大学物理一-教学课件第十六章-麦克斯韦方程组.ppt

1、第十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 1经典电磁理论的奠基人经典电磁理论的奠基人,气体动理论创始人之一气体动理论创始人之一.提提出了有旋场和位移电流的出了有旋场和位移电流的概念概念,建立了经典电磁理建立了经典电磁理论论,并预言了以光速传播的并预言了以光速传播的电磁波的存在电磁波的存在.在气体动理在气体动理论方面论方面,提出了气体分子按提出了气体分子按速率分布的统计规律速率分布的统计规律.麦克斯韦麦克斯韦（1831-1879）英国物理学家）英国物理学家第十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 2麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组0d SsB 磁场高斯定理磁场高斯

2、定理IlHldSsjd 安培环路定理安培环路定理 静电场环流定理静电场环流定理0dllE 静电场高斯定理静电场高斯定理qVsDVSdd第十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 312.7 12.7 与变化电场相联系的磁场与变化电场相联系的磁场IsjlHSL1dd+-I（以（以 L 为边做任意曲面为边做任意曲面 S）IlHldssj d稳恒磁场中稳恒磁场中,安培环路定理安培环路定理0dd2SLsjlHL1S2S第十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 4tStStqIddd)(dddctjddcDttDddddttDSIddddc 麦克斯韦假设麦克斯韦假设 电

3、场中某一点位移电流电场中某一点位移电流密度等于该点电位移矢量对时间的变化率密度等于该点电位移矢量对时间的变化率.SD+-ItDddDcjcjIAB第十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 5 位移电流位移电流 tstDsjISSddddddtDjd 位移电流密度位移电流密度 通过通过电场中某一截面的位移电流等于电场中某一截面的位移电流等于通过该截面电位移通量对时间的变化率通过该截面电位移通量对时间的变化率.+-dIcI第十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 6tIIlHLdddcs（1）全电流是连续的；全电流是连续的；（2）位移电流和传导电流一样激发磁场；

4、位移电流和传导电流一样激发磁场；（3）传导电流产生焦耳热，位移电流不产传导电流产生焦耳热，位移电流不产生焦耳热生焦耳热.+-dIcIscd)(dstDjlHL 全电流全电流dcsIII第十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 7RcIPQQcI*例例 有一圆形平行平板电容器有一圆形平行平板电容器,现对其充电现对其充电,使电路上的传导电流使电路上的传导电流 ，若略去边缘效应，若略去边缘效应,求（求（1）两极板间的位移电流两极板间的位移电流;（2）两极板间离开两极板间离开轴线的距离为轴线的距离为 的点的点 处的磁感强处的磁感强度度.cm0.3RA5.2ddctQIcm0.2rP第

5、十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 8tQRrtIdddd22dQRr22D)(2rD 解解 如图作一半径为如图作一半径为 平行于极板的圆平行于极板的圆形回路，通过此圆面积的电形回路，通过此圆面积的电位移通量为位移通量为rRcIPQQcI*r第十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 9ddcdIIIlHltQRrrHdd)2(22tQRrBdd 220tQRrHdd 22计算得计算得T1011.15BA1.1dI代入数据计算得代入数据计算得RcIPQQcI*r第十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 10 位移电流的引入深刻地揭示了电场

6、和磁位移电流的引入深刻地揭示了电场和磁场的内在联系，反映了自然界对称性的美。场的内在联系，反映了自然界对称性的美。法拉第电磁感应定律表明了变化磁场能够法拉第电磁感应定律表明了变化磁场能够产生涡旋电场，位移电流假设的实质则是产生涡旋电场，位移电流假设的实质则是表明变化电场能够产生涡旋磁场。变化的表明变化电场能够产生涡旋磁场。变化的电场和变化的磁场互相联系，相互激发，电场和变化的磁场互相联系，相互激发，形成一个统一的电磁场。形成一个统一的电磁场。第十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 11 1865 年麦克斯韦在总结前人工作年麦克斯韦在总结前人工作的基础上，提出完整的电磁场理论

7、，他的基础上，提出完整的电磁场理论，他的主要贡献是提出了的主要贡献是提出了“有旋电场有旋电场”和和“位移电流位移电流”两个假设，从而预言了电两个假设，从而预言了电磁波的存在，并计算出电磁波的速度磁波的存在，并计算出电磁波的速度（即（即光速光速）.001c(真空真空中中 )第十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 12 1888 年赫兹的实验证实了他的预言年赫兹的实验证实了他的预言,麦克斯韦理论奠定了经典动力学的基础，麦克斯韦理论奠定了经典动力学的基础，为无线电技术和现代电子通讯技术发展开为无线电技术和现代电子通讯技术发展开辟了广阔前景辟了广阔前景.001c(真空真空中中 )第

8、十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 130d SsBSlstDjlHd)(d0SlstBlEddqVsDVSdd方程的积分形式方程的积分形式麦克斯韦电磁场麦克斯韦电磁场（1）有旋电场有旋电场tDjdddkE麦克斯韦假设麦克斯韦假设（2）位移电流位移电流第十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 14麦克斯韦方程组的微分形式麦克斯韦方程组的微分形式 ：D0 BtBEtDjH麦克斯韦的电磁理论的特点：麦克斯韦的电磁理论的特点：电场与磁场以及时间空电场与磁场以及时间空间的明显对称性。间的明显对称性。物理概念创新；物理概念创新；逻辑体系严密；逻辑体系严密；数学形式

9、简单优美；数学形式简单优美；演绎方法出色；演绎方法出色；第十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 15第十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 16 电磁振荡电磁振荡 电磁振荡：电磁振荡：电荷和电流、电场和磁场随时间电荷和电流、电场和磁场随时间作周期性变化的现象。作周期性变化的现象。LC 振荡回路：振荡回路：K CL第十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 17CL+q0-q0(1)CLI(2)CL+q0-q0(3)CLI(4)LC 回路的振荡过程回路的振荡过程第十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 18电容器电压：电容

10、器电压：回路方程：回路方程：qLCtq1dd22CLI自感电动势：自感电动势：CqtILddCqVCCqtILddtqIdd第十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 19LC1LC212oQImax电流：电流：tqtqIsindd0tqqcos0tIIsinmax0maxqI电量：电量：频率：频率：LCT2周期：周期：电压：电压：tCqVcos0第十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 20在在 LC 电路中，电流、电压、电荷都随时间电路中，电流、电压、电荷都随时间作简谐振动。作简谐振动。结论：结论：电场能量：电场能量：磁场能量：磁场能量：tCqCqW220

11、2ecos22tqLLIW22022msin221tCq220sin2CqWWW220meLC 电路的总能量：电路的总能量：第十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 21电磁波电磁波 电磁波有效发射的两个条件：电磁波有效发射的两个条件：振荡频率要高，振荡频率要高，电路要开放。电路要开放。LC212振荡频率：振荡频率：VnL2振荡偶极子振荡偶极子第十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 22OHESPr0purtrpt,rEcos4sin20urtrpt,rHcos4sin20第十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 23平面电磁波的主要性质

12、：平面电磁波的主要性质：（1）电磁波是横波。电矢量）电磁波是横波。电矢量 与磁矢量与磁矢量 相互垂相互垂直，直，的方向为电磁波的传播方向。的方向为电磁波的传播方向。EHHE（2）电矢量）电矢量 与磁矢量与磁矢量 的振动相位相同。的振动相位相同。EH00HE第十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 24（3）电磁波的传播速度为：）电磁波的传播速度为：1u（4）真空中电磁波的传播速度：）真空中电磁波的传播速度：)sm(10998.210410854.8118712cHES（5）电磁波的能流密度（坡印廷矢量）电磁波的能流密度（坡印廷矢量）：0021HES 平均能流密度：平均能流密度

13、：第十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 25电磁波的能流密度：电磁波的能流密度：urtrpEHS22224203cos16sin222420332sinrpS平均能流密度：平均能流密度：S发射功率：发射功率：upP12420第十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 26电磁波谱电磁波谱 第十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 27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300003000m3000200m20050m5010m101m10010cm101cm10.1cm频率10100kHz1001500kHz1.56MHz

14、630MHz30300MHz3003000MHz300030000MHz30000300000MHz主要用途越洋长距离通讯和导航无线电广播电报通讯无线电广播和电报通讯调频无线电广播、电视广播和无线电导航电视、雷达、无线电导航等无线电波的波长范围和用途：无线电波的波长范围和用途：无线电波无线电波第十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 28红外线红外线：0.6 mm760 nm 热效应；不易被大气和浓雾吸收。热效应；不易被大气和浓雾吸收。可见光：可见光：760 nm400 nm 能使人眼产生光的感觉。能使人眼产生光的感觉。紫外线：紫外线：400 nm5 nm有明显的化学效应和荧光效应，也有有明显的化学效应和荧光效应，也有较强的杀菌本领。较强的杀菌本领。X射线：射线：0.04 nm5 nm 穿透能力强，在医疗上用于透视和病穿透能力强，在医疗上用于透视和病理检查；在工业上用于检查金属材料理检查；在工业上用于检查金属材料内部的缺陷和分析晶体结构等。内部的缺陷和分析晶体结构等。第十六章第十六章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物理学物理学 29射线：小于射线：小于0.04 nm穿透力比穿透力比X射线更强，对生物的破坏力很大。射线更强，对生物的破坏力很大。