麦克斯韦方程组和电磁波课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1,麦克斯韦电磁场方程组,一、积分形式,二、微分形式,三、麦克斯韦的贡献,四、电磁场的边界条件,1 麦克斯韦电磁场方程组,一、积分形式,通量,一、积分形式通量,环流,通量,重新整合写成电场和磁场各两个方程,环流通量重新整合写成电场和磁场各两个方程,积分形式,注意：,积分形式注意：,二、微分形式,1.,数学上的定理,Gauss,定理,Stokes,定理,直角坐标系中,二、微分形式Gauss定理Stokes定理直角坐标系中,2.,微分形式,积分形式,微分形式,2.微分形式积分形式微分形式,7,在界面处，场不连续，微分关系不能用了，,要代之以界面关系（也称边界条件）：,1,2,界面处自由电荷面密度,界面处传导电流密度,7在界面处，场不连续，微分关系不能用了，要代之以界面关系（也,8,1,2,如果,则边界关系为,边界条件推导,812如果则边界关系为边界条件推导,1.,完善了宏观的电磁场理论,四个微分方程,在确定的边界条件下联合解上述方程，原则上可解决电磁场的一般问题。,一个洛仑兹力,三个介质方程,三、麦克斯韦的贡献,（,）,1.完善了宏观的电磁场理论在确定的边界条件下联合解上述方程,2.,爱因斯坦相对论的重要实验基础,3.,预言电磁波的存在,由微分方程出发 在各向同性介质中,且在,情况下,满足的微分方程,形式,是,波动,方程,2.爱因斯坦相对论的重要实验基础情况下满足的微分方程形式是,是波动方程的形式,对沿,x,方向传播的电磁场,(,波,),有,1886,年赫兹发现了电磁波，证实了麦的预言,是波动方程的形式对沿 x 方向传播的电磁场(波)有18,四、电磁场的边界条件,物质分界面上 电场 磁场,(,电流,),1.,电场在分界面上的边界条件,介质,1,介质,2,介质,1,一侧紧邻界面,P,点的,P,1,点的场量,介质,2,一侧紧邻界面,P,点的,P,2,点的场量,分界面上一点,P,的情况,四、电磁场的边界条件1.电场在分界面上的边界条件介质1介质,法线分量的关系,在界面两侧 过,P,1,和,P,2,作底面平行界面的扁圆柱面,介质,2,处底面积记作,S,2,，介质,1,处记作,S,1,。,即,介质,1,介质,2,设界面处无自由电荷 即,之间的关系,因为,所以,法线分量的关系在界面两侧 过 P1 和 P2,由,得,由介质方程有,即,或,介质,1,介质,2,由得由介质方程有即或介质1介质2,在界面两侧过,P,1,和,P,2,点,作一平行界面的狭长的矩形回路,切线分量的关系,即,之间的关系,介质,1,介质,2,因为,所以,在界面两侧过 P1 和 P2 点 切线分量的关系即之,由,得,由介质方程有,即,或,介质,1,介质,2,由得由介质方程有即或介质1介质2,2.,磁场在物质分界面上的边界条件,界面某点,P,两侧的磁场场量的关系,过场点作扁圆柱面,得,由介质方程有,由,介质,1,介质,2,2.磁场在物质分界面上的边界条件界面某点P两侧的磁场场量的,有了场量边界关系,可为解题带来方便,过场点作狭长矩形回路,由于,有,得,由介质方程有,介质,1,介质,2,有了场量边界关系过场点作狭长矩形回路由于有得由介质方程有介质,2,电磁波,1.,平面电磁波的波动方程,变化的电场和变化的磁场不断地交替产生，由近及远以有限的速度在空间传播，形成,电磁波,。最初由麦克斯韦在理论上预言，,1888,年赫兹进行了实验证实。,在无限大均匀绝缘介质,(,或真空,),中，,=0,，,=0,，且介电常量,和磁导率,是常量。麦克斯韦方程简化为：,2 电磁波1.平面电磁波的波动方程 变化的电场,平面电磁波的波动方程,平面电磁波的波动方程,讨论一维问题,场量,E,和,H,是坐标,x,和时间,t,的函数。前述方程组可简化为：,平面电磁波的波动方程,讨论一维问题,场量E 和H 是坐标 x 和时间 t 的,经过一系列变换，得到,表明变化电磁场,E,y,和,H,z,是按波动形式传播。,去掉,E,y,和,H,z,的下标,y,和,z,，,得,（,E,沿,y,方向）,（,H,沿,z,方向）,平面电磁波,的波动方程,平面电磁波的波动方程,经过一系列变换，得到表明变化电磁场 Ey 和Hz 是按波动形,电磁波的波速,真空中的波速,平面电磁波的波动方程,电磁波的波速 真空中的波速 平面电磁波的波动方程,2.,电磁波的性质,电磁波是横波。,沿,x,轴正方向传播的平面余弦电磁波特解：,据 计算出,H,：,2.电磁波的性质电磁波是横波。沿 x 轴正方向传播的平面余弦,电磁波的性质,积分得,H,的振幅,H,和,E,有相同的频率,且两者同相位，二者满足瞬时关系：,电磁波的性质积分得 H的振幅 H 和E 有相同的,平面简谐电磁波的传播,(1),电磁波的电场和磁场都垂直于波的传播方向,三者相互垂直,并构成右手螺旋关系。电磁波是横波。,电磁波的一般性质：,电磁波的性质,平面简谐电磁波的传播 (1)电磁波的电场和磁场都垂直于波的,(4),任一时刻、空间任一点,E,和,H,在量值上满足,(2),沿给定方向传播的电磁波,E,和,H,分别在各自平面内振动，这种特性称为,偏振,。,(3),E,和,H,作周期性的变化，而且相位相同，同地同时达到最大，同地同时减到最小。,(5),电磁波的传播速度,通常,和,与电磁波的频率有关，在介质中不同频率的电磁波具有不同的传播速度，此即电磁波在介质中的,色散现象,。,电磁波的性质,(4)任一时刻、空间任一点,E 和H 在量值上满足 (2,3.,电磁波的能量,电磁波所携带的电磁能量，称为,辐射能,。单位时间内通过垂直于传播方向的单位面积的辐射能,称为,能流密度,或,辐射强度,。,电场和磁场的能量体密度分别为,电磁场的总能量体密度：,辐射能量的传播速度是电磁波的传播速度，辐射能的传播方向是电磁波的传播方向。,3.电磁波的能量 电磁波所携带的电磁能量，称为辐射能。单,电磁波的能量,d,A,P,点处垂直于电磁波,传播方向的微小面积,空间某点辐射强度的计算,d,l,底面积为,d,A,的小长方,体的高,d,A,P,d,l,小长方体中的电磁能量为,w,d,A,d,l,P,点处的辐射强度,S,：,波速,电磁波的能量dAP 点处垂直于电磁波空间某点辐射强度的计算,利用,得,辐射能的传播方向、,E,的方向及,H,的方向三者相互垂直，辐射强度用矢量式表示为：,辐射强度矢量,S,也称为,坡印廷,(,J.H.Poynting,),矢量,。,电磁波的能量,利用 得 辐射能的传播方向、E 的方向及H 的方向三者相,考虑平面余弦电磁波的情形,据辐射强度计算公式，得,取一个周期内的平均值，,的时间平均值为,1/2,，平均辐射强度,因,以 及，得,电磁波的能量,考虑平面余弦电磁波的情形 据辐射强度计算公式，得 取一个,例题,1,设有一平面电磁波在真空中传播,电磁波通过某点时，该点的,E,=50V/m,。试求该时刻该点的,B,和,H,的大小，以及电磁能量密度,w,和辐射强度,S,的大小。,解 由,B=,0,H,和,以及,得,电磁能量密度,:,w,=,0,E,2,=8.85,10,-12,50,2,J/m,3,=2.21,10,-8,J/m,3,辐射强度,:,S,=,E,H,=50,0.134J/(m,2,s)=6.7J/(m,2,s),电磁波的能量,例题1 设有一平面电磁波在真空中传播,电磁波通过某点,例题,2,某广播电台的平均辐射功率 。假定辐射出来的能流均匀地分布在以电台为中心的半个球面上,(1),求在离电台为,r,=10km,处的辐射强度,;(2),在,r,=10km,处一个小的空间范围内电磁波可看作平面波,求该处电场强度和磁场强度的振幅。,解,(1),在距电台,r,=10km,处,辐射强度的平均值为,(2),由,得,解毕。,电磁波的能量,例题2 某广播电台的平均辐射功率 。,4.,电磁波的动量,电磁场是客观存在的物质，具有能量和,动量,。,质能关系：,W,电磁能量,单位体积中电磁场的质量：,w,单位体积的电磁能量,单位体积中电磁场的动量：,辐射强度,(,或能流密度,):,S,=,w,c,动量流密度,:,在单位时间内,通过垂直于传播方向,的单位面积的电磁动量。,4.电磁波的动量电磁场是客观存在的物质，具有能量和动量。质,电磁波的动量,动量流密度：,电磁波入射到一物体上,伴随着动量的传递,对物,体表面产生,辐射压力,。,单位面积所爱的辐射压力,（条件：垂直入射且被全部吸收）,单位面积所爱的辐射压力,（条件：垂直入射且被全部反射）,辐射压力测量原理图,电磁波的动量动量流密度：电磁波入射到一物体上,伴随着,5.,电磁波的辐射,提高振荡电流辐射电磁场的方法,任何振动电荷或电荷系都是发射电磁波的波源,，如天线中振荡的电流、原子或分子中电荷的振动都会在其周围空间产生电磁波。,I,L,C,+,q,-,q,振荡偶极子,：电流在直线形电路中往复振荡,两,端出现正负交替的等量异号电荷。,5.电磁波的辐射提高振荡电流辐射电磁场的方法,电磁波的辐射,赫兹在,1888,年采用振荡偶极子，实现了发送和接收电磁波。采用下图装置，证实了振荡偶极子能够发射电磁波。,赫兹,电磁波的辐射 赫兹在1888年采用振荡偶极子，实现了发,电磁理论证明,振荡偶极子在单位时间内辐射的能量,与频率的四次方成正比。为有效辐射电磁能量，要求：,(1),振荡电路中所产生的电场和磁场必须散布到周围的空间中,(2),提高辐射频率,振荡偶极子电矩：,一条闭合电场线的形成过程,电磁波的辐射,电磁理论证明,振荡偶极子在单位时间内辐射的能量 (,振荡电偶极子不仅产生电场，而且产生磁场。振荡电偶极子周围的电磁场线如下图示：,电磁波的辐射,振荡电偶极子不仅产生电场，而且产生磁场。振荡电偶极子,振荡偶极子在真空中、远离偶极子的,P,点处、在时刻,t,的,E,、,H,的量值可表为,电磁波的辐射,振荡偶极子在真空中、远离偶极子的P点处、在时刻 t,振荡偶极子的辐射强度：,因,得,方向因子,o,s,电磁波的辐射,振荡偶极子的辐射强度：因得方向因子os电磁波的辐射,6.,电磁波谱,电磁波谱,:,按照频率或波长的顺序把电磁波排列成图表。,6.电磁波谱电磁波谱:按照频率或波长的顺序把电磁波排列成图表,电磁波谱,名称,长波,中波,中短波,短 波,米 波,微 波,分米波,厘米波,毫米波,波长,30000-3000m,3000-200m,200-50m,50-10m,10-1m,1m-10,cm,10-1cm,1-0.1cm,频率,10-100kHz,100-1500kHz,1.5-6MHz,6-30MHz,30-300MHz,300-3000MHz,3000-30000MHz,30000-300000MHz,主要用途,越洋长距离通信和导航,无线电广播,电报通信,无线电广播、电报通信,调频无线电广播、电视广播、无线电导航,电视、雷达、无线电导航及其他专门用途,各种无线电波的范围及用途,电磁波谱名称长波中波中短波短 波米 波 微 波,0.40,0.45,0.50,0.55,0.60,0.65,0.70,0.75,紫,蓝,青,绿,黄,橙,红,可见光,能使人眼产生视觉效应的电磁波段。,红外线,波长范围在,0.76,750,m,m,之间的电磁波。,红外线最显著的性质是热效应。,紫外线,波长范围在,410,-7,10,-9,m,之间的电磁波。,紫外线有明显的生理作用。,电磁波谱,0.400.450.500.550.600.650.700.,X,射线,(,伦琴射线,),波长比紫外线更短的电磁波，,其波长范围在,10,-7,10,-13,m,之间。,X,射线具有很强的穿透能力。,射线,在原子核内部的变化过程,(,常称衰变,),发出的一种波长极短的电磁波，其波长在,310,-8,10,-14,m,以下。,射线可应用于对金属探伤等，研究,射线可以帮,助了解原子