麥克斯韋電磁場理論電磁波解析PPT學習教案

1、會計學1 麥克斯韋電磁場理論電磁波解析麥克斯韋電磁場理論電磁波解析 1865 年麥克斯韋在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)年麥克斯韋在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ) 上，提出完整的電磁場理論，他的主要貢獻是上，提出完整的電磁場理論，他的主要貢獻是 提出了提出了“有旋電場有旋電場”和和“位移電流位移電流”兩個假設(shè)，兩個假設(shè)， 從而預(yù)言了電磁波的存在，并計算出電磁波的從而預(yù)言了電磁波的存在，并計算出電磁波的 速度（即速度（即光速光速）. 1888 年赫茲的實驗證實了他的預(yù)言年赫茲的實驗證實了他的預(yù)言, 麥克麥克 斯韋理論奠定了經(jīng)典動力學的基礎(chǔ)，為無線電斯韋理論奠定了經(jīng)典動力學的基礎(chǔ)，為無線電 技術(shù)和現(xiàn)代電子通訊技術(shù)發(fā)展開辟

2、了廣闊前景技術(shù)和現(xiàn)代電子通訊技術(shù)發(fā)展開辟了廣闊前景. 00 1 c ( 真空中 ) 第1頁/共27頁 引言：引言： 靜電場靜電場 0 l dE 0 i q SdE 0 SdB i Il dB 0 穩(wěn)恒磁場穩(wěn)恒磁場 電電電電磁磁電電 Sd t B l dE 變化磁場變化磁場感應(yīng)電場感應(yīng)電場 變化電場變化電場 ？ 麥克斯韋又敏銳提出了：麥克斯韋又敏銳提出了： 變化電場變化電場渦旋磁場渦旋磁場 產(chǎn)生產(chǎn)生 如何提出？如何提出？ 感應(yīng)磁場感應(yīng)磁場 第2頁/共27頁 1.引入引入 Il dH S1 S2 R I C 在電容器的充放電過程中：在電容器的充放電過程中： 以左極板邊緣取為積分回路以左極板邊緣取為

3、積分回路L， 并以并以L為邊界作曲面為邊界作曲面S1、S2。(見見130頁頁) 對對S1面：面： 對對S2面：面：0 l dH 相相矛盾矛盾！ 安培環(huán)路定理有問題？安培環(huán)路定理有問題？ 否！否！ 安培環(huán)路定理對非穩(wěn)恒情況不適用。安培環(huán)路定理對非穩(wěn)恒情況不適用。 I S1 極板極板q(t)(t 極板間極板間D(t) S2 )(t D 麥克斯韋分析矛盾后，指出：麥克斯韋分析矛盾后，指出： 大膽地從理論上提出：大膽地從理論上提出：位移電流的概念位移電流的概念. 一、一、 位移電流位移電流 第3頁/共27頁 I S1S2 以左極板為例，如圖取高斯面：以左極板為例，如圖取高斯面： iD qSdD 側(cè)SS

4、S SdDSdDSdDSdD 21 2 2 S s sdD 極板極板 q 穿過穿過S1的電流：的電流： dt dq Is 1 dt dq極板 極板 2 s SdD dt d 位移電流位移電流 變化電場變化電場 若若S2面不隨時間面不隨時間t變化：變化： Sd t D I s s 2 1 dt d s2 有電流有電流 的量綱的量綱 R I C 2.定義：定義： dt d I D d Sd t D 位移電流 位移電流密度：位移電流密度： t D jd t E 第4頁/共27頁 電容充電：電容充電： q D D t D / Djd /I/ 電容放電：電容放電： q DD t D Djd I Ij/

5、結(jié)論結(jié)論：在電容器中，不計邊緣效應(yīng)：在電容器中，不計邊緣效應(yīng) Id總 總=I，極板中斷 ，極板中斷 的電流由的電流由Id接替，保持電流的連續(xù)性。接替，保持電流的連續(xù)性。 位移電流：位移電流： t D jd Sd t D I R I C 麥克斯韋假設(shè) 電場中某一點位移電流密度等 于該點電位移矢量對時間的變化率. 第5頁/共27頁 在非穩(wěn)恒情況，往往是傳導電流與位移電流同時在非穩(wěn)恒情況，往往是傳導電流與位移電流同時 存在，兩者之和的電流總是閉合的。存在，兩者之和的電流總是閉合的。 S1 S2 R I C 對對S1面：面：Il dH 對對S2面：面： d Il dH 而：而：I = Id 3、位移電

6、流（、位移電流（變化電場變化電場）產(chǎn)生的磁場。）產(chǎn)生的磁場。 S t D t l dH S D L d d d Id在激發(fā)磁場方面完全等效于在激發(fā)磁場方面完全等效于Ic Id所激發(fā)的磁場所激發(fā)的磁場H(B)與其成右手螺旋關(guān)系：與其成右手螺旋關(guān)系： 第6頁/共27頁 0 t D Djd / d j )(BH D 0 t D Djd d j D )(BH 4、傳導電流與位移電流的比較、傳導電流與位移電流的比較 位移電流位移電流Id的實質(zhì)是變化電場！的實質(zhì)是變化電場！0,0 D j t D 2. Ic產(chǎn)生焦耳熱而產(chǎn)生焦耳熱而Id不產(chǎn)生焦耳熱！不產(chǎn)生焦耳熱！ Ic 和和Id以共同的形式激發(fā)磁場。以共同

7、的形式激發(fā)磁場。 1. 傳導電流傳導電流Ic和電荷的宏觀定向運動有關(guān)和電荷的宏觀定向運動有關(guān),而而 共同點 不同點 3. Ic只存在于導體中，而只存在于導體中，而Id可存在于導體、介質(zhì)可存在于導體、介質(zhì) 和真空中。和真空中。 第7頁/共27頁 S t D Sj t I IIIl dH SS D c dcS L dd d d 二二.全電流安培環(huán)路定理：全電流安培環(huán)路定理： 即：磁場強度即：磁場強度H沿任意閉合環(huán)路的積分等于穿過此環(huán)路的傳沿任意閉合環(huán)路的積分等于穿過此環(huán)路的傳 導電流與位移電流的代數(shù)和。導電流與位移電流的代數(shù)和。 第8頁/共27頁 三、麥克斯韋方程組的積分形式三、麥克斯韋方程組的積

8、分形式 0 l dE i qSdD 0 SdB i Il dH l dEEl dE ie )( 變化磁場變化磁場 產(chǎn)生電場產(chǎn)生電場 變化電場變化電場 產(chǎn)生磁場產(chǎn)生磁場 穩(wěn)恒穩(wěn)恒 情況情況 的電的電 磁場磁場 規(guī)律規(guī)律 Sd t B 將高斯定理也推廣到一般：將高斯定理也推廣到一般： 電場：電場： 自由電荷的電場自由電荷的電場 i qSdD 變化磁場的電場變化磁場的電場 0 SdD i qSdD 任意電場任意電場 磁場磁場 傳導電流傳導電流 I 的磁場的磁場0 SdB 0 SdB 位移電流位移電流 Id的磁場的磁場 0 SdB 任意電流任意電流 Sd t D Il dH Sd t B l dE i

9、 qSdD 0 SdB 麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組 第9頁/共27頁 第10頁/共27頁 2.各方程的各方程的物理意義：物理意義： 1.麥克斯韋方程組：麥克斯韋方程組： (1)(1)在任何電場中，通過任何閉合曲面的電通量等于該閉合在任何電場中，通過任何閉合曲面的電通量等于該閉合 曲面內(nèi)自由電荷的代數(shù)和。曲面內(nèi)自由電荷的代數(shù)和。有源場有源場 (2)(2)在任何磁場中，通過任何閉合曲面的磁通量恒等于在任何磁場中，通過任何閉合曲面的磁通量恒等于0 0。 無源場無源場 (3)(3)一般地，電場強度一般地，電場強度E E沿任意閉合環(huán)路的積分等于穿過該環(huán)沿任意閉合環(huán)路的積分等于穿過該環(huán) 路磁通量隨時間變

10、化率的負值。路磁通量隨時間變化率的負值。 有旋場有旋場 (4)(4)磁場強度磁場強度H H沿任意閉合環(huán)路的積分，等于穿過該環(huán)路傳導沿任意閉合環(huán)路的積分，等于穿過該環(huán)路傳導 電流和位移電流的代數(shù)和。電流和位移電流的代數(shù)和。 有旋場有旋場 Sd t D Il dH Sd t B l dE i qSdD 0 SdB (1) (2) (3) (4) 第11頁/共27頁 麥克斯韋完善了電磁場理論，預(yù)言了麥克斯韋完善了電磁場理論，預(yù)言了 電磁波的存在，并計算出電磁波在真空電磁波的存在，并計算出電磁波在真空 的速度為：的速度為： oo C 1 3108 m/s 第12頁/共27頁 第13頁/共27頁 一、一

11、、 電磁波的產(chǎn)生電磁波的產(chǎn)生 u E H 1.凡做加速運動的電荷都是電磁波的波源 例如：天線中的振蕩電流 分子或原子中電荷的振動 2. 對電磁波 )(cos 0 u r tEE )(cos 0 u r tHH 二、平面簡諧電磁波的性質(zhì) 1. 2. 電磁波是橫波 的描述（平面簡諧波）的描述（平面簡諧波）H,E E H 和和 傳播速度相同、 相位相同相位相同 u/HE O x y z 第14頁/共27頁 HE3.量值上量值上 4. 波速 1 u 18 00 sm1099792 1 .c 5. 電磁波具有波的共性 在介質(zhì)分界面處有反射和折射 u c n 00 rr r 2 2 1 Ew 三、 電磁波

12、的能量密度 真空中 折射率折射率 2 2 1 H 第15頁/共27頁 能流密度 dA u S uw tA wtuA S dd dd 1 ) 2 1 ( 2 1 22 HE HE EH HES 波的強度 I Tt t tS T SSId 1 Tt t t u r tHE T )d(cos 1 2 00 2 0 2 1 E 結(jié)論：I 正比于 E02 或 H02 tud 坡印亭矢量坡印亭矢量 （坡印亭矢量）（坡印亭矢量） S 第16頁/共27頁 解決途徑： (1)提高回路振蕩頻率 LC 1 LC回路能否有效地發(fā)射電磁波回路能否有效地發(fā)射電磁波 (1)振蕩頻率太低振蕩頻率太低 LC電路的輻射功率 4

13、S (2)電磁場僅局限于電容器和自感線圈內(nèi)電磁場僅局限于電容器和自感線圈內(nèi) LC回路有回路有兩個缺點兩個缺點： ? (2)實現(xiàn)回路的開放 四、四、 振蕩電路振蕩電路 赫茲實驗赫茲實驗 第17頁/共27頁 從從LC振蕩電路振蕩電路 到振蕩電偶極到振蕩電偶極 子子 q q i l d S C 0 VnL 2 0 第18頁/共27頁 振子振子 發(fā)射發(fā)射 諧振器諧振器 接收接收 電磁波的接收電磁波的接收 感應(yīng)圈感應(yīng)圈 A B C D 第19頁/共27頁 赫茲-德國物理學家 赫茲對人類偉大的貢獻是 用實驗證實了電磁波的存在， 發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。 1888年，成了近代科學史上的 一座里程碑。開創(chuàng)了無線電電子

14、技術(shù) 的新紀元。 赫茲對人類文明作出了很大貢獻，正當人們對 他寄以更大期望時，他卻于1894年因血中毒逝世， 年僅36歲。為了紀念他的功績，人們用他的名字來 命名各種波動頻率的單位，簡稱“赫”。 第20頁/共27頁 五、五、 電磁波譜電磁波譜 將電磁波按將電磁波按 波長波長或或頻率頻率 的順序排列的順序排列 成譜成譜 X射線 紫外線 紅外線 微 波 毫米波 短無線電波 射線 頻率 (Hz) 波長 (m) 25 10 20 10 10 10 5 10 0 10 15 10 15 10 10 10 0 10 5 10 5 10 長無線電波 可見光 第21頁/共27頁 電磁波的應(yīng)用 從1888年赫茲

15、用實驗證明了電磁波的存在， 1895年俄國科學家波波夫發(fā)明了第一個無線電報系統(tǒng)。 1914年語音通信成為可能。 1920年商業(yè)無線電廣播開始使用。 20世紀30年代發(fā)明了雷達。 40年代雷達和通訊得到飛速發(fā)展， 自50年代第一顆人造衛(wèi)星上天，衛(wèi)星通訊事業(yè)得到迅猛發(fā)展。如今電磁波已在通訊、遙感、空間控測、軍事應(yīng)用、科學研究等諸多方面得到廣泛的應(yīng)用。 第22頁/共27頁 光是電磁波光是電磁波 光色光色 波長波長(nm) 頻率頻率(Hz) 中心波長中心波長 (nm) 紅紅 760622 660 橙橙 622597 610 黃黃 597577 570 綠綠 577492 540 青青 492470 4

16、80 蘭蘭 470455 460 紫紫 455400 430 1414 10841093. 1414 10051084. 1414 10451005. 1414 10161045. 1414 10461016. 1414 10661046. 1414 10571066. 可見光七彩顏色的波長和頻率范圍可見光七彩顏色的波長和頻率范圍 第23頁/共27頁 課后練習課后練習: 選擇題選擇題： 14-11, 12, 13，14, 20 計算題：計算題：14-26, 32 第24頁/共27頁 例例2 一導線矩形框的平面與磁感強度為一導線矩形框的平面與磁感強度為 的均的均 勻磁場相垂直勻磁場相垂直.在此矩形框上在此矩形框上,有一質(zhì)量為有一質(zhì)量為 長為長為 的的 可移動的細導體棒可移動的細導體棒 ; 矩形框還接有一個電阻矩形框還接有一個電阻 , 其值較之導線的電阻值要大得很多其值較之導線的電阻值要大得很多.若開始時若開始時,細導體細導體 棒以速度棒以速度 沿如圖所示的矩形框運動沿如圖所示的矩形框運動,試求棒的速率試求棒的速率 隨時間變化的函數(shù)關(guān)系隨時間變化的函數(shù)關(guān)系. m l B MNR 0 v 解解 如圖建立坐標如圖建立坐標 棒所受安培力棒所