讲7麦克斯韦方程组.ppt

2 5电磁感应定律和位移电流2 6麦克斯韦方程组 作业题 V4 2 28 1 静态场 电场和磁场相互独立 静止电荷和恒定电流产生的电场和磁场是静态场 时变电磁场 电荷 电流随时间变化 静电场的基本方程 恒磁场的基本方程 电流连续性方程 磁场变化感应出电场 电场变化产生磁场 麦克斯韦方程组 变化的电场产生磁场 变化的磁场产生电场 电磁波 1864年 麦克斯韦 位移电流 1831年 法拉第电磁感应定律 1785年 库仑定律1820年 安培定律 法拉第 1791 1867 英国物理学家 法拉第是一个穷铁匠的儿子 兄妹10人 小学没毕业就失学 当了装订工 但失学不失志 经常阅读书报 当了戴维助手 1821年受任为皇家研究所试验室主任 开始电磁学的研究 1831年8月29日 法拉第电磁感应定律 变化的磁场能激发电流 1833年 楞茨发现楞茨定律 判断感应电流的方向 法拉第提出力线描写电磁作用 当法拉第在演示他的电磁感应现象时 一位贵妇曾问道 您的电流计指针动一下有什么意义呢 法拉第回答道 夫人 当一个婴孩诞生的时候 您会想到他将会完成何等事业吗 1888年南斯拉夫出生的美国发明家特斯拉发明了交流电动机 麦克斯韦 1831 1879 电磁场理论的建立 英国物理学家 数学家 11月13日出生于爱丁堡时 是法拉第发现电磁感应后2个多月 15岁在 爱丁堡皇家学报 发表论文 1854年从剑桥大学毕业 卡文迪什试验室首任主任 1856年 麦克斯韦发表了 论法拉第力线 一文 受到法拉第的赞赏 1860年 70岁的法拉第和30岁的年轻人麦克斯韦见面了 建立电磁理论的共同心愿 法拉第对麦克斯韦说 你不要停留在用数学来解释我的观点上 而应该突破它 1861年 麦克斯韦写了 论物理力线 提出 一个关于力线的机械模型 即电磁以太模型 创造性地提出位移电流和涡旋电场的两大重要假设 提出光波就是电磁波的理论 1865年 发表了 电磁场的动力学理论 用场的观点总结了电磁理论 构建了全新的理论框架 1873年 麦克斯韦出版了 电磁学通论 一书 进一步将电磁学实验规律和定理定律 综合概括在一个方程组中 以简洁的数学结构 揭示了电场和磁场内在的完美对称 电磁学通论 是人类第一个有关经典场论的不朽之作 麦克斯韦的电磁理论发表后 由于理论难懂 无实验验证 并未受到重视 2 5电磁感应定律和位移电流 电磁感应现象当一闭合回路所包围的面积内的磁通量发生变化时 回路中就产生电流 这种电流被称为感应电流 这一现象被称为电磁感应现象 回路中感应电流的方向 总是使感应电流所激发的磁场来阻止引起感应电流的磁通量的变化 2 5 1电磁感应定律 N匝线圈串联时的法拉第电磁感应定律 法拉第电磁感应定律 规定回路中的感应电动势的参考方向与穿过该回路所围面积的磁通量符合右手螺旋关系 只要磁通量发生变化就有感应电动势 要形成感应电流 除磁通量发生变化外 还要有闭合导体回路 麦克斯韦的假设 变化磁场在其周围激发一种电场 这种电场就称为感应电场 法拉第电磁感应定律 感应电场存在于空间任意一点 静电场感应电场 共同点 对电荷有力的作用对电荷有力的作用 不同点 由电荷产生由变化的磁场产生 保守场 旋涡场 电力线起始于正电荷止于负电荷 线为无头无尾的闭合曲线 感应电场与静电场的比较 感应电流 时变电流导体内的电场由变化的磁场产生 不需要闭合回路 直流电流导体内维持恒定的电场需电源和导体形成闭合回路 共同点 都是导体中自由电荷在电场的作用下运动形成 都满足欧姆定律和焦耳定律 都能产生磁场 直流电流与感应电流 时变电流的比较 不同点 真空高频感应电炉的外部及内部结构 电磁炉的工作频率30KHVz 炉面是耐热陶瓷板 交变电流通过陶瓷板下方的线圈产生时变磁场 在铁锅 不锈钢锅技术内部产生涡流 令锅底迅速发热 达到加热食品的目的 加热金属材料的时变电流的频率不能太高 而加热非金属材料的频率相对比较高 2 5 2位移电流 产生磁场的电流源除了传导电流和运流电流还有位移电流 麦克斯韦 电磁场的动力学理论 传导电流 运流电流 全电流定律 1 变化的电场可等效于一种电流 称为位移电流 3 位移电流在产生磁场方面与传导电流等效 全电流 传导电流 运流电流 位移电流的代数和 4 位移电流存在于真空和一切介质中 频率越高 位移电流越大 2 位移电流不是带电粒子的定向运动形成 不能直接用实验测出 通常把传导电流和运流电流叫做真实电流 以便与位移电流区分开 麦克斯韦位移电流假设 电磁场的动力学理论 安培环路定律 电流连续性方程 时变场 矛盾 三者成立 变化的电场将感应出磁场 2 5 2位移电流 产生磁场的电流源除了传导电流和运流电流还有位移电流 2 6麦克斯韦方程组 MaxwellEquations 麦克斯韦 JamesClerkMaxwell 著名的英国物理学家 1831年6月13日生于爱丁堡 1879年11月5日卒于剑桥 麦克斯韦1854年毕业于剑桥大学三一学院并获数学学位 1856年在苏格兰的马里歇尔学院任自然哲学教授 1860年到伦敦国王学院任教 中途离休几年后 到剑桥大学任第一任卡文迪什实验物理教授 电场 ElectricField 库仑电场 感应电场 一般电场 旋度方程 法拉第电磁感应定律 散度方程 库仑电场 感应电场 一般电场 高斯定理 法拉第电磁感应定律 一般电场 高斯定理 一般电场的基本方程 磁场 MagneticField 全电流定律 磁通连续性定理 一般磁场 麦克斯韦方程组 Maxwellequations 麦克斯韦方程组 微分形式 积分形式 电流连续性方程 Maxwell方程组的标量方程 媒质及本构关系 简单媒质 例2 5 4自由空间的磁场强度为 k为常数 求位移电流密度和电场强度 解 从感应电动势的角度考虑 闭合线圈平行于x轴放置 没有感应电流 从感应电场的角度考虑 若导线垂直于y轴 感应电流为0 若导线平行于y轴 感应电流最大 x 天线的放置状态影响接收效率 x 天线的尺寸影响接收效率 若天线的尺寸与波长相比拟 需要考虑天线上的感应电流产生的场对空间场的影响 从而影响天线上的感应电流 需要由麦氏方程和边界条件精确求解 动画演示矢量场随着时间变化的情况 例2求电导率为 的导电媒质内部的电荷密度 解 电流连续性方程 驰豫时间 衰减至 0的1 e即36 8 的时间 若导体为铜 高斯定理 本构关系 随时间按指数减小 良导体内电荷 电流衰减极快 电荷 电流仅分布在导体表面一薄层内 例2 5 3海水的电导率为4S m 相对介电常数为81若 频率为1MHz 求位移电流与传导电流的幅度的比值 解 传导电流 位移电流 例2自由空间无源 已知时变场求 解 1878年是基尔霍夫和亥姆霍兹的学生 柏林大学 1880年获博士学位 1885年发现电磁波 1889年到波恩大学任教 1886年 赫兹作成电磁波检验器并宣布 电磁感应是以波动形式在空气中传播的 赫兹在1888年证明了电磁波的存在 这样由法拉第开创 麦克斯韦建立 赫兹验证的电磁场理论向全世界宣告了它的胜利 1880年赫兹和亥维赛 OliverHeaciside 1850 1925 英国物理学家 把麦克斯韦当初以直角坐标分量给出的20个标量方程组简化成四个矢量方程 赫兹 1857 1894 德国物理学家 1895年意大利的马可尼 俄国的波波夫分别实现无线电传播 并很快投人实际使用 无线电话 1916年 无线电广播 1906年 美国R A 费森登 50kHz 无线电传真 1923年 电视19世纪30年代末 英美先后开始了试验性的电视广播 第二次世界大战后 电视广播便在各国逐渐普及 1905年 爱因斯坦提出狭义相对论的基本思想和基本内容 狭义相对论所根据的是两条原理 相对性原理和光速不变原理 1916年 爱因斯坦完成了长篇论文 广义相对论的基础 赫兹在柏林大学随赫尔姆霍兹学物理时 受赫尔姆霍兹之鼓励研究麦克斯韦电磁理论 当时德国物理界深信韦伯的电力与磁力可瞬时传送的理论 因此赫兹就决定以实验来证实韦伯与麦克斯韦理论谁的正确 依照麦克斯韦理论 电扰动能辐射电磁波 1888年德国物理学家赫兹通过实验发现电磁波 发现电磁波产生的巨大影响 连赫兹本人也没料到 在他发现电磁波的第二年 有人问他 电磁波是否可以用作无线电通讯 赫兹不敢肯定 赫兹研究电磁波无意中丢下的种子 却很快在异地开花结果了 赫兹于1894年元旦因血中毒逝世 年仅36岁 为了纪念他的功绩 人们用他的名字来命名各种波动频率的单位 简称 赫 赫兹将一感应线圈的两端接于产生器二铜棒上 当感应线圈的电流突然中断时 其感应高电压使电火花隙之间产生火花 瞬间后 电荷便经由电火花隙在锌板间振荡 频率高达数百万周 检波器 一小段导线弯成圆形 线的两端点间留有小电火花隙 因电磁波应在此小线圈上产生感应电压 而使电火花隙产生火花 所以他坐在一暗室内 检波器距振荡器10米远 结果他发现检波器的电火花隙间确有小火花产生