電磁場與電磁波物理基礎(chǔ)

1、目 錄電荷守恒定律真空中靜電場的基本規(guī)律真空中恒定(hngdng)磁場的基本規(guī)律媒質(zhì)的電磁特性電磁感應(yīng)定律和全電流定律麥克斯韋方程組共三十三頁結(jié)構(gòu)圖庫侖定律(k ln dn l)安培(npi)定律真空中靜電場的基本規(guī)律真空中恒定磁場的基本規(guī)律媒質(zhì)的電磁特性靜態(tài)場的一般規(guī)律法拉第電磁感應(yīng)定律麥克斯韋的兩大假設(shè)麥克斯韋方程組共三十三頁一、電荷(dinh)守恒定律共三十三頁二、真空(zhnkng)中靜電場的基本規(guī)律共三十三頁二、真空(zhnkng)中靜電場的基本規(guī)律【例2.1】已知真空中在半徑為a的球形空間內(nèi)，分布有呈球?qū)ΨQ對稱形態(tài)的電荷，若已知電荷分布為 ，求場分布?！痉治觥侩姾煞植嫉那?qū)ΨQ導(dǎo)致場

2、分布：【解】方法(fngf)1：共三十三頁二、真空(zhnkng)中靜電場的基本規(guī)律【例2.1】已知真空中在半徑為a的球形空間內(nèi)，分布有呈球?qū)ΨQ對稱形態(tài)的電荷，若已知電荷分布為 ，求場分布?！痉治觥侩姾煞植嫉那?qū)ΨQ(duchn)導(dǎo)致場分布：【解】方法2：試證明共三十三頁三、真空中恒定(hngdng)磁場的基本規(guī)律共三十三頁三、真空中恒定(hngdng)磁場的基本規(guī)律【例2.2】已知金屬線圓環(huán)半徑(bnjng)為a，載有恒定電流I，求電流圓環(huán)軸線上任意點(diǎn)的【解】共三十三頁四、媒質(zhì)的電磁(dinc)特性：基本概念媒質(zhì)(mizh)的分類1絕緣體導(dǎo)電媒質(zhì)（導(dǎo)體）電介質(zhì)磁介質(zhì)極化現(xiàn)象磁化現(xiàn)象加電場加磁場

3、共三十三頁四、媒質(zhì)(mizh)的電磁特性：電介質(zhì)電介質(zhì)極化(j hu)線性介質(zhì)共三十三頁四、媒質(zhì)的電磁(dinc)特性：電介質(zhì)【例2.3】一個半徑為a的導(dǎo)體球，帶電量為Q，在導(dǎo)體球外套有外半徑為b的同心介質(zhì)球殼， 殼外是空氣，如圖所示。求空間任一點(diǎn)的 以及束縛電荷密度。 【解】介質(zhì)(jizh)內(nèi)：介質(zhì)外:共三十三頁四、媒質(zhì)(mizh)的電磁特性：電介質(zhì)【例2.3】一個半徑為a的導(dǎo)體球，帶電量為Q，在導(dǎo)體球外套有外半徑為b的同心介質(zhì)球殼， 殼外是空氣，如圖所示。求空間任一點(diǎn)的 以及束縛電荷密度。 【解】介質(zhì)內(nèi)表面 的束縛電荷面密度： 介質(zhì)外表面 的束縛電荷面密度： 共三十三頁四、媒質(zhì)的電磁(di

4、nc)特性：磁介質(zhì)磁介質(zhì)磁化(chu)線性介質(zhì)共三十三頁四、媒質(zhì)的電磁(dinc)特性：磁介質(zhì) 【例2.4】 有一磁導(dǎo)率為 ，半徑為a 的無限長導(dǎo)磁圓柱(yunzh)，其軸線處有無限長的線電流I，圓柱外是空氣（0 ），如圖所示。試求圓柱內(nèi)外的 B，H 與 M 的分布?！窘狻看艌鰹槠叫衅矫鎴?且具有軸對稱性，磁感應(yīng)強(qiáng)度磁化強(qiáng)度長直導(dǎo)磁圓柱的磁化電流共三十三頁四、媒質(zhì)(mizh)的電磁特性：導(dǎo)電媒質(zhì)(mizh)lUJS結(jié)論(jiln)：在外源的作用下，大多數(shù)導(dǎo)電媒質(zhì)中某點(diǎn)的傳導(dǎo)電流密度 J 與該點(diǎn)的電場強(qiáng)度 E 成正比，即式中 稱為電導(dǎo)率，其單位為 S/m 。上式又稱為歐姆定律 的微分形式。共三十

5、三頁四、媒質(zhì)的電磁(dinc)特性：導(dǎo)電媒質(zhì) 設(shè)在恒定電流場中，沿電流方向取一個長度(chngd)為 dl，端面為 dS 的小圓柱體，如圖所示。電場力作的功為 dlUJdS電場損失的功率 P 為 那么，單位體積中的功率損失為當(dāng) J 和 E 的方向不同時，上式可以表示為下面一般形式 此式稱為焦耳定律的微分形式試推導(dǎo)電路的焦耳定律共三十三頁四、媒質(zhì)(mizh)的電磁特性：導(dǎo)電媒質(zhì)(mizh)電導(dǎo)率為無限大的導(dǎo)體稱為理想導(dǎo)電體。在理想導(dǎo)電體中，無需電場推動即可形成電流(dinli)。在理想導(dǎo)電體中是不可能存在恒定電場的。電導(dǎo)率為零的媒質(zhì)，不具有導(dǎo)電能力，這種媒質(zhì)稱為理想介質(zhì)。 媒 質(zhì)電導(dǎo)率(S/m)

6、媒 質(zhì)電導(dǎo)率(S/m)銀海 水4紫 銅淡 水金干 土鋁變壓器油黃 銅玻 璃鐵橡 膠共三十三頁五、電磁感應(yīng)(dinc-gnyng)定律共三十三頁六、全電流(dinli)定律LI 傳導(dǎo)電流與位移電流共三十三頁六、全電流(dinli)定律【例2.5】計(jì)算銅中的位移電流密度和傳導(dǎo)電流密度的比值。設(shè)銅中的電場為 ，銅的電導(dǎo)率 ， 。【解】銅中的傳導(dǎo)電流(chun do din li)大小為 銅中的位移電流大小為幅值比為共三十三頁七、麥克斯韋(mi k s wi)方程組注：分界面兩邊的媒質(zhì)(mizh)都是有限電導(dǎo)率，則JS=0共三十三頁七、麥克斯韋(mi k s wi)方程組媒質(zhì)1媒質(zhì)2PSh0h0共三十

7、三頁七、麥克斯韋(mi k s wi)方程組媒質(zhì)1媒質(zhì)2共三十三頁七、麥克斯韋(mi k s wi)方程組兩種理想(lxing)介質(zhì)分界面上的邊界條件2. 理想導(dǎo)體表面上的邊界條件理想導(dǎo)體共三十三頁【例1】 兩種電介質(zhì)的相對介電常數(shù)分別為 ，其分界面為z=0平面(pngmin)。如果已知介質(zhì)1中的電場為 ，那么對于介質(zhì)2中的 ，我們可得到什么結(jié)果？能否求出介質(zhì)2中任意點(diǎn)的 ？七、麥克斯韋(mi k s wi)方程組 【解】 設(shè)在介質(zhì)2中在z=0處，由可得共三十三頁【例1】 兩種電介質(zhì)的相對介電常數(shù)分別為 ，其分界面為z=0平面。如果已知介質(zhì)1中的電場為 ，那么對于介質(zhì)2中的 ，我們可得到(d

8、do)什么結(jié)果？能否求出介質(zhì)2中任意點(diǎn)的 ？七、麥克斯韋(mi k s wi)方程組【解】于是得到 故得到介質(zhì)2中E2和D2的在z=0處的表達(dá)式分別為不能求出介質(zhì)2中任意點(diǎn)的E2和D2，介質(zhì)中任意點(diǎn)的電場與邊界面上的電場不相同。共三十三頁七、麥克斯韋(mi k s wi)方程組【例2】電介質(zhì)透鏡可以用來使電場平直化，如圖所示的透鏡的左表面(biomin)為圓柱面，右表面(biomin)為平面。若區(qū)域1中的點(diǎn)P（r0,450,z）處 ，為了使區(qū)域3中的電場平行于軸，透鏡的相對介電常數(shù)應(yīng)為多少？ 【解】根據(jù)邊界條件，在點(diǎn)P處應(yīng)有 ，即解方程得共三十三頁附A無極性分子有極性分子圖 電介質(zhì)的極化 電介

9、質(zhì)在外電場E作用(zuyng)下發(fā)生極化，形 成有向排列的電偶極矩； 電介質(zhì)內(nèi)部和表面產(chǎn)生極化電荷； 極化電荷與自由電荷都是產(chǎn)生電場的源。介 質(zhì)合成(hchng)場Ea+ Es極 化二次場Es外加場Ea共三十三頁附A用極化(j hu)強(qiáng)度P 表示電介質(zhì)的極化程度，即 的方向從負(fù)極化電荷指向正極化電荷。 實(shí)驗(yàn)(shyn)結(jié)果表明，在各向同性、線性、均勻介質(zhì)中均勻：媒質(zhì)參數(shù)不隨空間坐標(biāo)（x,y,z）而變化。各向同性：媒質(zhì)的特性不隨電場的方向而改變,反之稱為各向異性；線性：媒質(zhì)的參數(shù)不隨電場的值而變化；共三十三頁附B無外磁場作用時，媒質(zhì)對外不顯磁性， 圖1 磁偶極子圖2 磁偶極子受 磁場力而轉(zhuǎn)動磁偶

10、極子磁偶極矩在外磁場作用下，磁偶極子發(fā)生旋轉(zhuǎn)，對外呈現(xiàn)磁性，稱為磁化現(xiàn)象。 用磁化強(qiáng)度M 表示磁化的程度，即圖3 媒質(zhì)的磁化在外磁場作用下，磁偶極子發(fā)生旋轉(zhuǎn)(xunzhun),轉(zhuǎn)矩為 Ti=miB ， 旋轉(zhuǎn)方向使磁偶極矩方向與外磁場方向一致共三十三頁附B模型 電量產(chǎn)生的電場與磁場電偶極子磁偶極子共三十三頁附C感生電動勢:回路不變，磁場隨時間變化(binhu),這是變壓器工作的原理動生電動勢：回路(hul)切割磁力線，磁場不變，這是發(fā)電機(jī)工作原理，又稱為發(fā)電機(jī)電勢。共三十三頁內(nèi)容摘要目 錄。電磁感應(yīng)定律和全電流定律?！纠?.1】已知真空中在半徑為a的球形空間內(nèi)，分布有呈球?qū)ΨQ對稱?！纠?.2】已知金屬線圓環(huán)半徑為a，載有恒定電流I，求電流圓環(huán)軸線上。四、媒質(zhì)的電磁特性：導(dǎo)電媒質(zhì)。四、媒質(zhì)的電磁特性：導(dǎo)電媒質(zhì)?！纠?.5】計(jì)算銅中的位移電流密度和傳導(dǎo)電流密度的比值。2. 理想導(dǎo)體表面上的