电磁场统一理论课件.ppt

1、磁悬浮列车 一一 掌握掌握并能熟练应用法拉第电磁感应并能熟练应用法拉第电磁感应定律和楞次定律来计算感应电动势，并判明定律和楞次定律来计算感应电动势，并判明其方向其方向.二二 理解理解动生电动势和感生电动势的本动生电动势和感生电动势的本质质.了解有旋电场的概念了解有旋电场的概念.三三 了解了解自感和互感的现象自感和互感的现象,会计算几何会计算几何形状简单的导体的自感和互感形状简单的导体的自感和互感.教学基本要求教学基本要求 四四 了解了解磁场具有能量和磁能密度的概磁场具有能量和磁能密度的概念念,会计算均匀磁场和对称磁场的能量会计算均匀磁场和对称磁场的能量.五五 了解了解位移电流和麦克斯韦电场的基

2、位移电流和麦克斯韦电场的基本概念以及麦克斯韦方程组（积分形式）本概念以及麦克斯韦方程组（积分形式）的物理意义的物理意义.教学基本要求教学基本要求l激发电场和磁场的根源电荷和电流是相互关联的，这就启迪我们：电场和磁场之间也必然存在着相互联系、相互制约的关系。电磁感应电磁感应定律的发现定律的发现以及位移电流概念位移电流概念的提出，阐明了变化的磁场能够激发电场，变化的电场能够激发磁场，充分揭示了电场和磁场的内在联系及电场和磁场的内在联系及依存关系依存关系。l在此基础上，麦克斯韦以麦克斯韦方程组的形式总结了普遍而完整的电磁场理论。电磁场理论不仅预言了电磁波的存在，揭示了光电磁本质，其辉煌的成就还极大地

3、推动了现代电工技术和无线电技术的发展，它推动人类社会发展到了信息时代。l本章重点讨论电磁感应现象和规律电磁感应现象和规律，包括动生电动势，感生电动势，自感和互感，磁场的能量，最后论述了麦克斯韦方程组所揭示的电磁麦克斯韦方程组所揭示的电磁场理论场理论。并简单介绍了电磁场的物质性、统一性、相对性。电电 流流磁磁 场场电磁感应电磁感应感应电流感应电流 1831年法拉第年法拉第闭合回路闭合回路变化变化m 实验实验产生产生产产 生生?问题的提出问题的提出作业：作业：13-1313-15P121：13-1913-1 电磁感应定律电磁感应定律GNS一一.法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律 ab abvR1

4、2Gm 当回路当回路 1中电流中电流发生变化时，在回路发生变化时，在回路 2中出现感应电流。中出现感应电流。SN 1 1、产生感应电流的五种情况、产生感应电流的五种情况1、磁棒插入或抽出线圈时，线圈中产生感生电流；磁棒插入或抽出线圈时，线圈中产生感生电流；2、通有电流的线圈替代上述磁棒，线圈中产生感生通有电流的线圈替代上述磁棒，线圈中产生感生电流；电流；3、两个位置固定的相互靠近的线圈，当其中一个线两个位置固定的相互靠近的线圈，当其中一个线圈上电流发生变化时，也会在另一个线圈内引起电流；圈上电流发生变化时，也会在另一个线圈内引起电流；4、放在稳恒磁场中的导线框，一边导线运动时线框放在稳恒磁场中

5、的导线框，一边导线运动时线框中有电流。中有电流。感应电流与感应电流与原电流本身无关原电流本身无关，而是与而是与原电流的变化有关原电流的变化有关。ababi viI电动势电动势i RiIiI形成形成产生产生 当通过回路的磁通量变化时，回路中就会当通过回路的磁通量变化时，回路中就会产生感应电动势。产生感应电动势。2.线圈内磁场变化线圈内磁场变化 SSdB 1.导线或线圈在磁场中运动导线或线圈在磁场中运动iddt 导体回路中产生的感应电动势的大小，与穿过导体回路中产生的感应电动势的大小，与穿过导体回路的磁通量对时间的变化率成正比。导体回路的磁通量对时间的变化率成正比。dtdki 感应电动势的方向感应

6、电动势的方向楞次定律楞次定律感应电动势感应电动势大小大小dtdi 2 2、电磁感应定律、电磁感应定律在在t1到到t2时间间隔内通过导线任一截面的时间间隔内通过导线任一截面的感应电量感应电量 21ttidtIqdtdtdRtt 211 211 dR121()R)(dtIdqi 对对N匝线圈匝线圈dtdNi dtNd)(mN 磁通链磁通链感应电流感应电流dtdRNRIii 二、楞次定律二、楞次定律 (判断感应电流方向判断感应电流方向)感应电流的感应电流的效果效果反抗引起感应电流的反抗引起感应电流的原因原因导线运动导线运动感应电流感应电流阻碍阻碍产生产生磁通量变化磁通量变化感应电流感应电流产生产生阻

7、碍阻碍 abvf闭合回路中感应电流的方向，总是使得它所激发的闭合回路中感应电流的方向，总是使得它所激发的磁场来阻止或补偿引起感应电流的磁通量的变化。磁场来阻止或补偿引起感应电流的磁通量的变化。楞次定律是能量守恒定律在电磁感应现象上的具体体现。楞次定律是能量守恒定律在电磁感应现象上的具体体现。判断感应电流的方向：判断感应电流的方向：感感BNSBiI感感BBiINS1、判明穿过闭合回路内原磁场、判明穿过闭合回路内原磁场 的方向；的方向；2、根据原磁通量的变化、根据原磁通量的变化 ,按照楞次定律的要求确定感按照楞次定律的要求确定感 应电流的磁场的方向；应电流的磁场的方向；3、按右手法则由感应电流磁场

8、的、按右手法则由感应电流磁场的 方向来确定感应电流的方向。方向来确定感应电流的方向。反反向向与与感感BBm 同同向向与与感感BBm miabcd1l2lhxdx例例2:无限长直导线无限长直导线tsinii 0 共面矩形线圈共面矩形线圈abcd求求:i 已知已知:1l2lh解解:2102lhhdxlxi hlhil210ln2dtdmi tcoshlhlnli 21002 SdBm tsinhlhlnli 21002 0i ii0l），因），因 r 很大，在通常的很大，在通常的研究范围内，研究范围内，的变化很小，故的变化很小，故 的振幅可看作恒的振幅可看作恒量，因而量，因而,E H vrtEE

9、cos0 vrtHH cos0平面电磁波方程平面电磁波方程二、平面电磁波二、平面电磁波平面电磁波示意图平面电磁波示意图2、电磁波是偏振波、电磁波是偏振波,HE,都在各自的平面内振动都在各自的平面内振动vEH 在无限大均匀绝缘介质在无限大均匀绝缘介质(或真空或真空)中中,平面电磁波的平面电磁波的性质概括如下性质概括如下:1、电磁波是横波、电磁波是横波,vHE,它们构成正交右旋关系它们构成正交右旋关系.相互垂直，相互垂直，HE,3、是同位相的，且是同位相的，且HE 都指向波的传播方向，即波速都指向波的传播方向，即波速u的方向的方向的方向在任意时刻的方向在任意时刻真空中真空中1800109979.2

10、1smcv实验测得真空中光速实验测得真空中光速181099792458.2smc光波是一种电磁波光波是一种电磁波5、电磁波的传播速度为电磁波的传播速度为 1 v即即 只与媒质的介电常数和磁导率有关只与媒质的介电常数和磁导率有关4、在同一点的在同一点的E、H值满足下式值满足下式:HE 根据麦克斯韦理论，在自由空间内的电场和磁场满足根据麦克斯韦理论，在自由空间内的电场和磁场满足 这样电场和磁场可以相互激发并以波的形式这样电场和磁场可以相互激发并以波的形式由近及由近及远远,以有限的速度在空间以有限的速度在空间传播开去，就形成了传播开去，就形成了电磁波电磁波。电磁波电磁波:BE dldStDH dld

11、St 解决途径解决途径：(1)提高回路振荡频率提高回路振荡频率1LCLC回路能否有效地发射电磁波回路能否有效地发射电磁波(1)振荡频率太低振荡频率太低LC电路的辐射功率电路的辐射功率4S(2)电磁场仅局限于电容器和自感线圈内电磁场仅局限于电容器和自感线圈内LC回路有回路有两个缺点两个缺点：?(2)实现回路的开放实现回路的开放三、振荡电路三、振荡电路 赫兹实验赫兹实验从从LC振荡电路振荡电路到振荡电偶极子到振荡电偶极子q q ildSC0 VnL20 振子振子发射发射谐振器谐振器接收接收电磁波的接收电磁波的接收感应圈感应圈ABCD赫兹赫兹-德国物理学家德国物理学家 赫兹对人类伟大的贡献是赫兹对人

12、类伟大的贡献是用实验用实验证实了电磁波的存在，证实了电磁波的存在，发现了光电效应发现了光电效应。1888年，成了近代科学史上的年，成了近代科学史上的一座里程碑。开创了一座里程碑。开创了无线电电子技术无线电电子技术的新纪元。的新纪元。赫兹对人类文明作出了很大贡献，正当人们对赫兹对人类文明作出了很大贡献，正当人们对他寄以更大期望时，他却于他寄以更大期望时，他却于1894年因血中毒逝世，年因血中毒逝世，年仅年仅36岁。为了纪念他的功绩，人们用他的名字来岁。为了纪念他的功绩，人们用他的名字来命名各种波动频率的单位，简称命名各种波动频率的单位，简称“赫赫”。四、电磁波谱四、电磁波谱将电磁波按将电磁波按波

13、长波长或或频率频率的顺序排列的顺序排列成谱成谱X射线射线紫外线紫外线红外线红外线微微 波波毫米波毫米波短无线电波短无线电波 射线射线频率频率(Hz)波长波长(m)25102010101051001015101510 1010 010510510 长无线电波长无线电波可见光可见光电磁波的应用电磁波的应用从从1888年年赫兹赫兹用实验证明了电磁波的存在，用实验证明了电磁波的存在，1895年年俄国科学家波波夫发明了俄国科学家波波夫发明了第一个无线电报系统第一个无线电报系统。1914年年语音通信语音通信成为可能。成为可能。1920年年商业商业无线电广播无线电广播开始使用开始使用。20世纪世纪30年代年

14、代发明了发明了雷达雷达。40年代年代雷达和通讯得到飞速发展，雷达和通讯得到飞速发展，自自50年代第一颗人造卫星上天，年代第一颗人造卫星上天，卫星通讯事业得到迅猛发展。卫星通讯事业得到迅猛发展。如今电磁波已在通讯、遥感、空间控测、军事应用、科学研究如今电磁波已在通讯、遥感、空间控测、军事应用、科学研究等诸多方面得到广泛的应用。等诸多方面得到广泛的应用。*13.5.3 电磁场的能量与动量电磁场的能量与动量一、电磁场的能量密度与能流密度一、电磁场的能量密度与能流密度电磁场中单位体积空间内能量称为电磁场的能电磁场中单位体积空间内能量称为电磁场的能量密度，用量密度，用 表示表示w单位时间通过电磁场中与能

15、量传播方向垂直的单单位时间通过电磁场中与能量传播方向垂直的单位面积上的能量称为能流密度，它是一个矢量，位面积上的能量称为能流密度，它是一个矢量，用用 表示。表示。S二、电磁场的能量密度与能流密度表达式二、电磁场的能量密度与能流密度表达式1.能量密度能量密度221Ewe 221Hwm 电场电场磁场磁场 2221HEwwwme 电磁场电磁场电磁波所携带的能量称为电磁波所携带的能量称为辐射能辐射能.2.能流密度能流密度(又叫辐射强度又叫辐射强度)单位时间内通过垂直于传播方向的单位面积单位时间内通过垂直于传播方向的单位面积的辐射能量的辐射能量(S)vHEwvS2221 1 vHE EHS SEHEHS

16、w能流密度矢量能流密度矢量坡印廷矢量坡印廷矢量对于振荡电偶极子辐射波对于振荡电偶极子辐射波,可导出可导出(自证推导自证推导)平均能流密度（辐射强度）平均能流密度（辐射强度）:vrsinpS2224042 上式表明上式表明:1)辐射具有方向性辐射具有方向性2)S与与 4成正比成正比三、电磁场的动量三、电磁场的动量相对论中相对论中420222cmcPE 真空中平面电磁波，其单位体真空中平面电磁波，其单位体积的动量（动量密度）大小：积的动量（动量密度）大小：cwVdWcdVdpg 1ScHEcg2211 动量为矢量，故动量为矢量，故 电磁波在物体表面反射或被吸收时必定产生压电磁波在物体表面反射或被吸

17、收时必定产生压强称为强称为辐射压强辐射压强。)EH(ccSw1 )(1220EHccEcwg 四、同步辐射四、同步辐射 BavS的角分布的角分布作匀速率圆周电荷作匀速率圆周电荷的同步辐射运动的同步辐射运动 在回旋加速器的磁场中在回旋加速器的磁场中作圆周运动的质子或电子就作圆周运动的质子或电子就要产生强烈的辐射，这时由要产生强烈的辐射，这时由加速器提供给粒子的能量将加速器提供给粒子的能量将有一部分转变为辐射能。当有一部分转变为辐射能。当粒子的速度接近光速时粒子粒子的速度接近光速时粒子辐射的能流密度的角分布形辐射的能流密度的角分布形成一个指向前方的锥形瓣，成一个指向前方的锥形瓣，随粒子运动，象一个转动的随粒子运动，象一个转动的探照灯束，这种辐射称为同探照灯束，这种辐射称为同步辐射。步辐射。五、电磁场是物质的一种形态五、电磁场是物质的一种形态能量和动量都是物质运动的量度能量和动量都是物质运动的量度运动是物质存在的形式运动是物质存在的形式电磁场具有能量和动量，它是物质的一种形态。电磁场具有能量和动量，它是物质的一种形态。