电磁场与电磁波第二章电磁场的基本规律讲解课件.ppt
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- 电磁场 电磁波 第二 基本 规律 讲解 课件
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1、第二章第二章 电磁场的基本规律电磁场的基本规律 2.1 电荷和电场电荷和电场2.2 电流和磁场电流和磁场 2.3 真空中的真空中的麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 2.4 媒质的电磁性质媒质的电磁性质 2.5 媒质中的媒质中的麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 2.6 电磁场边值条件电磁场边值条件 2.7 电磁场能量和能流电磁场能量和能流 1.电荷是什么东西?电荷是什么东西?摩擦起电摩擦起电与绸缎摩擦过的玻璃棒能吸引小纸屑;与绸缎摩擦过的玻璃棒能吸引小纸屑;与皮毛摩擦过的橡胶棒也能吸引纸屑。与皮毛摩擦过的橡胶棒也能吸引纸屑。人们认为摩擦过的玻璃棒和橡胶棒中带有一种能吸人们认为摩擦过的玻璃棒和橡胶棒中带有
2、一种能吸引微小纸屑的特殊物质,称为引微小纸屑的特殊物质,称为电荷电荷。电荷具两种不同类型。电荷具两种不同类型。这两种类型的电荷能互相中这两种类型的电荷能互相中和,好像正、负数可以互相抵消,因此,把这两类电荷和,好像正、负数可以互相抵消,因此,把这两类电荷分别称为分别称为正电荷和负电荷正电荷和负电荷。相同类型电荷互相排斥,不同类型电荷互相吸引。相同类型电荷互相排斥,不同类型电荷互相吸引。2.1 电荷与电场电荷与电场(1)(1)电荷量和电荷量子化电荷量和电荷量子化(2)(2)电荷守恒定律电荷守恒定律 任何孤立系统中任何孤立系统中,电荷的总量电荷的总量(代数和代数和)保持不变。保持不变。组成组成强子
3、的强子的夸克夸克具有具有分数电荷分数电荷(或或 电子电荷电子电荷)。3132电荷守恒定律是自然界的基本守恒定律之一。电荷守恒定律是自然界的基本守恒定律之一。a.a.电荷量:电荷的多少。电荷量:电荷的多少。C10602.119eb.b.电荷量子化电荷量子化单位单位库仑。库仑。),3,2,1(nneq其它物体的电荷量其它物体的电荷量电荷量只能是分立值。电荷量只能是分立值。电子所带电荷量电子所带电荷量 (为真空电容率)为真空电容率)0212120mNC108542.841k122122101241erqqF041k 令令库仑定律:库仑定律:21122122112FerqqkF112mF108542.
4、8(3)(3)电荷之间的作用力电荷之间的作用力 (1)(1)电场强度电场强度电场对单位正电荷的作用力。电场对单位正电荷的作用力。304rrQEiiiirrQE3044)(30dVrrrE电电 荷荷电电 场场电电 荷荷0qFE2.何为电场?何为电场?(2)电场的散度电场的散度高斯定理高斯定理0QSdEdVSdE010 EdVESdE高斯定理的微分形式。高斯定理的微分形式。(3)静电场的旋度静电场的旋度0l dE0ESdEl dE静电场为无旋场。静电场为无旋场。在静电场中,电场强度沿任意闭合曲线的积分值为零。例题:电荷例题:电荷Q均匀分布于半径为均匀分布于半径为a的球体内,求各的球体内,求各点的电
5、场强度,并计算电场的散度和旋度。点的电场强度,并计算电场的散度和旋度。204rQE304rrQE2)r a;2)r a1)r a0430rrQE0430rrQE2)r aIBl dB02eIB202)a020eIB01112200)()(zeezIeIB(pp342,A1.25)2)a0220eaIBJeezaIeaIBz022020122)(pp342,A1.26)磁场的散度和旋度?磁场的散度和旋度?作业:作业:P84 2.5,2.10 P85 2.14,2.16,2.172.3 真空中的麦克斯韦方程组真空中的麦克斯韦方程组 前面总结了静电场和静磁场的一些规律。那么变化电场和变化磁场的规律如
6、何?SdEl dE)(当回路不随时间变化时,tBESdBdtd1.电磁感应定律2.位移电流假设位移电流假设0tJ0tJ稳恒电流产生的磁场满足规律:稳恒电流产生的磁场满足规律:JB00B非稳恒情况下,非稳恒情况下,)(0dJJB )(0EttJJdtEJd0称为称为位移电流位移电流。0J假设:假设:JB0 3.麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组0 EtBE0 BtEJB0004.洛仑兹力公式洛仑兹力公式BvqEqF(点电荷)BJEf(体分布电荷)作业:作业:P86-87 2.24,2.271.1.媒质的概念媒质的概念 在电磁学中一般把材料分为导体和绝缘体。在电磁学中一般把材料分为导体和绝缘体。所以电磁
7、学中涉及的空间区域只有所以电磁学中涉及的空间区域只有真空、导体真空、导体和绝缘体和绝缘体三种不同性质的区域。而在电场中,三种不同性质的区域。而在电场中,绝缘体又被称为绝缘体又被称为“电介质电介质”。电磁学中把各种材料统称为电磁学中把各种材料统称为“媒质媒质”,包,包括括电介质电介质和和磁介质磁介质。而很多材料既是电介质又。而很多材料既是电介质又是磁介质,主要是讨论侧重点不同。是磁介质,主要是讨论侧重点不同。在外电磁场作用之下,媒质将产生电极化在外电磁场作用之下,媒质将产生电极化或磁化,结果将在介质中出现了或磁化,结果将在介质中出现了极化电荷极化电荷或或磁磁化电流化电流。2.4 媒质的电磁性质媒
8、质的电磁性质2.电介质的电极化电介质的电极化无极分子无极分子有极分子有极分子无外加电场无外加电场无极分子无极分子有极分子有极分子有外加电场有外加电场E 当有外电场时,有当有外电场时,有极分子倾向于指向电场极分子倾向于指向电场方向;无极分子则正负方向;无极分子则正负电荷中心要发生移动。电荷中心要发生移动。这两个过程的结果都产这两个过程的结果都产生了生了宏观电偶极矩宏观电偶极矩。若无外电场,无论若无外电场,无论是有极分子介质,还是是有极分子介质,还是无极分子介质,无极分子介质,其宏观其宏观电偶极矩都为电偶极矩都为 0。组成电介质的分子组成电介质的分子可能是可能是极性分子极性分子,也可,也可能是能是
9、非极性分子非极性分子。VpPi定义定义l qp假设假设称为称为电电介质的电极化强度介质的电极化强度。lnqpnP那么那么 电介质被电极化后,其界面处和内部将产生电介质被电极化后,其界面处和内部将产生极化电荷极化电荷。3.电介质的电极化强度电介质的电极化强度EpnPippP 的物理意义:单位体积内分子的物理意义:单位体积内分子 电偶极矩的矢量和。电偶极矩的矢量和。SPqpddVSVpVPSPVdddPp 如图,通过介质如图,通过介质表面元表面元dS 的电荷为的电荷为:SPSlnqqpdddSnPdnPSqppdd电介质界面处和体内极化电荷的分布怎样?电介质界面处和体内极化电荷的分布怎样?0Pp若
10、介质均匀极化,那么12pdSP dSP dSP2P1p)()(1221PPnPPnp0pPEfpf0fPE)(0EPe0EEPEDre000)1(4.电位移矢量电位移矢量 电介质中的高斯定理电介质中的高斯定理PED0定义fD那么电介质中的高斯定理。电介质中的高斯定理。er1定义电位移矢量。电位移矢量。例例 同轴电缆中心是半径同轴电缆中心是半径R1的金属导线,外壳是金属圆柱面,的金属导线,外壳是金属圆柱面,内外导体之间填充相对介电常数内外导体之间填充相对介电常数 r 的介质。当电缆加电压的介质。当电缆加电压后,后,E1=2.5 E2 ,若介质内所允许的最大电场强度为若介质内所允许的最大电场强度为
11、E 。电缆所能承受的最大电压?电缆所能承受的最大电压?解解 采用介质中的高斯定理采用介质中的高斯定理rEr02125.2 RR*10max2ERr2121dd210RRRRrrrERrr*max12*1lnRRER求求1R2R r 1E2E5.2ln*1ER215.2 EE 21dRRrEUmaxmax(1 1)顺磁质的磁化过程?)顺磁质的磁化过程?0 oB0imoBoBmM分子B oBBo 强,强,排列越整齐。分子mNS5.磁介质的磁化磁介质的磁化 磁介质中存在分子电流,在外磁场作用下,分子电磁介质中存在分子电流,在外磁场作用下,分子电流产生了指向外磁场方向的磁矩,从而产生流产生了指向外磁场
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