴电缆向负载传送能量的过程。设电缆为理想导体，内外半径分别为a 和b。,解:理想导体内部电磁场为零。,电场强度,磁场强度,坡印廷矢量,下 页,上 页,返 回,图4.4.2 同轴电缆中的电磁能流,电源提供的能量全部被负载吸收。,流入内外导体间的横截面A 的功率为,坡印廷矢量,下 页,上 页,返 回,电磁能量是通过导体周围的介质传播的，导线只起导向作用。,导体吸收的功率为:,例 4.4.2 导线半径为a，长为 l，电导率为，试用坡印亭矢量计算导线损耗的能量。,电场,磁场,解:思路：,下 页,上 页,返 回,设,图4.4.3 计算导线损耗的能量,表明：导体电阻所消耗的

13、能量是由外部传递的。,电源提供的能量一部分用于导线损耗,另一部分传递给负载,下 页,上 页,返 回,图4.4.4 导体有电阻时同轴电缆中的E、H 与S,电路中正弦量有三要素：振幅、频率和相位。,正弦电磁场也有三要素：振幅,频率和相位。,Sinusoidal Electromagnetic Field,4.5 正弦电磁场,下 页,上 页,返 回,正弦电磁场基本方程组的复数形式,场量与动态位的关系,下 页,上 页,返 回,在正弦电磁场中，坡印亭矢量的瞬时形式为,称之为平均功率流密度。,S 在一个周期内的平均值为,4.5.2 坡印廷定理的复数形式 The Complex Poynting Theor

14、em,下 页,上 页,返 回,同理,实部为平均功率流密度，虚部为无功功率流密度。,定义:,坡印廷矢量的复数形式,可以证明,下 页,上 页,返 回,对 取散度，展开为,下 页,上 页,返 回,若体积 V 内无电源，闭合面 S 内吸收的功率为,有功功率 无功功率,可用于求解电磁场问题的等效电路参数,下 页,上 页,返 回,例 4.5.1 当平板电容器两极板间加正弦工频交流电压 u（t）时，试分析电容器中储存的电磁能量（忽略边缘效应）。,解：忽略感应电场,根据全电流定律,下 页,上 页,返 回,图4.5.1 两圆电极的平板电容器,显然，电容器中储存电场能量，磁场能量忽略不计,电磁场为EQS场。,整理

15、得,复坡印亭矢量,吸收能量,(无功功率),下 页,上 页,返 回,解：忽略边缘效应及位移电流，用恒定磁场的方法计算。,从安培环路定律，得,从电磁感应定律，得,例 4.5.2 N 匝长直螺线管，通有正弦交流电流。试分析螺线管储存的电磁能量。,下 页,上 页,返 回,图4.5.2 长直螺线管,显然，螺线管中储存磁场能量，电场能量忽略不计，电磁场为MQS场。,复坡印亭矢量,储存能量,(无功功率),下 页,上 页,返 回,4.5.3 波动方程的复数形式及其解(Wave Equations Complex Form and Solutions),方程的特解形式为,式中，称为相位常数，单位为 rad/m。

16、,在正弦电磁场中，波动方程的复数形式为,和,下 页,上 页,返 回,思考,下 页,上 页,返 回,电磁辐射,Electromagnetic Radiation,4.6 电磁辐射,下 页,上 页,返 回,电磁能量脱离电源以电磁波的形式在空间传播，不再返回电源。,产生辐射的原因：,产生辐射的设备：,电磁场的变化和有限的传播速度。,天线（线天线和面天线）。,图4.6.1 电偶极子天线形成的过程,一、天线的形成,下 页,上 页,返 回,二、电磁辐射的过程,图4.6.2 电偶极子天线,下 页,上 页,返 回,图4.6.3 一个电偶极子在不同时刻的 E 线分布,电偶极子p=qd 以简谐方式振荡时向外激发电

17、磁波。,某一瞬间 E 线与 H 线在空间的分布,下 页,上 页,返 回,图4.6.4 时单元偶极子天线 E 线与 H 线分布,图4.6.5 动态描述单元偶极子天线辐射形成的过程,三、电偶极子的电磁场,远离天线 P 点的动态位为：,下 页,上 页,返 回,正弦电磁波,研究场点远离天线,设,天线上不计推迟效应,图4.6.6 单元偶极子天线的磁矢量,图4.6.7 磁矢量分解,在球坐标系中分解为,下 页,上 页,返 回,1.近区,下 页,上 页,返 回,图4.6.8 电偶极子的近 区 E 与 H 线的分布,表明近区内只有电磁能量转换，没有波的传播。,思考,特点:,下 页,上 页,返 回,忽略推迟效应，

18、在某一时刻电场与静电场中电偶极子产生的电场相似，磁场与恒定磁场中元电流产生的磁场相似，称之为似稳场。,远区的能量来自何方？,忽略 的高次项,2.远区 亦称辐射区,下 页,上 页,返 回,特点:,下 页,上 页,返 回,辐射区电磁场有推迟效应。,E、H、S 空间上正交，时间上同相，有波阻抗,下 页,上 页,返 回,辐射是有方向性的，即,辐射功率为,3.辐射的方向性,辐射的方向性用两个相互垂直的主平面上的方向图表示。,E 平面是电场所在平面。,E 平面的方向性函数为,下 页,上 页,返 回,图4.6.9 E 平面方向图,H 平面是磁场所在平面。,H 平面的方向性函数为,下 页,上 页,返 回,图4

19、.6.11 立体方向图,图4.6.10 H 平面方向图,4.6.2 天线和天线阵(Linear Antenna and Antenna Array),1.天线,图4.6.12 开路传输线张开成对称振子,直线对称振子是一种线天线，它是指线的横截面尺寸远比波长小，它的长度 与波长 在同一数量级()上，流经它的电流不再等幅同相，设振子上的电流为正弦分布。,下 页,上 页,返 回,方向因子与波长有关，图中给出四种天线长度的 E 平面方向图。,图4.6.13 细线天线的E 平面方向图,辐射场特点：,下 页,上 页,返 回,球面波；,有方向性。，其 E 平面方向因子为,2.天线阵：,天线阵是由许多指向同一

20、方向的相似天线组成的，这些天线的排列可使能量都传送到预定的方向，其它方向几乎没有辐射。天线阵设计的主要参数是：,a 阵列元数目b 阵列元间隔c 每个阵列元 给电流的大小和相位,下 页,上 页,返 回,图 4.7.2 微波接力示意图,微波接力通信,图 4.7.4 同步卫星建立全球通信,下 页,上 页,返 回,图 4.7.1 视距与天线高度的关系,图 4.7.3 通信卫星,1.在静止轨道上放置太阳能电池帆板，产生500万,2.通过“变电站”微波发生器，将直流功率变 为微波功率；,3.通过天线阵向地面 定向辐射；,4.地面接收站将微波 转换为电能；,5.提供用户。,kW能量；,图 4.7.5 空间太

21、阳能发电站和电力传输,返 回,对波动方程取散度,得,代入洛仑兹条件,从洛仑兹条件证明电流连续性原理,下 页,返 回,交换微分次序,将波动方程(2)代入上式，得,整理得,上 页,返 回,下 页,返 回,天 线,陕西省广播电台中波天线,下 页,上 页,返 回,微波发射天线,微波接收天线,下 页,上 页,返 回,陕西省电视塔,上海市电视塔,下 页,上 页,返 回,下 页,上 页,返 回,微 波 天 线,下 页,上 页,返 回,微 波 天 线,下 页,上 页,返 回,微 波 天 线,上 页,返 回,微 波 天 线,图 4.6.14 一个简单的天线阵,画出了r l 时的辐射图。两个波的天线间距为 l/2

22、 激发的相位一致。曲面上的矢径长表示E的数值对q和j 的函数关系。曲面上,的曲线，是 j 为常数的曲线，每隔 10 度画一条。为清楚起见，曲面切成了两半。沿着y轴的方向，两个波相加，合成的电场强度是单个天线所产生的两倍。这点,在整个yz平面上都对，只要r l。沿着 x 轴，两个波相位相反而互相抵消了。在 xz平面的其他方向上，波并不完全抵消，因为路程差比 l/2 小。每个天线在z轴上的场,都是零，所以天线阵的场也是零。,下 页,返 回,图 4.6.15 两个波天线,用竖粗线表示,相距l/2,但是在 x=-D/2的一个相位超前p弧度。此时两个波在y z平面上到处都对消了。在 x 轴上的所有点上，

23、两个波相位,一致，得到二倍于单个天线的场强。在 z 轴的方向上还是没有辐射。,上 页,返 回,同时得出结论：光是电磁波的一种形式，揭示了光现象和电磁现象之间的联系。1888年德国物理学家赫兹用实验验证了电磁波的存在。麦克斯韦于1873年出版了科学名著电磁理论。系统、全面、完美地阐述了电磁场理论。这一理论成为经典物理学的重要支柱之一。在热力学与统计物理学方面麦克斯韦也作出了重要贡献，他是气体动理论的创始人之一。1859年他首次用统计规律棗麦克斯韦速度分布律，从而找到了由微观量求统计平均值的更确切的途径。1866年他给出了分子按速度的分布函数的新推导方法，这种方法是以分析正向和反向碰撞为基础的。他引入了驰豫时间的概念，发展了一般形式的输运理论，并把它应用于扩散、热传导和气体内摩擦过程。1867年引入了“统计力学”这个术语。麦克斯韦是运用数学工具分析物理问题和精确地表述科学思想的大师，他非常重视实验，由他负责建立起来的卡文迪什实验室，在他和以后几位主任的领导下，发展成为举世闻名的学术中心之一。他善于从实验出发，经过敏锐的观察思考，应用娴熟的数学,返 回,雷 达,设置在海上的卫星遥感浮标,下 页,返 回,遥感卫星接收解调技术,微波通讯,下 页,上 页,返 回,微 波 通 讯,雷 达,下 页,上 页,返 回,遥感卫星影像的应用,雷 达,上 页,返 回,