高中三年级物理《电磁场与电磁波》

热力学系统的平衡态及准静过程主讲人：本章内容位移电流全电流安培环路定律麦克斯韦方程组电磁波的性质电磁波的产生与传播电磁波的能量本章内容第一节Amperecircuitaltheoremfortotalelectriccurrentdisplacementcurrent位移电流全电流安培环路定律汇报人：WPS引言K引言恒定磁场的安培环路定理在电容器充(放)电情况中遇到的问题麦克斯韦研究产生这种矛盾的原因,提出了位移电流假说全电流安培环路定理s封闭l周界非封闭s1非封闭s1非封闭s10ldHl2s对两极板间中断IcIcIc++++qq2s非封闭分割公共周界线ldHlIc对s1导线上有变化的传导电流Ic位移电流位移电流一、充电过程中某时刻tFDtddqtdd电场中也具有电流的量纲与等量值,并Ic++++IcDcjqq+传导电流Icqtdd电路中FDtdd称为位移电流FDtddIDssFDDdsq作封闭面应用s高斯定理麦克斯韦把电位移通量对时间的变化率：把eDte位移电流密度称为eDtejD全电流全电流传导电流+位移电流定义:传导电流是由运动的电荷产生,在导体中传播时会产生焦耳热.位移电流仅由变化的电场所引起,它既可沿导体传播,也可脱离导体不产生焦耳热.在真空中传播,但IDIcScjdS+SdSeDteIDIcsI+ScjdS+SDjdS二、全电流全电流安培环路定理对恒定和非恒定情况均适用.例如,前述电容器充电的非恒定情况:s1对0ldHlIc+Ic2s对FDtddId0ldHl+((IcldHlIdIcsI+jcds+eDteds全电流安培环路定理(全电流定理)ss传导电流位移电流磁场变化的电场予示产生的规律.并定理表明都能产生,磁场Ic0在的空间ldlHeDtedss三、全电流安培环路定理例例题DH0RrlDH+++++D空气eBHm0D0EIc0两极板间电场均匀,极板半径R例0充电过程已知求B分布tEdd则在处产生的磁场大小为rH2pHrpR2()rRpr2()rRldlHsdsDddtDddtDddtrRrRH21B21m0e0R2rR2rH21rB21m0e0rDddtDddttEddtEdd式的右方无负号,(或)的方向如何判断？HBldlHsdsDddt回顾回顾麦克斯韦先后的两个重要发现变化的磁场感生电场（涡旋电场）B()t0Bddt例如螺线管充磁过程LdlEBdtFdmBdssdtdsdtdBdsEBB变化的电场变化的磁场ldlHsDtdsdd例如电容器充电过程D()t0DddtH两极板间第二节麦克斯韦的电磁场理论Maxwell'selectromagnneticfieldtheory麦氏电磁场理论(中年)麦克斯韦(1831-1879)在充满变化的电场空间同时也充满变化的磁场,反之亦然,二者相互联系,相互转化。电场和磁场的统一体称为电磁场。静电场和稳恒磁场都只不过是电磁场的两种特殊的表现形式。如果不考虑介质吸收电磁场的能量,则电场与磁场之间的相互转化过程会永远循环下去,形成相互联系在一起的不可分割的统一的电磁场运动,并由近及远地传播出去形成电磁波。定理推广1麦克斯韦对电场高斯定理环路定理磁场高斯定理环路定理的推广麦克斯韦认为:空间任一点的电场强度静EE+E感空间任一点的电位移矢量静DD+D感1.推广后的电场环路定理ldlE+ldlE静ldlE感0+((stBdseestBdseeldlEstBdsee2.推广后的电场高斯定理感SdSD静SdSD+SdSDSqi+0SqidVrV的分布带电体对于电荷连续dSDSdVrV定理推广1麦克斯韦认为:1.推广后的电场环路定理ldlEstBdsee2.推广后的电场高斯定理dSDSdVrV3.推广后的磁场高斯定理SdSB04.推广后的磁场环路定理无论稳恒磁场或变化电场产生的磁场都是无源场所有的磁场线都是闭合曲线ldHlIDIcsI+ScjdS+SdSeDte((Scj+eDteSdldHl((Scj+eDteSd全电流安培环路定理推广后的安培环路定律就是方程组再现这就是著名的电磁场基本方程麦克斯韦方程组的积分形式SdSB0ldHl((Scj+eDteSdldlEstBdseedSDSdVrV方程组再现高斯公式斯托克斯公式dSASdVVAdivdllAdssArot根据可以把麦克斯韦方程组由积分形式转换为微分形式SdSB0ldHl((Scj+eDteSddSDSdVrVldlEstBdseerDdivtBeeErot0BdivHrotcj+eDte微分形式积分形式历史意义电磁运动普遍规律的精髓静电场与恒定磁场变化电场与变化磁场基本性质及相互关系概括了经典电磁场理论的基石十九世纪物理学发展史上的里程碑电磁波+~electromagneticwave电磁波赫兹的实验接高压电源振荡火花诱发火花赫兹(1857-1894)麦克斯韦于1862年预言电磁波的存在.25年后,赫兹于1887年首次从实验中获得了电磁波.将感应线圈电极产发射:带有筒球和锌板的生的振荡高压,接至接收:弯成圆弧形的铜线两端接有铜球,调节铜球间的距离,能产生诱发火花,表明接收到电磁波.产生振荡火花,发射电磁波.导体棒,两铜球之间电磁波的产生LC电磁振荡电路LCEKLC电磁振荡电路L+CAL+CCLCBLCD一、电磁波的产生与传播电磁波的产生从LC振荡电路到振荡电偶极子~振荡电路LCLC激励源~激励源振荡电路LC半开放式~激励源振荡电路LC开放式~激励源振荡电偶极子一、电磁波的产生与传播振荡电偶极子基本物理模型振荡电偶极子偶极矩cos0pwtpp0w振幅角频率一对作周期性往复运动的正负电荷所形成的电偶极子振荡偶极子辐射电磁波过程示意(步进分解):p~+动态振荡过程t0+EE电偶极子的某一对电力线+HEE两电荷相遇,电力线闭合,产生涡旋电场并激发磁场.t4T+2TtHEHE振荡电偶极子完成正半周的振荡+HEHE34tTHEHE正负电荷反向相遇时新产生的涡旋电场绕向与t=T/4时的相反.+2T4tTHEHE变化的电场和变化的磁场相互激发,相互感生,向外传播.+4t0T两电荷相对靠近,电力线相对向外扩展.EE+34tT2T振荡电偶极子进行负半周的振荡HEHE过程浏览+EE+EEHEEHH++EEt=0t=T/4过程浏览EEHH+EEHH++HHEEEEHHt=T/2t=3T/4振子的电磁波场EH+~+~极轴在子午面(一系列包含极轴的平面)内.E在与赤道面平行的平面内.H振荡电偶极子发射的电磁波续5EHOEEHHO+~rr+~振荡电偶极子发射的电磁波在子午面(一系列包含极轴的平面)内.E在与赤道面平行的平面内.H传播方向沿的方向.rEH与相互垂直.EH波场中任一点的+~+~极轴接收1超高頻发射机发射天线E该接收天线与E平行时,感生电动势.eilEdl的绝对值最大接收2超高頻发射机发射天线H该接收天线(平面线圈)的法线与H平行时,感应电动势eidFdt的绝对值最大电磁波动方程介质me,EHrqu极轴P~波速P~cos0wtpp0w振幅角频率E和H的波动方程cosprE.mp0w24..sinqw()turHemcospr.p0w24..sinqw()tur波动因子均与rw2成比例EHme实验和理论还证明,波速u1em方向性因子q02qp波幅为零波幅最大p,二、电磁波的波动方程平面电磁波OEH0电磁波的振幅ru介质em,E.cosw()turE0HH0cosw()turHE~+远离偶极子处视为平面波波源平面电磁波的波动方程性质小结三、电磁波的基本性质eEmH00且同频率、同相位且都E构成右旋直角坐标E、H、uHucosprE.mp0w24..sinqw()turHemcospr.p0w24..sinqw()tur在真空中u1meuCuHE着重三点:电磁波基本性质电磁波的能量电磁场中某点某时刻的电场和磁场总能量密度wwewm+21eE2+mH2)(电磁波特性emEHem1uemEHu1EH)(Jm3回忆相关概念电场能量密度we21eE2磁场能量