理学电磁现象的普遍规律PPT课件

1、11.1 1.1 电荷与电场电荷与电场Electric Charge and Electric Field 第1页/共175页2rrQQF3041rxzyxxQQ式中zyxzyxezeyexxezeyexx第2页/共175页3FrrQQF3041zyxezzeyyexxxxr)()()(rezzeyyexxxxrzyx)()()( F 与 F满足牛顿第三定律。第3页/共175页4第4页/共175页5FEQrrQE3041rzyxQQ第5页/共175页6niiiirrQxE13041)(iriQxyz),(zyxP第6页/共175页7xrxzyx),(zyxP301( )( )4Vx rE xd

2、Vr 第7页/共175页80QsdES第8页/共175页9303022000000141cos4cos444444SSSSSSSQE dsr dsrQrdsrQdsQdsrrQQddQQ 第9页/共175页1012121122330102112222010244coscos44SSSSSr dsr dsQQE dsrrdsdsQQrr11122112222222cos cos dsdsdrrdsdsdrr 120 04SSSQE dsdd 第10页/共175页11i01 (QiiSE dsQS在 内）01SVE dsdV第11页/共175页1201SVE dsdV001VVE)(1)(0 xx

3、E00011limlimSVVVE dsdVVV第12页/共175页13301( )( )4Vx rE xdVr 330033000001( )1( )( )4411( )( )441( ) 4()41( ) ()1( )VVVVVVx rx rE xdVdVrrrrxdVxdVrrxxxdVxxx dVx 第13页/共175页1434()rxxr( ) ()( )Vxxx dVx3333)()()()(rrxrrxrrxrrxfff)(第14页/共175页15第15页/共175页160)1(444cos44020303030rdQrdrQrrdrQrdlrQl drrQl dEL0Ll dE

4、第16页/共175页1700limlim()0SLnSSE dSE dlESS 0)(xE第17页/共175页18301( )( )4Vx rE xdVr 33003300301( )1( )( )4411( )( )441( )40VVVVVx rx rE xdVdVrrrrxdVxdVrrrxdVr fff)(第18页/共175页1930001( )11( )( )()4411( )4( )VVVxE xrdVxdVrrxdVrx 31rrrVdrxx)(41)(0第19页/共175页20)()(xxE0)(x0)()(xxE0)(xE第20页/共175页210)()(1)(0 xExxE

5、010SVLE dsdVE dl第21页/共175页22202030444QE dSEdSr EQErQrErar第22页/共175页2330303032444arQEaQrEaQrErdSESdEarrrQararQE 4 4303033333343434aQraQrrar第23页/共175页2403030434aQraQE0430rrQE33343)0(0aQrrrrararE 0 0第24页/共175页250430raQEr0 0E0)0(03rrrr0430rrQE第25页/共175页260rEEaEarrrQararQE 4 43030ararE 0 0r0 0E第26页/共175页

6、271.2 1.2 电流和磁场电流和磁场Electric Current and Magnetic Field 第27页/共175页28第28页/共175页29iiivJvJ或JSdJJdSSJddIcosSsdJIJSdSd 第29页/共175页30SVVVSdtddtdsdJ第30页/共175页31SVJ dsJdV ()0VJdVt0tJ第31页/共175页32Vddtd00 J0t第32页/共175页3322dJ011221221312()4J dJ drdFr1221rr 11dJ022112112321()4J dJ drdFrnnJdJdS dlJdS dlIdl01122122

7、1321022112112321()4()4I dlI dlrdFrI dlI dlrdFr12r22l dI11l dI第33页/共175页342111dFI dlB022123124LI dlrBr12r22l dI11l dI第34页/共175页3503( )( )4J xrB xdVr 03( )4LIdlrB xrJdVIdl 第35页/共175页36rIB20IrrIdlBl dBLL0022I第36页/共175页37022110220rIlrIll dBl dBl dBl dBl dBl dBl dBRSPQSPRSQRPQLISRQP1l2l第37页/共175页38LIl dB

8、0第38页/共175页39LSSdJl dB00000limlimlimSSLSSSB dSB dlJ dSSSSJB00()nnBJ第39页/共175页400SdBS0 B0lim0VSdBSV第40页/共175页41)1()()(1)()1()(rxJxJrxJrrxJ003( )1( )( )44VVJ xrB xdVJ xdVrr fff)(第41页/共175页420001( )( )4( )4( )()4VVVB xJ xdVrJ xdVrJ xdVrA 0( )( )4VJ xA xdVr0)(AB第42页/共175页43AAxAxB2)()()(00( )( )( )44VVJ

9、xJ xA xdVdVrrrr11)()1()(1)()1()(xJrxJrxJrrxJ第43页/共175页440)(xJ000( )1( )()( )441()( )4VVVJ xA xdVJ x dVrrJ x dVr )(1)()1()(xJrxJrrxJrxJxJr)()()1(第44页/共175页4500001( )()( )4( )4( )4( )40VVSnSA xJ x dVrJ xdVrJ xdSrJx dSr 第45页/共175页4622200000( )1( )( )44( ) 4()4( ) ()( )VVVVJ xA xdVJ xdVrrJ xxxdVJ xxx dV

10、J x )(412xxr)()()(02xJAAxB)()(0 xJxB( ) ()( )Vf xxx dVf x第46页/共175页47220030033003200( )( )( )44( )( )441( )( )44( )4( )VVVVSSSJ xrA xdVJ xdVrrrrJ xdVJ xdVrrrJ xdSJ xdSrrJ xdJ x )()()(02xJAAxB)()(0 xJxB第47页/共175页48)()(0)(0 xJxBxBLSIl dBSdB00第48页/共175页49erIBrIBIrBdlBl dB222000第49页/共175页5022222/aIraIrJ

11、reaIrBaIrBaIrrBdlBl dB20202202 22ar 2ar 2 020erIeaIrB第50页/共175页5101BrBzBBrrBrrBzr1)(1r0 0B01BrBerIB20eaIrB202第51页/共175页52zrzrrzeBrrBrrerBzBezBBrB1)(1)()1(0)(1zrerBrrezBBJeaIerBrrezBBzzr020)(1erIB20eaIrB202ar 0ar 20zeaIB第52页/共175页53J0rBBaBar 2 ar 2020erIeaIrBr0 0Bar 0ar 20zeaIB第53页/共175页541.3 1.3 麦克斯

12、韦方程组麦克斯韦方程组Maxwells equations 第54页/共175页55000 0EEBBJ第55页/共175页56SmsdBdtddtdSsdtB第56页/共175页57Ll dE感SLsdtBl dE感第57页/共175页58SSsdtBsdE感tBE感感静EEE第58页/共175页59纵场静静 0 0EE横场感感 0tBEE第59页/共175页60EtxBxExxE)()()()(0感静EEE0感静EEEtBEEE感静第60页/共175页6100 0EBEtBBJ 第61页/共175页62第62页/共175页630Jt 0tJ0J第63页/共175页640tJ0)(0JB 0

13、JB0J第64页/共175页65E00)()()(00DJJtEJEtJtJ0000()DEBJJJt 第65页/共175页66 ()0BEtBEBttB 常数第66页/共175页670000, 0,EBEtBEBJt 第67页/共175页68000, 0, BEEtEBBt 第68页/共175页69dVEEQFdeEdVJBdVJFdm第69页/共175页70BJEdVFdfFqEqvBBdVJdVEFdFdFdme第70页/共175页710000 0EBEtBEBJt BveEeF第71页/共175页721.4 1.4 介质的电磁性质介质的电磁性质Electromagnetic Prope

14、rty in Medium 第72页/共175页73第73页/共175页74第74页/共175页75无极分子的位移极化无极分子的位移极化 无极分子电介质处在电场中时，分子的正无极分子电介质处在电场中时，分子的正负电荷中心发生位移从而形成分子电偶极子。负电荷中心发生位移从而形成分子电偶极子。此时电介此时电介质中的分子电偶极矩的矢量和不为零。中的分子电偶极矩的矢量和不为零。称为称为位移位移极化。极化。0E位移极化主要是电子发生位移第75页/共175页76有极分子的取向极化有极分子的取向极化 有极分子电介质处在电场中时，分子的电偶极子有极分子电介质处在电场中时，分子的电偶极子发生取向排列，从而使得分

15、子的电偶极矩的矢量和发生取向排列，从而使得分子的电偶极矩的矢量和不为零。称为不为零。称为取向取向极化。极化。 有极分子处在电场中时，会同时产生有极分子处在电场中时，会同时产生位移极化位移极化和取向和取向极化。极化。取向极化0E第76页/共175页77iipPViiilqp第77页/共175页78Sd第78页/共175页79sdPsdpnsdlqndQiSsdPQ第79页/共175页80PVVSdVP dsPdV PP由于电荷守恒，V内产生的负电荷为由高斯定理有PVSQdP ds 非均匀介质极化后一般在整个介质内部都出现束缚电荷；在均匀介质内部，束缚电荷只出现在介质分界面处以及自由电荷附近。第8

16、0页/共175页810tJPPtPPttJPP称为极化电流密度 tPJP第81页/共175页82 设V V内每个带电粒子的位置为 ，电荷为其中的电偶极矩定义为ixVxePiiiePiiiiJvVvetPiiixerexxexexexeiii)(1221r2xzyx1x1ee 2ee第82页/共175页83nedsh1P 介质1 介质22P第83页/共175页84sdP2sdP1sdPPsdPsdPdQP)(12212121()()PndsPPdsPPe ds 21()PnePP 第84页/共175页85B第85页/共175页86iimM a im分子电流的磁偶极矩mi第86页/共175页87第

17、87页/共175页88Ll danal d第88页/共175页89LLLMl dMl dmnl dainIMJSLSMsdMl dMSdJ)(MJM()0MJM 第89页/共175页900MJM2M1M21()MneMM第90页/共175页91JSdlnete第91页/共175页92PfPfMtPJJJJJfMPftEMtPJBBtBEPEff0000)( , 0 ),(10000, 0,BEEtEBBJt 第92页/共175页93tEMtPJBBtBEPEff0000)( , 0 ),(1MBHPED00 ,)()(0)(000PEtJMBBtBEPEfftDJHBtBEDff0第93页/共

18、175页94介质中的麦克斯韦方程组tDJHBtBEDff0MBHPED00 ,第94页/共175页95HBDE,),()(0MHBMHB),(0PEDPED第95页/共175页96EEEEEPEDree00000)1 ( 0 eMPEMH HHHHHMHBrMM000000)1 ( Mrrerr1 , 1 , 00第96页/共175页97EJHBED第97页/共175页98麦克斯韦方程组的自洽性和完备性 麦克斯韦方程组是讨论电磁场理论的出发点，它描述了电磁场这种物质运动形态的运动、变化的根本规律。现在，我们必须要知道，作为一组联立的方程，它们之间有无内在矛盾？在场的初始条件和边界条件下，这组方

19、程的解答是否唯一可靠？ 第98页/共175页99麦克斯韦方程组的自洽性 所谓自洽性，就是要求从不同角度出发导出的四个方程彼此之间不相互矛盾。0DBEtBDHJt ()0,BEBBCtt DC()()0HJDJDttDDttt 第99页/共175页100 所谓完备性，就是说在给定电荷电流分布的条件下，如果初始条件和边界条件都已确定，那么麦克斯韦方程组的解是唯一的，亦即为了找出唯一解不需要再引入任何附加条件。 可以证明麦克斯韦方程组是完备性的，亦称解的唯一性原理。 麦克斯韦方程组的完备性第100页/共175页1011.5 电磁场边值关系电磁场边值关系Boundary Conditions of E

20、lectromagnetic Field 第101页/共175页1020E第102页/共175页1030LSfLSfSSdE dlB dsdtdH dlID dsdtD dsQB ds 麦克斯韦方程组的微分形式和积分形式0 BDtDJHtBEff0dBddDsdDdtdSdJsdHsdBdtdsdEVVfVSSfSSS第103页/共175页104 ne2dsh1E 介质1 介质22E2e1e1dsds第104页/共175页105PfSQQsdE01230012301122()()SSSSE dsE dsEdsEdsE eEe dsfSD dsQfPfPQQdSdS第105页/共175页1061

21、2 , nneeee 021()nfPeEE210(), PnePPDEPE 21()nfeDD第106页/共175页1070SsdBB21()0neBBnnBB12第107页/共175页108dVtSdJVSJne2dsh1J 介质1 介质22J2e1e1dsds第108页/共175页1092121nnSSVeJ dSeJ dSdt 21()nSSeJJ dSdSt 21()neJJt nnJJ12dtSdJVS第109页/共175页110021212121()()()()nfPnPnfneEEePPeDDeJJt 第110页/共175页111JSdlnete第111页/共175页112ne

22、te2H1H介质2介质1lIl 第112页/共175页113SfLsdDdtdIdlH112221()tLH dlHlHlHHel laIff 0SdD dsdt第113页/共175页11421()tfHHell 21()tfHHefttHH12tlle 2121 /()()()tfntfnHHeeeHHe()()()fnffnfnIelelle 第114页/共175页11521()nfeHH2121 /2121 /()()()()nnnneHHeHHeHHeHHn21 /()()nnfneHHee()()()nfnnnfnfnfeeeeee第115页/共175页11621()0neEE第11

23、6页/共175页117LMIl dM21()nMeMM第117页/共175页11821212121()0()()()0nnnneEEeHHeDDeBBnnnnttttBBDDHHEE12121212第118页/共175页119212121()()()nPnnMePPeJJteMM 212121nnPnnttMPPJJtMM 第119页/共175页120导体1E2E1介质2介质ff导体ppp第120页/共175页121nnDD122222220fffEEDD1111110fffEEDD第121页/共175页122PnnEE)(120fPEE)()(1020120)1 (1010fPE)1 (20

24、20 fPE0 PPP第122页/共175页1231.6 电磁场的能量和能流电磁场的能量和能流Energy and Energy Flow of Electromagnetic Field 第123页/共175页124第124页/共175页125第125页/共175页126),(txww),(txSS第126页/共175页127VWf vdVVdwdVdtdS第127页/共175页128vftwSdf vdVwdVdt SVVdS df vdVwdVdt第128页/共175页129EJEvvBvEvf)(twSEJtDJHtDHJ0)(vBv第129页/共175页130tDEHEJE)(0tB

25、E0)(tBHEH()()()()DBE JEHEHEHttDBEHEHEHtt EE第130页/共175页131()()()fgfgfg tBHtDEHEJE)(twSJEHEStBHtDEtw第131页/共175页132HEStBHtDEtwHBED00,)1(21 ,120200BEwBESHBED,)(21 ,1BHDEwBES00dwEdEHdH第132页/共175页133铜导线电流密度安全值： J=58A/mm2铝导线电流密度安全值： J=35A/mm2导线规格（mm2）： 1.5、2.5、4、6、10、16、 25、35、 50、70、95、120、150、185如何根据电器功率

26、选用电线规格？ 第133页/共175页134P=0.5AcosUI/1000=0.50.82208S/1000 铜导线面积等于负载功率千瓦数乘以0.65，得数小于或等于导线实际截面的就选其值，大于的选粗一级的导线，铝线在算出铜线结果的基础上粗一级。例如1、15Kw的家庭求导线截面？千瓦数150.65=9.75。这 时就要选择10mm2铜线，铝线则选16mm2。2、3500W的家庭求导线面积？ 千瓦数3.50.65=2.275。 时应选择2.5mm2铜线足矣，铝线则选4mm2。经验公式：第134页/共175页135+_+_仅在静电场作用下形成的电流是一种不稳定的电流第135页/共175页136+

27、_+_只有提供非静电起源的作用力，才能形成稳定的电流+_+_ KE第136页/共175页13722II RI R内()I RR内第137页/共175页138neeJ223326298804mmn 10/cm1 /10/1.6 10PWSJA mmA mecm/S106v5第138页/共175页139第139页/共175页140第140页/共175页141erIHIrHIl dH22LIl dHzezabIere第141页/共175页142222rrD dSQr lDlr EEer 224rrzzISEHE H eer zl第142页/共175页143abdrEUbarln2212 lnzzUI

28、SebraUIdrrabUIrdrSsdSPbaba1ln2abU ln2第143页/共175页1440E /0JEEPJ E 第144页/共175页145zeaIJE22aIEarz()zrzr arr aSEHEEHEHEH第145页/共175页146RIalIalIlaaIsdSP2222232222柱面rarzeaIHES3222SlR,1其中zeerezl第146页/共175页147第147页/共175页148zeJJJaI2zzeaIeJE2JaelzereZ第148页/共175页149()22r aIIHeraerareaIHES3222arzeaIE2第149页/共175页15

29、0RIalIlaaIsdSP222322222EJEvf22222IlPE J VEalI Ra 第150页/共175页151简述题复习题1 写出介质中微分形式的麦氏方程组的数学形式;简述麦氏方程组的自洽性和完备性 。2 写出真空中电磁场数学形式;简述能量传递作用 。第151页/共175页152SVfdVSdD10rr 当0421VfdVrD0, 011ED 21rrr当rrrrDErrrDrrrDfff33132223132313223)(3)()(3441r2ro00123第152页/共175页1532rr 当EEPe)(00rrrrDErrrDrrrDfff303132033231323

30、3132233)(3)()(344rrrrEPfP3313020)(3)()(第153页/共175页154ffffrrrrrrrrrrr)()(33)()(3)(3)(03310331033100 ,ffP)1 ()(00第154页/共175页15521()PnePP 121202023311021()()()()()30Pnnnr rfePPePeEErrr 1r2ro00123第155页/共175页156232202023302122()()()()(1)3Pnnnr rfePPePeEErrr 1r2ro00123第156页/共175页157frrrfrrrPPrrdVdVQ3)(4)1

31、 ()1 (3132001212体)1 (3)(44)1 (3)()1 (3)(031322202231320223132rrrrrrdSrrrdSQffSfSPP面0面体PPQQ第157页/共175页158LSfSdJl dHr10rr 当021rH0, 011BH21rrr当rJrrrHBrJrrreJrrrHrrJrHffff2313222212212221222)(2)(2)()(21r2ro00123fJ第158页/共175页1592rr 223212221322222121322202130322()()2()()22()2fffffHrJrrrrHJrrrrrHJ eJrrrrrBHJrr第159页/共175页160ffrrMJJHMJ)1 () 1() 1(0体HHMrM) 1(第160页/共175页16121()MneMM1121222212()(1)()(1)()02Mnnrnrnfr reMMeMeHrreJrr第161页/共175页16222322222122221222222102()(1)()(1)()2()(1)()2()(1)2Mnnrnrnfr rrnffeMMeMeHrreJrrrreJrrrrJr 第162页/共175页163)() 1(212202121rrJdSJSdJIfrrrMrrrMM体体体)()1 (22)