麦克斯韦方程组和电磁辐射.ppt

第十一章 麦克斯韦方程组和电磁辐射 电磁学的基本规律： 库仑定律、 场强高斯定律、 场强环流定理、 毕奥萨伐尔定律、 磁场高斯定律、 安培环路定理、 法拉第电磁感应定律 电磁学最辉煌的时期 十八世纪末 十九世纪上半页 发电机、 电动机、 变压器、 电灯、 电话、 电报、 各种电器 人类进入了电的世界 科学的发展无止境 社会的文明进步无止境 电磁学是否存在更加完整、更加统一的理论？ 英国物理学家麦克斯韦 总结了电磁学的全部成就 加以发展和创新 提出了统一的电磁场理论 简洁、优美的数学语言 麦克斯韦方程组 力学中的牛顿定律 力学和电磁学的讨论方法不同！ （还不足以反映该方程组的重要性） 一 .稳恒场 的基本规律 Vi n tS dVqSdD2 、 L 0ldE1 、 V 0 dV1 S 0SdB3 、 L i n t0 IldB4 、 有介质时： L 0ldE1 、 i n t 0S q1SdE2 、 S 0SdB3 、 L i n tIldH4 、 S0 SdJ S SdJ ED HB 二 .麦克斯韦的基本假设 2.关于位移电流的假设： 1.关于感生电场的假设： 变化的磁场可以在周围空间激发感生电场 . SdtBSdBdtddtd ldE SS m L i 如前所述： (1)问题的提出： 安培环路定理 ： L i n tIldH S c SdJ 对非恒定电流是否还成立？ L C I R S1 S2 以电容器充电过程为例： 显然不成立！ ?dlHL (2)位移电流的假说 ： 全电流 L C I R 麦克斯韦大胆假设： 电容器中传导电流中断了，但 随着电容器被充电，这里的电 场是变化的 ; 变化的电场 位移电流 Id 磁场 L dc II(ldH ） dc II 对全电流，安培环路定理仍然成立。 (3)位移电流的大小和方向： 极板上电荷的增量： dtIdq C dtdSdtdqI C S SDSSdD 取如图所示高斯面： S S I + + + + + + - - - - - - q q E D 两板间取一截面： DSD dt dDS dt d D dt dS S Sd SdJs d SdD dt d dt dI s D d Sd)tDJ( s c ;dtdSdtdqI C dt dS dt d D S S I + + + + + + - - - - - - q q E S 令： dt dI D d Ic与 Id方向相同 ,II dc 则 : 分析充放电时的电流方向： t DJ d Sd)JJ(ldH ds cL 3.比较传导电流 Ic 和位移电流 Id ： 在激发磁场的效果上完全相同。 相同： SdtD S 电荷的定向移动形成、 产生焦耳热； 变化的电场产生、 不产生焦耳热。 不同： 传导电流 Ic： 存在于导体中、 位移电流 Id： 存在于电场变化波及的任何空间、 位移电流假设的实质： 变化的电场可以等效位移电流，激发磁场。 有了感生电场的假设： kj EEE kj DDD L L L kj ldEldEldE SdtBS = 0 S S kjS SdESdESdE i n t 0 q1 S S S kj SdDSdDSdD 或： i n tq V dV V 0 dV1 = 0 = 0 有了位移电流假设： dc III dc BBB dc HHH S S S dc SdBSdBSdB = 0 = 0 0 L ldB )II( dc0 Sd)tDJ()II(ldH s cdcL Sd)tEJ( S 0c0 或： 0SdB2 s 、 Sd t B dt dldE3 sL 、 )II(ldB dc0L dV1q1SdE1 V 0 i n t 0 s 、 三 .麦克斯韦方程组的积分形式 S V dVSdD Sd)tDJ()II(ldH4 s cdcL 、 适用于非恒定场 或 或 Sd) t EJ( s 0c0 四 .麦克斯韦电磁场理论的重要意义 1、全面概括了电磁学的规律； 2、预言了电磁波的存在； 3、揭示了光的电磁本质。 五 .振荡偶极子的电磁辐射 LC I c q dt dIL ) dt dqI( )tc o s (qq 0 LC 12 LC 1 2 1 qLC1dt qd 2 2 解出： )ts i n (II 0 电荷 q、 电流 I周期变化，因而 W c、 Wl也周期变化 频率： 辐射强度 4 为提高 减小 L 减小 C (L N2) (C S/d) 为向空间辐射： 放开电路。 L C + + + + - - - - I I L C C I + + + - - - L I + + + - - - I . . +q -q l 振荡电偶极子的电磁辐射 六 .电磁波的性质 1.电磁波是横波 、 、传播方向成右手螺旋关系； HE 2. 与 分别在各自的平面上振动； )B(HE 3. 与 同相位变化； E )B(H E x H 0 HE 00 CBE 4.任一时刻，任一点处的 与 的大小成正比 HE 5、真空中电磁波波速 00 1C n CC1u rr 介质中： 七 .电磁波的能量 坡印廷矢量 : HES 能流密度： wcs 2 0m H2 1w 2 0e E2 1w 2 0 2 0 H2 1E 2 1w 再将 o0 1c HE, 00 代入，得： EH1HE 2 1S 00 2 0 2 0 H E S n c 单位面积 电磁波谱 : 1.无线电波 m1010 35 2.红外线 m10106.7 47 3.可见光 )A4000A7600( 4.紫外线 )A50A4 0 0 0( 5.X射线 )A10A10( 22 6. 射线 )A1( 中波 短波 超短波 微波 长波 光辐射 一 . 质点运动学 期末复习指导 重点： 1. 由运动方程求 速度、加速度 ； （直角坐标系下；自然坐标系下的 切向和 法向加速度） 2. 利用初始条件 由速度、加速度求运动方程 。 次重点： 2.参照系变换（伽利略变换）。 （矢量性、瞬时性、叠加性、相对性） 书上和课上所有画星号的内容均不要求！ 1. 对 、 、 、 、的 正确理解 ； r v ar 二 . 质点动力学 重点： 1. 对牛顿运动定律的进一步应用； （适用于惯性系； 变力、曲线运动、相对 运动等 情况下的应用） （适用于惯性系；变力的冲量、矢量性、系统 的选取、 守恒的条件、参照系变换 等） 2.对动量定理和动量守恒定律的掌握和应用； 3. 对质点动能定理的掌握和应用； （ 适用于惯性系； 变力的功、功与动能的相对性 ） 次重点： 4. 对机械能守恒定律的进一步应用； （ 适用于惯性系；系统的选取、守恒的条 件、参照系变换 ） 质点的角动量及其守恒定律的简单应用； 三 . 刚体力学 重点： 1. 定轴转动定律及其应用； 2. 对定轴的角动量守恒定律及其应用； 3. 含刚体系统的机械能守恒定律； 记住典型刚体的转动惯量（ 细杆、圆盘、圆环 ). 四 .相对论 重点： 一 . 狭义相对论的基本假设 要求： 完整、准确表述。 1. 相对性原理： 2. 光速不变原理： 二 . 洛仑兹变换式 要求： 记准确、简单应用 . 三 . 时空的相对性 1. 同时的相对性： 注意：静系中不同地点同时发生 2. 时间延缓： 注意：事件发生在静系中的同一地点 3. 长度收缩： 注意：动系中同时测 要求： 准确理解、简单应用 次重点： 一 . 洛仑兹速度变换； 要求： 一维、课上例题水平。 二 . 相对论质量； 三 . 相对论能量； 四 . 相对论动能公式： 要求： 准确理解、简单应用 . 五 . 静电场 1. 电场强度： 灵活运用叠加 原理求场强 ； 2. 高斯定律：表述、物理含义、 求无限长带电 线、无限大带电面、均匀带电球体、均匀带电 球面、柱面、柱体等带电体的场强； 3. 电势：由定义求电势；灵活 运用电势叠加 原理 求电势；求电势差 ； 注意：电势参考点的选取 4. 导体静电平衡条件、静电平衡时导体上电荷 的分布规律（ 球、柱、板、接地的情况 ） 及分 布后场强、电势 、 电势差 的计算； 重点： 1. 场强环流定理； 表述、物理意义、简单证明题； .有介质时的高斯定律 ； . 电势能； . 电场力的功； 六 .恒定电流 1. 欧姆定律的微分形式：物理意义 次重点： 次重点： 3. 一段含源电路的欧姆定律； 2. 电流强度与电流密度的概念 ； 无单独定量要求！ .电容器：电容的定义、 计算、储能 ； 6. 静电场的能量， 两种算法 ； 七 . 磁场 1. 毕 萨定律； 表达式、物理含义、应用 毕 萨定律求磁感应强度 B （记住：一段直电流、园电流的磁场表达式） 2. 安培环路定理： 表达式、物理含义、灵活 运用安培环路求磁感应强度 B （记住：无限长直电流、螺线管、螺绕环、圆 筒、圆柱状电流的磁感应强度 表达式） B 3. 磁场对运动电荷、电流、载流线圈的作用力： 表达式、灵活运用 ； 1. 有介质时的安培环路定理； 重点： 次重点： 3.磁力的功； 六 .电磁感应 1. 动生电动势： 起因、表达式、两种计算方 法（平动、转动、均匀场、非均匀场、直线、 弯线、闭合、不闭合 .） 2.感生电动势： 起因、表达式、两种计算方法 （柱对称变化磁场：闭合回路的、两点间的 ） 4. 霍尔效应； 重点： 2. 磁场高斯定律； 4.自感与互感： 两个定义、灵活运用定义求各 种给定回路的自感系数、互感系数并会求自感、 互感电动势； . 磁场能量： 两种求法 ; . 麦克斯韦的两条基本假设 :准确表述、理 解其实质 ; . 麦克斯韦方程组的表达式： 每一项的物理 意义 . 次重点： 1.书上的相关内容； 2.课上例题； 4.指导书上的选择题、填空题、留作业的 计算题 ; 合理分配时间！ 不抠偏题、难题！ 注重基本概念！ 注重典型题！ 3.习题课上讨论题和计算题 ; 力学、相对论共 40分 ；电磁学 60分 ；附加 20分