位移电流真空中麦克斯维方程组NEW市公开课获奖课件

1、+-教材：第13章13.1节（书本上内容为有介质时方程，无需认真阅读；13.2节不做要求）作业：练习20零、回想：电流强度、电流密度（第9章，概念）一、位移电流 全电流安培环路定理（注意与传导电流区别）二、电磁场 麦克斯韦电磁场方程积分形式（仅真空中）第1页第1页18奥斯特电磁1831年法拉第磁电产生产生改变电场磁场改变磁场电场激发引入 第2页第2页非真空时静电场和稳恒磁场基本规律静电场稳恒磁场变 课外 第3页第3页 真空中电磁场规律：对静电场：对稳恒磁场：有改变磁场：思考 第4页第4页5一、问题提出对稳恒电流对S1面对S2面矛盾 稳恒磁场安培环路定理已不适合用于非稳恒电流电路。改变磁场产生感

2、生电场改变电场产生磁场？非稳恒电流情况：+-第5页第5页6处理问题思绪： 寻找极板上传导电流与极板间 改变电场之间关系。二、 位移电流假设非稳恒电路中，在传导电流中断处必发生电荷分布改变。出现矛盾原因：非稳恒情况下传导电流不连续。电容器在充放电过程中，传导电流在两极板之间中断，造成极板上电荷积累随时间改变，使得两极板间电场随时间改变。+-第6页第6页7麦克斯韦假设这种电场改变能够等效为一个电流，称为位移电流。能够得到，某一时刻位移电流大小和方向，和该时刻电路中传导电流大小和方向同样。强调：位移电流是由改变电场等效而来。这样，在传导电流中断地方，就有位移电流接上去了，保持了电流连续性。+-第7页

3、第7页公式（真空时） 设极板面积为S，某时刻极板上自由电荷面密度为 ，两极板间，电场强度、电位移及电位移通量分别为：电位移通量随时间改变率等于导线中传导电流强度。麦克斯韦称 为位移电流。+-第8页第8页9位移电流强度：位移电流密度：即：电场中某点位移电流密度等于该点电位移矢量对时间改变率；通过电场中某面积位移电流强度等于通过该面积电位移通量对时间改变率。 麦克斯韦从理论上推出位移电流和改变电场之间关系。得到：第9页第9页10麦克斯韦进一步假设：位移电流和传导电流同样在其周围空间也能激发磁场，并且这磁场与等值传导电流所激发磁场完全相同。因此，在非稳恒情况下，安培环路定理普通形式为：位移电流传导电

4、流(全电流安培环路定理)三、 全电流安培环路定理第10页第10页11麦克斯韦提出全电流概念：（处理了非稳恒情况电流连续性问题）第11页第11页12位移电流含有磁效应与传导电流相同。第12页第12页载流子宏观定向运动改变电场和极化电荷微观运动只在导体中存在并产生焦耳热无焦耳热，在导体、电介质、真空中均存在都能激发磁场起源特点共同点传导电流位移电流四、位移电流、传导电流比较第13页第13页14例：半径R=0.1m两块导体圆板，构成空气平板电容器。充电时，极板间电场强度以dE/dt =1012Vm-1s-1 改变率增长。求：（1）两极板间位移电流ID；（2）距两极板中心连线为 r（r R） 处磁感应

5、强度Br 和r =R处磁感应强度BR（忽略边沿效应）解：忽略边沿效应，两极板间电场可视为均匀分布两板间位移电流为：第14页第14页15依据对称性，以两板中心连线为圆心、半径为r作闭合回路L，由全电流定律有：当 r = R 时：第15页第15页16 麦克斯韦提出涡旋电场和位移电流假说关键思想是：改变磁场能够激发涡旋电场，改变电场能够激发涡旋磁场；电场和磁场不是彼此孤立，它们互相联系、互相激发构成一个统一电磁场。 将电场和磁场所有规律综合起来，麦克斯韦终于建立了完整电磁场理论体系。这个电磁场理论体系关键就是麦克斯韦方程组 。五、麦克斯韦方程组第16页第16页17 空间既有静电场和稳恒磁场，又有改变

6、电场和改变磁场。静止电荷产生静电场改变磁场产生感生电场传导电流磁场改变电场（位移电流）磁场五、麦克斯韦方程组（续）第17页第17页181、电场高斯定理静电场是有源场、感生电场是无源场。表示：通过任意闭合面电通量等于该曲面所包围 自由电荷代数和除以 。第18页第18页192、磁场高斯定理传导电流、位移电流产生磁场都是无源场。表示：通过任意闭合面磁通量恒等于零。第19页第19页203、电场环路定理静电场是保守场，改变磁场能够激发涡旋电场。表示：电场强度沿任意闭合曲线线积分等于以该曲线为边界任意曲面磁通量对时间改变率负值。第20页第20页214、全电流安培环路定理传导电流和改变电场都能够激发涡旋磁场

7、。表示：磁感应强度沿任意闭合曲线线积分等于穿过以该曲线为边界曲面全电流 倍。第21页第21页22这四个方程是关于真空麦克斯韦方程组积分形式。在有介质情况下，利用电位移矢量和磁场强度矢量。第22页第22页23 电磁场基本问题就是在给定边界条件下，利用介质方程和对带电粒子受力分析，求解麦克斯韦方程组，得到场量时空分布规律，并在工程实际中加以应用。 【课外】利用矢量分析这一数学工具，可将积分形式方程组改写为对称性更高微分形式。第23页第23页24 以麦克斯韦方程组为关键电磁理论，是典型物理学最引以自豪成就之一。它所揭示出电磁互相作用完美统一，为物理学家树立了这样一个信念： 麦克斯韦方程组在电磁学中地

8、位，如同牛顿运动定律在力学中地位同样。物质各种互相作用在更高层次上应当是统一另外，这个理论被广泛地应用到技术领域。 第24页第24页25 麦克斯韦方程组一个直接主要推论是预言了电磁波存在。依据交变电场（或磁场）可在周围产生交变磁场（或电场）。麦克斯韦认为这种交变电磁场可不断由振源向远处传播开来，电磁振荡在空间传播就形成了电磁波。 麦克斯韦还推导出了电磁波在真空中传播速度为： 并由此推断光就是电磁波。第25页第25页26深刻、完美、新奇麦克斯韦方程组于1964年提出，但开始并不被人们接受。直到1888年，赫兹用试验证实了电磁波存在，并证实了电磁波不但传播速度和光速同样，并且有类似光特性（反射、折

9、射、衍射、偏振等）。从此麦克斯韦方程组才被世人公认。麦克斯韦不但将电学与磁学完全统一起来，并且又将他们与光学统一起来，实现了物理学史上继牛顿力学建立和能量守恒提出以来第三次大综合。第26页第26页27麦克斯韦奉献不但在于科学理论本身，并且为后人提供了丰富科学思想和研究办法。值得指出是，他是英国科学史上创建和领导了在当代科学革命起先锋作用卡文迪许试验室，并为该试验室立下了方针、政策和宗旨，指导试验室培养了无数科学人才，取得了大量杰出结果。第27页第27页28第28页第28页29 麦克斯韦（1831-1879）英国物理学家。典型电磁理论奠基人 , 气体动理论创始人之一。他提出了涡旋电场和位移电流概

10、念 , 建立了典型电磁理论 , 并预言了以光速传播电磁波存在。在气体动理论方面 , 他还提出了气体分子按速率分布统计规律。第29页第29页30 1865 年麦克斯韦在总结前人工作基础 上，提出完整电磁场理论，他主要奉献是提出了“涡旋电场”和“位移电流”两个假设，从而预言了电磁波存在，并计算出电磁波速度（即光速）。 1888 年赫兹试验证实了他预言，麦克斯韦理论奠定了典型动力学基础，为无线电技术和当代电子通讯技术发展开辟了辽阔前景。 ( 真空中 )第30页第30页31麦克斯韦 在1999年，英国广播公司（BBC）所评选出10来最伟大10位思想家中麦克斯韦与马克思、爱因斯坦、牛顿等人一起榜上有名，

11、他排名第九。 后由英国杂志物理世界在100位著名物理学家中选出10位最伟大者中，麦克斯韦紧跟爱因斯坦和牛顿排名第三。第31页第31页32 end赫兹-德国物理学家 赫兹对人类伟大奉献是用试验证实了电磁波存在，发觉了光电效应。1888年，成了近代科学史上一座里程碑。开创了无线电电子技术新纪元。赫兹对人类文明作出了很大奉献，合法人们对他寄以更大盼望时，他却于1894年因血中毒去世，年仅36岁。为了纪念他功绩，人们用他名字来命名各种波动频率单位，简称“赫”。第32页第32页 麦克斯韦（1831-1879）英国物理学家 . 典型电磁理论奠基人 , 气体动理论创始人之一 . 他提出了有旋场和位移电流概念

12、 , 建立了典型电磁理论 , 并预言了以光速传播电磁波存在 .在气体动理论方面 , 他还提出了气体分子按速率分布统计规律.课外 非真空方程组解说 第33页第33页 1865 年麦克斯韦在总结前人工作基础 上，提出完整电磁场理论，他主要奉献是提出了“有旋电场”和“位移电流”两个假设，从而预言了电磁波存在，并计算出电磁波速度（即光速）. 1888 年赫兹试验证实了他预言, 麦克斯韦理论奠定了典型动力学基础，为无线电技术和当代电子通讯技术发展开辟了辽阔前景. ( 真空中 )第34页第34页一 位移电流 全电流安培环路定理+-I（以 L 为边做任意曲面 S ）稳恒磁场中,安培环路定理第35页第35页 麦克斯韦假设 电场中某一点位移电流密度等于该点电位移矢量对时间改变率. 位移电流密度 +-IIAB第36页第36页 位移电流 位移电流密度 通过电场中某一截面位移电流等于通过该截面电位移通量对时间改变率.+- 全电流第37页第37页1）全电流是连续；2）位移电流和传导电流同样激发磁场；3）传导电流产生焦耳热，位移电流不产生焦耳热.+- 全电流第38页第38页 例1 有一圆形平行平板电容器, .现对其充电,使电路上传导电流 ,若略去边沿效