宏观电磁现象的基本规律.ppt

1、电磁场与电磁波理论，第二章宏命令电磁现象的基本规律，第二章宏命令电磁现象的基本规律，基本要求：掌握电场强度、电位、极化强度、电位移矢量、电流强度、磁感应强度、磁场强度等物理量的基本概念库仑定律等，掌握电磁场的基本规律和麦克斯韦方程组和边界条件。 电磁场与电磁波理论，第2章宏命令电磁现象的基本规律，2.1基本电磁物理量，2.1.1电荷密度(Charge Density )，电量(或)带电体所带的电荷量。 电量是标量，单位是库仑() 根据物质的构造理论，带电体的带电量是不连续分布的，是电子电量的整数倍。 但是，观察一个带电物体的宏命令电特性时，可以观察到很多带电粒子的平均效果。 因此，可以认为带电

2、体内的电荷分布大致连续，使用电荷密度记述其电荷分布状况。 根据带电体的形状，可以用体电荷密度、面电荷密度、线电荷密度来表示。 电磁场与电磁波理论，第2章宏命令电磁现象的基本规律，体积电荷密度(volume charge density )单位体积内的电荷，(2.1.1)，面电荷密度(surface charge density )单位面积内的电荷，(2.1.2)，(2.1.3) 线电荷密度(line charge density )单位长度的电荷、电磁场与电磁波理论、第2章宏命令电磁现象的基本规律、点电荷(point charge )是体积小、电量大的带电小球体。 单位点电荷的密度带电量为1库

3、仑的点电荷的电荷密度，(2.1.4)、(2.1.5)、(2.1.6)、(2.1.7)，狄拉克(Dirac )函数的性质：电磁场与电磁波理论，第二章宏命令电磁现象的基本定律，点电荷系统，空间的同一位置只存在一个电荷分布。总电量、充电元件、电磁场与电磁波理论、第2章宏命令电磁现象的基本规律、2.1.2电场强度、电场力(electric force )带电体在电场中受到的电场就是其力。 试验电荷(test charge )的电量一盏茶小的点电荷。 那个引进不会影响本来的电场。 实验还表明，电场力的大小与试验电荷的电量成正比。 另外，该比与试验电荷的大小无关，仅根据试验电荷的位置而变化，适于表现电场的

4、性质。 电场强度单位的正电荷所受到的电场力。 电磁场与电磁波理论，第2章宏命令电磁现象的基本规律，(2.1.10 )电力线用于形象地表现空间电场分布的空间有向图。 其疏密度表示电场强度的大小，其切线方向表示电场强度的方向。 一些典型的电力线分布、电磁场与电磁波理论、第2章宏命令电磁现象的基本规律、2.1.3电极化强度(Polarization Vector )、电偶极子(dipole )介电质(即绝缘体)中的分子在电场的作用下形成的一对一等异号点电荷。 偶极矩向量(dipole moment )的大小等于点电荷的电量与间距之积，方向从负电荷开始，包括正电荷、电磁场与电磁波理论，第二章宏命令电磁

5、现象基本规律，介电质极化介电质在电场作用下表面出现面极化电荷，内部也可能出现体积极化电荷。 电磁场与电磁波理论，第2章宏命令电磁现象的基本规律，电极化强度单位体积内的分子电偶极子距离的矢量和。 (2.1.11 )式中有无限小的量，远远小于介质的不均匀性。 但是，它相对无限小，在数学上应该不是绝对无限小，而是大于分子、原子的间隔。如果在介质中取一个闭合曲面，则可以证明(2.1.12 )、极化电荷和束缚电荷、电磁场和电磁波理论、第2章宏命令电磁现象的基本定律、合成电场施加电场和极化电荷引起的施加电场之和、线性各向同性介电质中的极化强度、(2.1. 1.3 ) (2.1. 1.4 )、真空介电常数(

6、permittivity ) 一般来说，施加电场和施加电场方向相反，因此电极化率(electric susceptibility )、电磁场与电磁波理论、第2章宏命令电磁现象的基本定律、线性各向同性的介电质、2.1.4电位移、电位移或电流束密度是用于使计算变得容易的引出量(2.1.15 )， 介电常数和相对电容率，电磁场与电磁波理论，第2章宏命令电磁现象的基本规律，表2.1.1一些常见的介电质相对电容率，在各向异性现象介质(等离子体)上也有电位移和电场不同的方向。 其介电常数和相对电容率不是常数，而是所谓的“张量”。 电磁场与电磁波理论，第2章宏命令电磁现象的基本规律，电流的正方向上规定了正电

7、荷运动的方向。 如果电流强度的大小不随时间而变化，则该电流称为恒定电流，否则称为时变电流。 电流的强度表示通过处于单位时间的截面整体的电量，但是由于单位时间没有表示通过截面任意点的电量和电荷运动方向，因此导入电流密度的概念来补偿这一不足。2.1.5根据电流密度(Current Density )、电流单位时间内通过截面的电荷量、(2.1.19 )、电磁场与电磁波理论、第2章宏命令电磁现象的基本规律、电流强度与电流密度、电流通过截面的形状，可以将电流分为体电流、面电流与线电流。 电磁场与电磁波理论、第2章宏命令电磁现象的基本规律、体电流的面密度的大小与单位时间内通过与该电流垂直的单位面积的电力量

8、或通过与该电流垂直的单位面积的电流相等，方向与该点的正电荷的运动方向一致。 (2.1.20 )是与电流方向垂直的截面。 电流的方向和截面的法线方向之间的角度。 电磁场与电磁波理论，第2章宏命令电磁现象的基本规律，(2.1.23 )面电流的线性密度的大小等于单位时间内通过与该电流垂直的单位长度的电力量或通过与该电流垂直的单位长度的电流，方向与该点的正电荷的运动方向一致。 垂直于电流方向的截面。 电流方向与所取线段垂线之间的角度。 电磁场与电磁波理论，第2章宏命令电磁现象的基本规律，线电流，总电流，电流要素，只存在于空间的同一位置。 电磁场与电磁波理论，第二章宏命令电磁现象的基本规律，欧姆(Ohm

9、 )规律的微分形式，电导率，单位为每西门子1米，导电介质中任意点的体电流密度与该点的电场强度成正比。(2.1.22 )，电阻率，单位为欧姆，电磁场与电磁波理论，第2章宏命令电磁现象的基本规律，表2.1.2一些常见导电介质的电导率，电磁场与电磁波理论，第2章宏命令电磁现象的基本规律，洛伦兹力运动电荷在磁场中受到的磁场力，在其2.1.6磁感应强度(Magnetic Flux Density )、(2.1.24 )电荷的运动方向与磁场方向一致时，该电荷受到的洛伦兹力为0，在电荷的运动方向与磁场的方向垂直时，该电荷受到的洛伦兹力最大。 电磁场与电磁波理论，第2章从宏命令电磁现象的基本规律中得到，静电荷

10、不受洛伦兹力的作用。运动电荷受到的洛伦兹力总是垂直于电荷的运动速度矢量，也就是说洛伦兹力的作用只是改变电荷运动的方向，不能改变电荷运动的速度。 也就是说，磁场和运动电荷之间不存在能量的相互交换。 磁感应强度的大小等于洛伦兹力的最大值与乘积的比，方向是其磁场的方向。 (2.1.24 )磁力线形象地表示空间磁场分布的有向图。 其疏密度表示磁场的大小，其切线方向表示磁场的方向。 电磁场与电磁波理论，第2章宏命令电磁现象的基本规律，2.1.7磁化强度，磁偶极子面积小的电流环，偶极矩矢量的大小与电流和小环面积的积相等的方向是小环的法线方向，其正方向和电流的流向是右手的螺旋关系，电磁场与电磁波理论， 第2

11、章宏命令电磁现象的基本定律，当磁性介质的磁化(magnetism )存在外磁场时，磁性介质中的偶极矩方向变化，与磁性偶极矩的矢量不为零，而是向外磁效应，即磁性介质被磁化。 磁化强度单位体积内的分子磁偶极子距离的矢量和。 在(2.1.25 )式中是无限小的量，远远小于媒体的不均匀性。 但是，它相对无限小，在数学上应该不是绝对无限小，而是大于分子、原子的间隔。 电磁场与电磁波理论、第2章宏命令电磁现象的基本规律、合成磁场外加磁场与外加磁场之和、磁介质材料不同、磁化后产生的外加磁场也不同。 施加磁场的磁偶极子再排列产生的磁场、(2.1.26 )、电磁场和电磁波理论、第2章宏命令电磁现象的基本定律、2

12、.1.8磁场强度、真空磁导率(permeability )、磁场强度为便于计算的引出量、(2.1.27 )线性各向同性(isotropic ) (2.1.28 )、磁化率、各向异性现象的磁性介质中(镍锌铁氧体)的磁化强度具有与磁场不同的方向。电磁场与电磁波理论、第2章宏命令电磁现象的基本规律、线性各向同性磁性介质中的磁感应强度、(2.1.29 )、相对磁导率、(绝对)磁导率、电磁场与电磁波理论、第2章宏命令电磁现象的基本规律、表2.1.3常见磁性介质的相对磁导率、各向异性现象磁性介质(镍锌铁氧体)中的磁感应强度与磁场也沿不同方向其磁导率和相对磁导率不是常数，而是所谓的“张量”。电磁场与电磁波理

13、论，第2章宏命令电磁现象的基本定律，基本电磁物理量的关系，电场力、磁场力、欧姆定律的微分形式，电磁场与电磁波理论，第2章宏命令电磁现象的基本定律，2.2电磁场基本定律， 2.2.1库仑定律库仑定律：真空中两点电荷之间相互作用力的大小与电量的积成正比，与它们之间距离的平方成反比，作用力的方向沿它们的线，同性电荷相互排斥，异性电荷相互吸引。 (2.2.1)、电磁场与电磁波理论，第2章宏命令电磁现象的基本定律，电荷间的相互作用力满足牛顿第3定律。 (2.2.5)、电场力遵循重日式榻榻米原理。点电荷系对实验电荷的作用力、(2.2.8)、点电荷对实验电荷的作用力、(2.2.6)、电磁场与电磁波理论、第2

14、章宏命令电磁现象的基本规律、不同电荷分布的电场强度、点电荷的电场、(2.2.7)、点电荷系的电场、(2.2.9)、电磁场与电磁波理论、 第二章宏命令电磁现象基本规律体电荷分布的电场、面电荷分布的电场、线电荷分布的电场、(2.2.12 )、(2.2.11 )、(2.2.10 )、电磁场与电磁波理论、第二章宏命令电磁现象的基本规律、总电场等于所有不同电荷分布引起的电场的重日式榻榻米。 电力线从正电荷出发，终止负电荷。 一些典型的电界线分布：电磁场与电磁波理论、第2章宏命令电磁现象的基本规律、静电场的环量规律：静电场的电场强度可沿任意闭环路达到零环量。 使用(2.2.13 )点电荷时容易验证。 静电

15、场是无回转场，这种场常被称为保守场。 实验电荷在维护场中沿任意闭合电路旋转一周，电场力为零，即(2.2.14 )、电磁场与电磁波理论、第2章宏命令电磁现象的基本定律、2.2.2高斯定律(Gausss Law )、电流束(electric Flux )、真空中的高斯定律：任意闭合曲面(Gausss Law )。 (2.2.16 )、任意闭合曲面、闭合曲面围绕所有电荷(体电荷、面电荷、线电荷和点电荷)、闭合曲面围绕的体积、任意曲面、电磁场与电磁波的理论、第2章宏命令电磁现象的基本定律、高斯定律可以用库仑定律的另一种表示形式直接导出。 首先，假设电场由一个点电荷产生，根据库仑定律，该电场通过怎样的闭

16、合曲面得到无损音频压缩编码，则(2.2.15 )，上式的面积部分表示闭合曲面向有点电荷的点扩张的立体角，从数学上导出，由此，点电荷的高斯定律、电磁第二章宏命令电磁现象的基本规律，如果电场由点电荷系统产生，则从库仑定律的重日式榻榻米性得到点电荷系统的高斯规律，利用电荷源的概念得到任意电荷分布的高斯规律，(2.2.17 )、(2.2.18 )点电荷，由于线电荷和面电荷是体电荷分布的特殊情况， 式(2.2. 1.8 )可以看作高斯定律的最一般形式，但除此以外是式(2.2. 1.8 )的特例。 电磁场与电磁波理论，第2章宏命令电磁现象的基本规律，介电质中的高斯规律：静电场通过任意高斯面的电位移通量等于其曲面包围的自由电荷。 另一方面，通过任意的高斯面的电场强度通量与其封闭曲面所包围的自由电荷和极化电荷有关系，即任意的封闭曲面、封闭曲面所包围的自由电荷、封闭曲面所包围的体积、(2.2.21 )、(2.2.20 )、封闭曲面所包围的极化电荷(体极化电荷和面分) 第二章宏命令电磁现象的基本规律证明：由电位移的定义得到的真空中的高斯规律，有的由式(2.1. 1.2 )、上一节的式(2.1. 1.2