电动力学复习电磁场的基本规律PPT课件

1、12.1 电荷守恒定律本节讨论的内容本节讨论的内容：电荷模型、电流模型、电荷守恒定：电荷模型、电流模型、电荷守恒定律律 电磁场物理模型中的基本物理量可分为源量和场量两大类。电磁场物理模型中的基本物理量可分为源量和场量两大类。电荷电流电场磁场（运动） 源量为电荷源量为电荷q ( r ，t )和和电流电流 I ( r ，t )，分别用来描述产生电分别用来描述产生电磁效应的两类场源。电荷是产生电场的源，电流是产生磁场的源。磁效应的两类场源。电荷是产生电场的源，电流是产生磁场的源。第1页/共89页2 电荷是物质基本属性之一。电荷是物质基本属性之一。 1897年英国科学家汤姆逊在实验中发现了电子。年英国

2、科学家汤姆逊在实验中发现了电子。 19071913年间，美国科学家密立根通过油滴实验，精确测年间，美国科学家密立根通过油滴实验，精确测定电子电荷的量值为定电子电荷的量值为 e =1.602 177 3310-19 (单位：单位：C)确认了电荷量的量子化概念。换句话说，确认了电荷量的量子化概念。换句话说，e 是最小的电荷量，是最小的电荷量，而任何带电粒子所带电荷都是而任何带电粒子所带电荷都是e 的整数倍。的整数倍。 宏观分析时，电荷常是数以亿计的电子电荷宏观分析时，电荷常是数以亿计的电子电荷e的组合，故可的组合，故可不考虑其量子化的事实，而认为电荷量不考虑其量子化的事实，而认为电荷量q可任意连续

3、取值。可任意连续取值。电荷与电荷密度第2页/共89页31. 电荷体密度电荷体密度VrqVrqrVd)(d)(lim)(0 VVrqd)(单位：单位：C/m3 (库仑库仑/ /米米3 3 ) 根据电荷密度的定义，如果已知根据电荷密度的定义，如果已知某空间区域某空间区域V中的电荷体密度，则区中的电荷体密度，则区域域V中的总电量中的总电量q为为 电荷连续分布于体积V内，用电荷体密度来描述其分布 理想化实际带电系统的电荷分布形态分为四种形式：理想化实际带电系统的电荷分布形态分为四种形式： 点电荷、体分布点电荷、体分布电荷、电荷、面分布电荷、线分布电荷面分布电荷、线分布电荷qVyxzorV第3页/共89

4、页4 电荷连续分布在厚度可忽略的曲面上（如电荷连续分布在厚度可忽略的曲面上（如仅考虑薄层外，仅考虑薄层外，距薄层的距离要比薄层的厚度大得多处的电场，而不分析和计距薄层的距离要比薄层的厚度大得多处的电场，而不分析和计算该薄层内的电场时，可将该薄层的厚度忽略），认为电荷是算该薄层内的电场时，可将该薄层的厚度忽略），认为电荷是面分布。面分布的电荷可用电荷面密度表示面分布。面分布的电荷可用电荷面密度表示。 2. 电荷面密度电荷面密度单位单位: C/m2 (库仑库仑/米米2) 如果已知某空间曲面如果已知某空间曲面S S上的电荷上的电荷面密度，则该曲面上的总电量面密度，则该曲面上的总电量q 为为SsSrq

5、d)(SrqSrqrSSd)(d)(lim)(0yxzorqSS第4页/共89页5 在电荷分布在细线上的情况，在电荷分布在细线上的情况，当仅考虑细线外，距细线当仅考虑细线外，距细线的距离要比细线的直径大得多处的电场，而不分析和计算线内的距离要比细线的直径大得多处的电场，而不分析和计算线内的电场时，可将线的直径忽略，认为电荷是线分布。的电场时，可将线的直径忽略，认为电荷是线分布。 3. 电荷线密度电荷线密度lrqlrqrlld)(d)()(lim0 如果已知某空间曲线上的电荷线如果已知某空间曲线上的电荷线密度，则该曲线上的总电量密度，则该曲线上的总电量q 为为 Cllrqd)(单位单位: C/m

6、 (库仑库仑/米米)yxzorql第5页/共89页6 对于总电量为对于总电量为 q 的电荷集中在很小区域的电荷集中在很小区域 V 的情况，当不分的情况，当不分析和计算该电荷所在的小区域中的电场，而仅需要分析和计算析和计算该电荷所在的小区域中的电场，而仅需要分析和计算电场的区域又距离电荷区很远，即场点距源点的距离远大于电电场的区域又距离电荷区很远，即场点距源点的距离远大于电荷所在的源区的线度时，小体积荷所在的源区的线度时，小体积 V 中的电荷可看作位于该区域中的电荷可看作位于该区域中心、电量为中心、电量为 q 的点电荷。的点电荷。 点电荷的电荷密度表示点电荷的电荷密度表示)()(rrqr4. 点

7、电荷点电荷yxzorq第6页/共89页7 电流与电流密度电流与电流密度说明：说明：电流通常是时间的函数，不随时间变化的电流称为电流通常是时间的函数，不随时间变化的电流称为恒定恒定 电流电流，用，用I I 表示。表示。形成电流的条件：形成电流的条件： 存在可以自由移动的电荷存在可以自由移动的电荷 存在电场存在电场单位: A （安培）电流方向: : 正电荷的流动方向0lim ()ddtiqtqt 电流电流 电荷的定向运动而形成，用i 表示，其大小定义为： 单位时间内通过某一横截面S的电荷量，即第7页/共89页80dlimdnnSiiJeeSS 电荷在某一体积内定向运动所形电荷在某一体积内定向运动所

8、形成的电流称为体电流，用成的电流称为体电流，用电流密度矢电流密度矢量量 来描述。来描述。J单位单位：A/m2 。 一般情况下，在空间不同的点，电流的大小和方向往往是不同的。在电磁理论中，常用体电流体电流、面电流面电流和线电流线电流来描述电流的不同状态。 1. 体电流体电流 SSJId流过任意曲面流过任意曲面S 的电流为的电流为正电荷运动的方向正电荷运动的方向体电流密度矢量体电流密度矢量JneS第8页/共89页92. 面电流面电流 电荷在一个厚度可以忽略的薄层内定向运动所形成的电流称为面电流，用面电流密度矢量 来描述其分布SJ0dlimd SnnliiJeell1(d )SliJnl单位：A/m

9、。通过薄导体层上任意有向曲线 的电流为l正电荷运动的方向正电荷运动的方向面电流密度矢量面电流密度矢量d 0ne1nlSJ0d第9页/共89页10ddddddSVqJSVtt 电荷守恒定律（电流连续性方程）电荷守恒定律（电流连续性方程） 电荷守恒定律:电荷既不能被创造，也不能被消灭，只能从物体的一部分转移到另一部分，或者从一个物体转移到另一个物体。电流连续性方程积分形式 Jt微分形式流出闭曲面S的电流等于体积V内单位时间所减少的电荷量恒定电流的连续性方程0t0dSSJ0、J恒定电流是无源场，电流线是连续的闭合曲线，既无起点也无终点电荷守恒定律是电磁现象中的基本定律之一。第10页/共89页112.

10、2 真空中静电场的基本规律1. 库仑（Coulomb）定律(1785年) 121212122301201244Rq qq q RFeRR库仑定律库仑定律 电场强度电场强度静电场：由静止电荷产生的电场重要特征：对位于电场中的电荷有电场力作用真空中静止点电荷 q1 对 q2 的作用力: ，满足牛顿第三定律。2112FF 大小与两电荷的电荷量成正比，与两电荷距离的平方成反比； 方向沿q1 和q2 连线方向，同性电荷相排斥，异性电荷相吸引；yxzo1r1q2r12R12F2q第11页/共89页12 电场力服从叠加原理31104iNNiqq qiiiiqqFFRR()iiRrr 真空中的N个点电荷 （分

11、别位于 ）对点电荷 （位于 ）的作用力为12Nqqq、 、 、q12Nrrr、 、 、rqq1q2q3q4q5q6q7第12页/共89页132. 电场强度 空间某点的电场强度定义为置于该点的单位点电荷（又称试验电荷）受到的作用力，即00)(lim)(0qrFrEq304)(RRqrE如果电荷是连续分布呢？ 根据上述定义，真空中静止点电荷q 激发的电场为：()Rrr 描述电场分布的基本物理量 电场强度矢量E0q试验正电荷 yxzorqrREM第13页/共89页14体密度为 的体分布电荷产生的电场强度)(r31030( )( )41( )d4iiiiiVrV RE rRr RVR30( )1( )

12、d4SSr RE rSR30( )1( )d4lCr RE rlR)(rl线密度为 的线分布电荷的电场强度)(rS面密度为 的面分布电荷的电场强度小体积元中的电荷产生的电场( )rVyxzoriVrM第14页/共89页153. 几种典型电荷分布的电场强度120210(coscos)4(sinsin)4llzEErrr- 02lE 22 3 20(0,0, )2()lza zEzaz+ 均匀带电直线段的电场强度： 均匀带电圆环轴线上的电场强度：（无限长）（有限长）lyxzoMa均匀带电圆环l1zM2均匀带电直线段第15页/共89页16 电偶极子的电场强度：5330013()( )2cossin4

13、4 rp r rpPE reerrrpqlrr电偶极矩 电偶极子是由相距很近、带等值异号的两个点电荷组成的电荷系统，其远区电场强度为Er+q电偶极子zolq电偶极子的场图等位线电场线第16页/共89页17 例例 计算均匀带电的环形薄圆盘轴线上任意点的电场强度。计算均匀带电的环形薄圆盘轴线上任意点的电场强度。 解：解：如图所示，环形薄圆盘的内半径为a 、外半径为b，电荷面密度为 。在环形薄圆盘上取面积元 ，其位置矢量为 ，它所带的电量为 。而薄圆盘轴线上的场点 的位置矢量为 ，因此有Sd d d Sredd d d SSqS (0,0, )Pzzre z222 3/200( )d d 4( )b

14、zSae zeE rz 2200dcossin)d0 xye(ee故22 3/222 1/222 1/200d11( )2()2()()bSSzzazzzzazb E ree由于P(0,0,z)brRyzx均匀带电的环形薄圆盘dSadE第17页/共89页18静电场的散度与旋度静电场的散度与旋度 0( )( )rE rVSVrSrE)d(1d)(0高斯定理表明：静电场是有源场，电场线起始于正电荷，终止 于负电荷。静电场的散度（微分形式）1. 静电场散度与高斯定理静电场的高斯定理（积分形式）( )0E r( ) d0CE rl环路定理表明：静电场是无旋场，是保守场，电场力做功与路径 无关。静电场的

15、旋度（微分形式）2. 静电场旋度与环路定理静电场的环路定理（积分形式）第18页/共89页19 当电场分布具有一定对称性的情况下，可以利用高斯定理当电场分布具有一定对称性的情况下，可以利用高斯定理计算电场强度。计算电场强度。 3. 利用高斯定理计算电场强度利用高斯定理计算电场强度具有以下几种对称性的场可用高斯定理求解：具有以下几种对称性的场可用高斯定理求解： 球对称分布：包括均匀带电的球面，球体和多层同心球壳等。球对称分布：包括均匀带电的球面，球体和多层同心球壳等。均匀带电球体带电球壳带电球壳多层同心球壳第19页/共89页20 无限大平面电荷：如无限大的均匀带电平面、平板等。无限大平面电荷：如无

16、限大的均匀带电平面、平板等。 轴对称分布：如无限长均匀带电的直线，圆柱面，圆柱壳等。轴对称分布：如无限长均匀带电的直线，圆柱面，圆柱壳等。( (a a) )( (b b) )第20页/共89页21 例例 求真空中均匀带电球体的场强分布。已知球体求真空中均匀带电球体的场强分布。已知球体半径为半径为a ，电，电 荷密度为荷密度为 0 。 解：解：（1）球外某点的场强球外某点的场强0300341daqSES（2）求球体内一点的场强VSEVoSd1d020303raE( r a )332343414raqEroorE30（r a时，因22 3/23()zaz，故2200223/2223/20( )d

17、4()2()zIaIae aB zzaza2200d( cossin)d0 xyeee由于 ，所以 在圆环的中心点上，z = 0，磁感应强度最大，即第27页/共89页28恒定磁场的散度和旋度 )()(0rJrBISrJlrBSC00d)(d)(1.1. 恒定磁场的散度与磁通连续性原理( )0B r( ) d0SB rS磁通连续性原理表明：恒定磁场是无源场，磁场线是无起点和 终点的闭合曲线。恒定场的散度（微分形式）磁通连续性原理（积分形式）安培环路定理表明：恒定磁场是有旋场，是非保守场、电流是磁 场的旋涡源。恒定磁场的旋度（微分形式）2. 恒定磁场的旋度与安培环路定理安培环路定理（积分形式）第2

18、8页/共89页29 解解：分析场的分布，取安培环路如图：分析场的分布，取安培环路如图 1200dSCBlBlB lJ l根据对称性，有根据对称性，有 ，故，故 12BBB00000202SySyJexBJex 当磁场分布具有一定对称性的情况下，可以利用安培环路当磁场分布具有一定对称性的情况下，可以利用安培环路定理计算磁感应强度。定理计算磁感应强度。 3. 利用安培环路定理计算磁感应强度利用安培环路定理计算磁感应强度C 例例2.3.2 求电流面密度为求电流面密度为 的无限大电流薄板产生的的无限大电流薄板产生的磁感应强度。磁感应强度。0SzSJe J第29页/共89页30 解解 选用圆柱坐标系，则

19、选用圆柱坐标系，则( )Be B应用安培环路定理，得应用安培环路定理，得21022IBa 例例 求载流无限长同轴电缆产生的磁感应强度。求载流无限长同轴电缆产生的磁感应强度。( 1) 0a22122IIIaa取安培环路取安培环路 ，内部的电流为，内部的电流为() a0122IBeaabc第30页/共89页31(3) bc应用安培环路定律，得应用安培环路定律，得220322()2I cBcb(4) c (2) ab202BI222232222bcIIIIcbcb40I 2203222IcBecb022IBe40B 第31页/共89页322.4 媒质的电磁特性媒质的电磁特性 1. 电介质的极化现象

20、电介质的分子分为无极分子和有极分子。在电场作用下，介质中无极分子的束缚电荷发生位移，有极分子的固有电偶极矩的取向趋于电场方向，这种现象称为电介质的极化。通常，无极分子的极化称为位移极化，有极分子的极化称为取向极化。电介质的极化电介质的极化 电位移矢量电位移矢量无极分子无极分子有极分子有极分子无外加电场无外加电场 媒质对电磁场的响应可分为三种情况：极化、磁化和传导。 描述媒质电磁特性的参数为： 介电常数、磁导率和电导率。无极分子无极分子有极分子有极分子有外加电场有外加电场E第32页/共89页332. 极化强度矢量极化强度矢量)mC(2P0limiVpPnpV 极化强度矢量 是描述介质极化程 度的

21、物理量，定义为Ppql 分子的平均电偶极矩 P 的物理意义：单位体积内分子电偶 极矩的矢量和。 极化强度与电场强度有关，其关系一般比较复杂。在线性、 各向同性的电介质中， 与电场强度成正比，即P0ePE (0)e 电介质的电极化率 EpnPipp第33页/共89页34 由于极化，正负电荷发生位移，在电介质内部可能出现净余由于极化，正负电荷发生位移，在电介质内部可能出现净余的极化电荷分布，同时在电介质的表面上有面分布的极化电荷。的极化电荷分布，同时在电介质的表面上有面分布的极化电荷。3. 极化电荷极化电荷( 1 ) 极化电荷体密度极化电荷体密度 在电介质内任意作一闭合面在电介质内任意作一闭合面S

22、，只只有电偶极矩穿过有电偶极矩穿过S 的分子对的分子对 S 内的极化内的极化电荷有贡献。由于负电荷位于斜柱体内电荷有贡献。由于负电荷位于斜柱体内的电偶极矩才穿过小面元的电偶极矩才穿过小面元 dS ，因此，因此dS对极化电荷的贡献为对极化电荷的贡献为dd cosd cosdPqqnl SP SPS S所围的体积内的极化电荷所围的体积内的极化电荷 为为PqVSPVPSPqddPPE SPSdV第34页/共89页35( 2 ) 极化电荷面密度SPnP e 紧贴电介质表面取如图所示的闭曲面，则穿过面积元 的极化电荷为dSdd cosd cosdPqqnl SP SPS故得到电介质表面的极化电荷面密度为

23、故得到电介质表面的极化电荷面密度为nedSSP第35页/共89页364. 电位移矢量 介质中的高斯定理 介质的极化过程包括两个方面：q 外加电场的作用使介质极化，产生极化电荷；q 极化电荷反过来激发电场，两者相互制约，并达到平衡状 态。无论是自由电荷，还是极化电荷，它们都激发电场，服 从同样的库仑定律和高斯定理。VpSVSE)d(1d0pE0自由电荷和极化电荷共同激发的结果自由电荷和极化电荷共同激发的结果 介质中的电场应该是外加电场和极化电荷产生的电场的叠加，应用高斯定理得到：第36页/共89页37PED0任意闭合曲面电位移矢任意闭合曲面电位移矢量量 D 的通量等于该曲面的通量等于该曲面包含自

24、由电荷的代数和包含自由电荷的代数和 小结：静电场是有源无旋场，电介质中的基本方程为 0EP引入电位移矢量（单位为C/m2 ) )pP 将极化电荷体密度表达式 代入 ，有0PED则有 VSVSDdd其积分形式为 dd( ) d0SVCDSVE rl（积分形式） 0DE（微分形式）， 0()EP第37页/共89页38EPe000(1)erDEEE 在这种情况下00(1)er er1其中 称为介质的介电常数， 称为介质的相对介电常数（无量纲）。* * 介质有多种不同的分类方法，如：介质有多种不同的分类方法，如：均匀和非均匀介质各向同性和各向异性介质时变和时不变介质线性和非线性介质确定性和随机介质5.

25、 电介质的本构关系E 极化强度 与电场强度 之间的关系由介质的性质决定。对于线性和各向同性介质， 和 有简单的线性关系PEP第38页/共89页39磁介质的磁化 磁场强度1. 磁介质的磁化 介质中分子或原子内的电子运动形成分子电流，形成分子磁矩无外加磁场无外加磁场外加磁场外加磁场B 在外磁场作用下，分子磁矩定向排列，宏观上显示出磁性，这种现象称为磁介质的磁化。mpi S 无外磁场作用时，分子磁矩不规则排列，宏观上不显磁性。mpi S 第39页/共89页400limmmVpMnpVB2. 磁化强度矢量M 磁化强度 是描述磁介质磁化程度的物理量，定义为单位体积中的分子磁矩的矢量和，即 MmMnp单位

26、为A/m。第40页/共89页413. 磁化电流 磁介质被磁化后，在其内部磁介质被磁化后，在其内部与表面上可能出现宏观的电流分与表面上可能出现宏观的电流分布，称为磁化电流。布，称为磁化电流。dddMMCCSIIMlMS 考察穿过任意围线考察穿过任意围线C所围曲面所围曲面S的电流。只有分子电流与围线的电流。只有分子电流与围线相交链的分子才对电流有贡献。与线元相交链的分子才对电流有贡献。与线元dl相交链的分子，中心位相交链的分子，中心位于如图所示的斜圆柱内，所交链的电流于如图所示的斜圆柱内，所交链的电流dddd MmIni SlnplMlBCdldlmpS穿过曲面S的磁化电流为（1 1） 磁化电流体

27、密度MJ第41页/共89页42MJMdMMSIJS由 ，即得到磁化电流体密度ddddMttIMlM e lMl 在紧贴磁介质表面取一长度元d dl，与此交链的磁化电流为（2 2） 磁化电流面密度SMJSMtJM则即SMnJMe的切向分量MSMJneMld第42页/共89页434. 磁场强度 介质中安培环路定理 )(0MJJBSMCSJJlBd)(d0MJJ、分别是传导电流密度和磁化电流密度。 将极化电荷体密度表达式 代入 ， 有MJM)(0MJJBJMB)(0)(0MHB, 即 外加磁场使介质发生磁化，磁化导致磁化电流。磁化电流同样也激发磁感应强度，两种相互作用达到平衡，介质中的磁感应强度B

28、应是所有电流源激励的结果： MBH0定义磁场强度 为：H第43页/共89页44)()(rJrHSCSrJlrHd)(d)(0)(rB0d)(SSrB则得到介质中的安培环路定理为：磁通连续性定理为小结：恒定磁场是有源无散场，磁介质中的基本方程为 （积分形式） （微分形式）0)()()(rBrJrH0d)(d)(d)(SSCSrBSrJlrH第44页/共89页45HMmHHBm)1 (0m其中， 称为介质的磁化率（也称为磁化系数）。这种情况下00(1)mr mr1其中 称为介质的磁导率， 称为介质的相对磁导率（无量纲）。顺磁质抗磁质铁磁质磁介质的分类11rr1r5. 磁介质的本构关系 磁化强度 和

29、磁场强度 之间的关系由磁介质的物理性质决定，对于线性各向同性介质， 与 之间存在简单的线性关系：MHHM第45页/共89页46IHlHC2d磁场强度磁场强度02IeH磁化强度磁化强度aaIeHBM02000磁感应强度磁感应强度aIeaIeB2020HMB 例例2.4.1 有一磁导率为 ，半径为a 的无限长导磁圆柱，其轴线处有无限长的线电流 I，圆柱外是空气（0 ），试求圆柱内外的 、 和 的分布。 解解 磁场为平行平面场, ,且具有轴对称性，应用安培环路定律，得第46页/共89页47媒质的传导特性媒质的传导特性 对于线性和各向同性导电媒质，媒质内任一点的电流密度矢量 J 和电场强度 E 成正比

30、，表示为EJ这就是欧姆定律的微分形式。式中的比例系数 称为媒质的电导率，单位是S/m（西门子/米）。晶格晶格带电粒子带电粒子 存在可以自由移动带电粒子的介质称为导电媒质。在外场作用下，导电媒质中将形成定向移动电流。 第47页/共89页482.5 电磁感应定律和位移电流电磁感应定律和位移电流电磁感应定律 自从自从1820年奥斯特发现电流的磁效应之后，人们开始研究相年奥斯特发现电流的磁效应之后，人们开始研究相反的问题，即磁场能否产生电流反的问题，即磁场能否产生电流。 1881年年法拉弟发现，当穿过导体回路的磁通量发生变化时，法拉弟发现，当穿过导体回路的磁通量发生变化时，回路中就会出现感应电流和电动

31、势，且感应电动势与磁通量的变回路中就会出现感应电流和电动势，且感应电动势与磁通量的变化有密切关系，由此总结出了著明的法拉电磁感应定律。化有密切关系，由此总结出了著明的法拉电磁感应定律。 电磁感应定律 揭示时变磁场产生电场 位移电流 揭示时变电场产生磁场 重要结论： 在时变情况下，电场与磁场相互激励，形成统一 的电磁场。第48页/共89页49负号表示感应电流产生的磁场总是阻止磁通量的变化。负号表示感应电流产生的磁场总是阻止磁通量的变化。tindd1. 法拉第电磁感应定律的表述法拉第电磁感应定律的表述 SSBd n B C S dl 设任意导体回路设任意导体回路C围成的曲面为围成的曲面为S，其，其

32、单位法向矢量为单位法向矢量为 ，则穿过回路的磁通为，则穿过回路的磁通为 neSinSBtddd 当通过导体回路所围面积的磁通量当通过导体回路所围面积的磁通量 发发生变化时，回路中产生的感应电动势生变化时，回路中产生的感应电动势inin的大的大小等于磁通量的时间变化率的负值，方向是小等于磁通量的时间变化率的负值，方向是要阻止回路中磁通量的改变，即要阻止回路中磁通量的改变，即 第49页/共89页50dininCEl 导体回路中有感应电流，表明回路中存在感应电场导体回路中有感应电流，表明回路中存在感应电场 ，回路，回路中的感应电动势可表示为中的感应电动势可表示为inE 感应电场是由变化的磁场所激发的

33、电场；感应电场是由变化的磁场所激发的电场； 感应电场是有旋场；感应电场是有旋场； 感应电场感应电场不仅存在于导体回路中，也存在于导体回路之外的不仅存在于导体回路中，也存在于导体回路之外的 空间；空间； 对空间中的任意回路（不一定是导体回路）对空间中的任意回路（不一定是导体回路）C ，都有，都有因而有因而有dddd inCSElBStdddd inCSElBSt 对感应电场的讨论对感应电场的讨论：第50页/共89页51相应的微分形式为相应的微分形式为(1) 回路不变，磁场随时间变化回路不变，磁场随时间变化ddddSSBBSStt这就是推广的法拉第电磁感应定律。这就是推广的法拉第电磁感应定律。d0

34、cCEl 若空间同时存在由电荷产生的电场若空间同时存在由电荷产生的电场 , ,则总电场则总电场 应为应为 与与 之和，即之和，即 。由于。由于 ，故有，故有 EinEcEincEEEcE2. 引起回路中磁通变化的几种情况：引起回路中磁通变化的几种情况：磁通量的变化由磁场随时间变化引起，因此有ddddCSElBSt BEt dd CSBElSt第51页/共89页52称为动生电动势，这就是发电机工作原理。称为动生电动势，这就是发电机工作原理。( 2 ) 导体回路在恒定磁场中运动导体回路在恒定磁场中运动d() dinCCElvBl( 3 ) 回路在时变磁场中运动回路在时变磁场中运动d() ddinC

35、CSBElvBlSt第52页/共89页53 （1） ，矩形回路静止；)cos(0tBeBzxbaoyx均匀磁场中的矩形环均匀磁场中的矩形环LvB00dcos()dsin()inzzSSBSe Bte SabBttt （3） ，且矩形回路上的可滑动导体L以匀速 运动。vevx)cos(0tBeBz 解解：(1) 均匀磁场 随时间作简谐变化，而回路静止，因而回路内的感应电动势是由磁场变化产生的，故B 例例 2.5.1 长为长为 a、宽为、宽为 b 的矩形环中有均匀磁场的矩形环中有均匀磁场 垂直穿过，垂直穿过，如图所示。在以下三种情况下，求矩形环内的感应电动势。如图所示。在以下三种情况下，求矩形环内

36、的感应电动势。B （2） ，矩形回路的宽边b = 常数，但其长边因可滑动导体L以匀速 运动而随时间增大；0BeBzxve v第53页/共89页54 ( 3 ) 矩形回路中的感应电动势是由磁场变化以及可滑动导体L在磁场中运动产生的，故得00() d()dinxzyCCvBle v e BelvB b 0000d() d(cos)d(cos)dsincos inSCzzxzySCBSvBlte BteSe ve Bteltvt bBtvbBt ( 2 ) 均匀磁场 为恒定磁场，而回路上的可滑动导体以匀速运动，因而回路内的感应电动势全部是由导体L在磁场中运动产生的，故得B或00ddd()ddinSB

37、SbB vtbB vtt 第54页/共89页55 （1）线圈静止时的感应电动势； 解解: （1）线圈静止时，感应电动势是由时变磁场引起，故）线圈静止时，感应电动势是由时变磁场引起，故 （2）线圈以角速度 绕 x 轴旋转时的感应电动势。ab 例例 2.5.2 在时变磁场在时变磁场 中，放置有一个中，放置有一个 的的矩形线圈。初始时刻，线圈平面的法向单位矢量矩形线圈。初始时刻，线圈平面的法向单位矢量 与与 成成角，如角，如图所示。试求：图所示。试求： 0sinyBe Btneyedd incBElSt0(sind ) ynse Bt eSt0coscos dsBtS 0coscosB abt xy

38、zabB时变磁场中的矩形线圈时变磁场中的矩形线圈ne第55页/共89页56 假定 时 ，则在时刻 t 时， 与y 轴的夹角 ，故0t 0net 方法一：利用式 计算ddd inSBSt0000dddddsind(sincos)ddd1(sin2)cos2d2 inSynSBSte Bt eSabBttttB abtB abtt （2）线圈绕 x 轴旋转时， 的指向将随时间变化。线圈内的感应电动势可以用两种方法计算。ne第56页/共89页571023040() d()sind2()sind2sinsinnyxcnyxbvBlee Btexbee BtexB abt0022000coscossin

39、sincossincos2inab BtB abtB abtBabtB abt 上式右端第二项与( 1 )相同，第一项xyzabB时变磁场中的矩形线圈时变磁场中的矩形线圈ne12 234 方法二：利用式() ddincSBvBlSt计算。第57页/共89页58 在时变情况下，安培环路环路是否要发生变化？有什么变在时变情况下，安培环路环路是否要发生变化？有什么变 化？即化？即问题问题：随时间变化的磁场要产生电场，那么随时间变化的电场是：随时间变化的磁场要产生电场，那么随时间变化的电场是 否会产生磁场？否会产生磁场？位移电流位移电流 静态情况下的电场基本方程在非静态时发生了变化，即静态情况下的电场

40、基本方程在非静态时发生了变化，即0EtBE 这不仅是方程形式的变化，而是一个本质的变化，其中包含了重要的物理事实，即 时变磁场可以激发电场时变磁场可以激发电场 。JH（恒定磁场）（恒定磁场）?H（时变场）（时变场）第58页/共89页591. 全电流定律全电流定律而由而由JH时变情况下，电荷分布随时间变化，由电流连续性方程有时变情况下，电荷分布随时间变化，由电流连续性方程有: : 发生矛盾发生矛盾在时变的情况下不适用在时变的情况下不适用 解决办法：解决办法： 对安培环路定理进行修正对安培环路定理进行修正由由 D0tJ将将 修正为：修正为： JHtDJH矛盾解决矛盾解决时变电场会激发磁场0)(tD

41、J)(DtJ0)(HJ第59页/共89页60全电流定律：全电流定律：tDJH 微分形式StDJlHCsd)(d 积分形式积分形式 全电流定律揭示不仅传导电流激发磁场，变化的电场也可全电流定律揭示不仅传导电流激发磁场，变化的电场也可以激发磁场。它与变化的磁场激发电场形成自然界的一个对偶以激发磁场。它与变化的磁场激发电场形成自然界的一个对偶关系。关系。第60页/共89页61t DJd2. 位移电流密度位移电流密度q 电位移矢量随时间的变化率，能像电流一样产生磁场，故称“位移电流”。q 位移电流只表示电场的变化率，与传导电流不同，它不产生焦耳热。q 位移电流的引入是建立麦克斯韦方程组的至关重要的一步

42、，它揭示了时变电场产生磁场这一重要的物理概念。dJq 位移电流，即变化着的电场，不是电荷定向移动的电流，可以存在于真空、导体、电介质中，而传导电流只能存在于导体中。第61页/共89页62 例例 海水的电导率为海水的电导率为4 S/m，相对介电常数为，相对介电常数为81，求频率为，求频率为1MHz时，位移电流振幅与传导电流振幅的比值。时，位移电流振幅与传导电流振幅的比值。 解：解：设电场随时间作余弦变化，表示为设电场随时间作余弦变化，表示为则位移电流密度为则位移电流密度为其振幅值为其振幅值为传导电流的振幅值为传导电流的振幅值为故故tEeEmxcostEetDJmrxdsin0mmrdmEEJ30

43、105 . 4mmcmEEJ4310125. 1cmdmJJ第62页/共89页63cos()A/mxmHe Htkz2()cos()sin()A/mdxyzxxxyymymDJHeeee HtxyzHeeHtkzzze kHtkz 000011dsin()dcos()V/mymymDDEte kHtkzttkeHtkz 式中的 k 为常数。试求：位移电流密度和电场强度。 例例 在无源的自由空间，已知磁场强度为 解解 由于由于传导电流密度为0，故由式 , 得DHt第63页/共89页64 例例 2.5.5 铜的电导率铜的电导率 、相对介电常数、相对介电常数 。设铜中的传导电流密度为设铜中的传导电流

44、密度为 。试证明：在无线。试证明：在无线电频率范围内，铜中的位移电流与传导电流相比是可以忽略的。电频率范围内，铜中的位移电流与传导电流相比是可以忽略的。75.8 10 S/m1r2cosA/mxmJe Jt000(cos)sindrrxmxrmDEJe EteEtttt 0dmrmJE 而传导电流密度的振幅值为mmJE通常所说的无线电频率是指 f = 300MHz以下的频率范围，即使扩展到极高频段（f = 30GHz300GHz），从上面的关系式看出比值Jdm/Jm也是很小的，故可忽略铜中的位移电流。 解解：铜中存在时变电磁场时，位移电流密度为位移电流密度的振幅值为12130721 8.854

45、 109.58 105.8 10dmrmmmmmJEfEfJEE 第64页/共89页652.6 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组d() dddd0ddCSCSSSVDHlJStBElStBSDSV 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 宏观电磁现象所遵循的基本规律，是电磁场宏观电磁现象所遵循的基本规律，是电磁场 的基本方程的基本方程麦克斯韦方程组的积分形式和微分形式麦克斯韦方程组的积分形式和微分形式DBtBEtDJH0第65页/共89页66DBtBEtDJH0麦克斯韦方程组的微分形式麦克斯韦方程组的微分形式: :麦克斯韦第一方程，表明传导电流和变化的电场都能产生磁场麦克斯韦第二方程，表明变化的磁场产生电场

46、麦克斯韦第三方程表明磁场是无源场，磁力线总是闭合曲线麦克斯韦第四方程，表明电荷产生电场第66页/共89页67媒质的本构关系媒质的本构关系 EDHBEJ)(0)()()(EHHtEEtEH代入麦克斯韦方程组中，有：代入麦克斯韦方程组中，有：0/EHEtHEtHE 限定形式的麦克斯韦方程（均匀媒质）（均匀媒质）各向同性线性媒质的本构关系为:第67页/共89页68q 时变电场的激发源除了电荷以外，还有变化的磁场；而时变磁时变电场的激发源除了电荷以外，还有变化的磁场；而时变磁场的激发源除了传导电流以外，还有变化的电场。电场和磁场场的激发源除了传导电流以外，还有变化的电场。电场和磁场互为激发源，相互激发

47、。互为激发源，相互激发。q 时变电磁场的电场和磁场不再时变电磁场的电场和磁场不再相互独立，而是相互关联，构相互独立，而是相互关联，构成一个整体成一个整体 电磁场。电电磁场。电场和磁场分别是电磁场的两个场和磁场分别是电磁场的两个分量。分量。q 在离开辐射源（如天线）的无源空间中，电荷密度和电流密度在离开辐射源（如天线）的无源空间中，电荷密度和电流密度矢量为零，电场和磁场仍然可以相互激发，从而在空间形成电矢量为零，电场和磁场仍然可以相互激发，从而在空间形成电磁振荡并传播，这就是电磁波。磁振荡并传播，这就是电磁波。第68页/共89页69q 在无源空间中，两个旋度方程分别为在无源空间中，两个旋度方程分

48、别为tDHtBE, 可以看到两个方程的右边相差一个负号，而正是这个负号使得电场和磁场构成一个相互激励又相互制约的关系。当磁场减小时，电场的漩涡源为正，电场将增大；而当电场增大时，使磁场增大，磁场增大反过来又使电场减小。第69页/共89页70麦克斯韦方程组时变场静态场缓变场迅变场电磁场(EM)准静电场(EQS)准静磁场(MQS)静磁场(MS)0t0t0tD0tB小结：小结： 麦克斯韦方程适用范围麦克斯韦方程适用范围：一切宏观电磁现象：一切宏观电磁现象静电场(ES)恒定电场(SS)第70页/共89页71dd(sin)ddcoscmmuiCCUtttC Ut=sinmUtDEd 解解：( 1 ) 导

49、线中的传导电流为忽略边缘效应时，间距为d的两平行板之间的电场为E = u / d ，则 sinmuUt 例例 2.6.1 正弦交流电压源 连接到平行板电容器的两个极板上，如图所示。(1) (1) 证明电容器两极板间的位移电流与连接导线中的传导电流相等；(2)(2)求导线附近距离连接导线为r 处的磁场强度。CPricu平行板电容器与交平行板电容器与交流电压源相接流电压源相接第71页/共89页72d2cHlrH与闭合线铰链的只有导线中的传导电流 ，故得coscmiC Ut2cosmrHC Ut ( 2 ) 以 r 为半径作闭合曲线C，由于连接导线本身的轴对称性，使得沿闭合线的磁场相等，故0ddco

50、scosmdmcSSUDiSt SC UtitdJS式中的S0为极板的面积，而0SCd为平行板电容器的电容。则极板间的位移电流为cos2mC UHe Hetr第72页/共89页73 例例 2.6.2 在无源在无源 的电介质的电介质 中，若已知中，若已知电场强度矢量电场强度矢量 ，式中的，式中的E0为振幅、为振幅、为角为角频率、频率、k为相位常数。试确定为相位常数。试确定k与与 之间所满足的关系，之间所满足的关系，并求出与并求出与 相应的其它场矢量。相应的其它场矢量。(00)J、(0)0cos() V/mxEe EtkzE 解：解： 是电磁场的场矢量，应满足麦克斯韦方程组。因此，利是电磁场的场矢

51、量，应满足麦克斯韦方程组。因此，利用麦克斯韦方程组可以确定用麦克斯韦方程组可以确定 k 与与 之间所满足的之间所满足的关系，以及与关系，以及与 相应的其它场矢量。相应的其它场矢量。EE00cos()sin()xyyyEeeEtkze kEtkzzz cos()mykEBetkz对时间 t 积分，得()xyzxxBEeeee Etxyz 第73页/共89页74BH=DE2sin()xyzymxxxyzeeeHk EHeetkzxyzzHHH sin()xxxmDDeeEtkztt DHt由22k cos()mykEHetkzcos()xmDeEtkz以上各个场矢量都应满足麦克斯韦方程，将以上得到

52、的 H 和 D代入式第74页/共89页ne媒质媒质1 1媒质媒质2 2752.7 电磁场的边界条件电磁场的边界条件 什么是电磁场的边界条件什么是电磁场的边界条件? ? 为什么要研究边界条件为什么要研究边界条件? ? 如何讨论边界条件如何讨论边界条件? ? 实际电磁场问题都是在一定的物理空间内发生的，该空间中可能是由多种不同媒质组成的。边界条件就是不同媒质的分界面上的电磁场矢量满足的关系，是在不同媒质分界面上电磁场的基本属性。物理物理：由于在分界面两侧介质的特性参 数发生突变，场在界面两侧也发 生突变。麦克斯韦方程组的微分 形式在分界面两侧失去意义，必 须采用边界条件。数学数学：麦克斯韦方程组是

53、微分方程组，其 解是不确定的，边界条件起定解 的作用。 麦克斯韦方程组的积分形式在不同媒质的分界面上仍然适用，由此可导出电磁场矢量在不同媒质分界面上的边界条件。第75页/共89页76SVSCSCSdVSDSBStBlEStDJlHd0dddd)(d 边界条件一般表达式边界条件一般表达式SnnnSnDDeBBeEEeJHHe)(0)(0)()(21212121ne媒质媒质1 1媒质媒质2 2 分界面上的电荷面密度 分界面上的电流面密度第76页/共89页77 边界条件的推证边界条件的推证 （1 1） 电磁场量的法向边界条件令h0，则由S1D2Dne媒质媒质1 1媒质媒质2 2hP PS SdSVD

54、SdV12()nSDDeSS即12()nSeDD同理 ，由d0SBS 在两种媒质的交界面上任取一点P，作一个包围点P的扁平圆柱曲面S，如图表示。12()0neBBnnBB21或SnnDD21或第77页/共89页78（2）电磁场量的切向边界条件12()SHHlJN l 在介质分界面两侧，选取如图所示的小环路，令h h 0，则由l1H2Hne媒质媒质1 1媒质媒质2 2Nhd() dCSDHlJSt故得故得12()nSeHHJnlN el 12()neHHN l1t2tSHHJ或或0)(21EEen同理得同理得ttEE21或或1212()() ()nHHlHHNel 第78页/共89页791.1.

55、两种理想介质分界面两种理想介质分界面上的边界条件上的边界条件0)(0)(0)(0)(21212121HHeEEeBBeDDennnn 两种常见的情况两种常见的情况 在两种理想介质分在两种理想介质分界面上，通常没有电荷界面上，通常没有电荷和电流分布，即和电流分布，即JS0、S0，故，故 的法向分量连续的法向分量连续D 的法向分量连续的法向分量连续B 的切向分量连续的切向分量连续E 的切向分量连续的切向分量连续Hne媒质媒质1 1媒质媒质2 2 、 的法向分量连续的法向分量连续DBne媒质媒质1 1媒质媒质2 2 、 的切向分量连续的切向分量连续EH第79页/共89页802. 理想导体表面上的边界条件理想导体表面上的边界条件SnnnSnJHeEeBeDe00 理想导体表面上的边界条件理想导体表面上的边界条件 设媒质设媒质2为理想导体，则为理想导体，则E2、D2、H2、 B2均为零，故均为零，故 理想导体理想导体：电导率为无限大的导电媒质：电导率为无限大的导电媒质 特征特征：电磁场不可能进入理想导体内：电磁场不可能进入理想导体内理想导体DSJH理想导体表面上的电荷密度等于理想导体表面上的电荷密度等于 的法向分量的法向分量D理想导体表面上理想导体表面上 的法向分量为的法向分量为0 0