《电磁场与电磁波》第三版 电子002PPT课件
合集下载
电磁场与电磁波(第三版之2)
第二章 电磁场中的基本物理量 和基本实验定律
为分析电磁场，本章在宏观理论的假设和实验的基础 为分析电磁场， 介绍电磁场中的基本物理量和实验定律。 上，介绍电磁场中的基本物理量和实验定律。 在静止和稳定的情况下，确立分布电荷(Charge)与 分布电荷(Charge) ● 在静止和稳定的情况下，确立分布电荷(Charge)与分 布电流(Current)的概念物理量； (Current)的概念物理量 布电流(Current)的概念物理量；在电荷守恒的假设前提下 确立电流连续性方程。 ，确立电流连续性方程。 在库仑实验定律和安培力实验定律的基础上建立电场强 在库仑实验定律和安培力实验定律的基础上建立电场强 Intensity)和磁感应强度B 度E(Electric Intensity)和磁感应强度B (Magnetic 的概念。 Intensity)的概念 Induced Intensity)的概念。
定义点电荷
q
q
E (r ) =
O
4πε 0 R
eR =
q 4πε 0 R
3
R 式中R = r r '
N个点电荷产生的电场强度 E ( r ) = 对于连续的电荷分布 体分布
∑ 4πε
i =1
N
qi
0
R
2 i
e Ri =
∑ 4πε
i =1
N
qi
0
R
3 i
Ri
面分布
线分布
E (r ) =
∫ τ
ρ (r ' ) d τ '
例：求到一段直线电流的距离为 的点 求到一段直线电流的距离为a的点 的点P 的磁感应强度B， 的磁感应强度 ， 该点到直线电流两端 的距离相等。 的距离相等。
为分析电磁场，本章在宏观理论的假设和实验的基础 为分析电磁场， 介绍电磁场中的基本物理量和实验定律。 上，介绍电磁场中的基本物理量和实验定律。 在静止和稳定的情况下，确立分布电荷(Charge)与 分布电荷(Charge) ● 在静止和稳定的情况下，确立分布电荷(Charge)与分 布电流(Current)的概念物理量； (Current)的概念物理量 布电流(Current)的概念物理量；在电荷守恒的假设前提下 确立电流连续性方程。 ，确立电流连续性方程。 在库仑实验定律和安培力实验定律的基础上建立电场强 在库仑实验定律和安培力实验定律的基础上建立电场强 Intensity)和磁感应强度B 度E(Electric Intensity)和磁感应强度B (Magnetic 的概念。 Intensity)的概念 Induced Intensity)的概念。
定义点电荷
q
q
E (r ) =
O
4πε 0 R
eR =
q 4πε 0 R
3
R 式中R = r r '
N个点电荷产生的电场强度 E ( r ) = 对于连续的电荷分布 体分布
∑ 4πε
i =1
N
qi
0
R
2 i
e Ri =
∑ 4πε
i =1
N
qi
0
R
3 i
Ri
面分布
线分布
E (r ) =
∫ τ
ρ (r ' ) d τ '
例：求到一段直线电流的距离为 的点 求到一段直线电流的距离为a的点 的点P 的磁感应强度B， 的磁感应强度 ， 该点到直线电流两端 的距离相等。 的距离相等。
电磁场与电磁波幻灯片
6.在经典物理学发展史中，出现过四个里程碑式的人物：伽利 略，牛顿，法拉第和麦克斯韦。爱因斯坦认为他们同样伟大， 你如何理解？查找相关的资料，写一篇报告。
2.结论：电磁波具有运动能量，以及与其他 物质相互作用的属性，都是物质的性质。电 磁波具有物质一般性质的同时，也具有特殊 的性质。
（四）：麦克斯韦电磁场理论的意义
❖ 1.电磁场理论的建立，经历了“实践―― 理论――实践”这一科学发展的过程是物 理学发展史上的典型案例。
2.麦克斯韦的电磁场理论，实现了从经典 物理学向现代物理学的重大转折。
3．学生讨论与交流：从电磁波的特点出 发，你认为电磁场是客观存在的吗？
❖ 根据电磁波的特点中的第（5）点可知， 电磁场本身就是一种特殊形态的物质， 无需借助其他物质来传播
三：电磁场的物质性
❖ 1.几种特殊电磁波的例子：
（1）微波炉是利用电磁波进行加热食物。说明电磁场具有能量。
（2）俄国物理学家列别捷夫测量除光对被照射的物体有压力。
个电场是由变化的磁场引起的。 ―――――变化的磁场周围产生电
场是一种普遍存在的现象。
3．学生讨论与交流：变化的磁场 产生的电场与我们熟悉的静电场
有何不同？
❖ 静电场的电场线是由正电荷出发，终止于负 电荷，是不闭合的。而变化的磁场产生的电 场没有起点也没有终点，是闭合的“旋涡电 场”
4．提出：变化的电场能否也产生磁场？
6．麦克斯韦电磁场理论的基本思想：
❖ （1）均匀变化的磁场（或电场）产生稳定的电场（或磁场）
（2）非均匀变化的磁场（或电场）产生变化的电场（或磁场）。
（3）按三角函数规律变化的振荡磁场（或电场）产生同频 率的三角函数规律变化的振荡电场（或磁场）
Hale Waihona Puke （4）变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，变化的 电场和磁场总是相互联系，形成一个不可分离的统一场，这 就是电磁场
2.结论：电磁波具有运动能量，以及与其他 物质相互作用的属性，都是物质的性质。电 磁波具有物质一般性质的同时，也具有特殊 的性质。
（四）：麦克斯韦电磁场理论的意义
❖ 1.电磁场理论的建立，经历了“实践―― 理论――实践”这一科学发展的过程是物 理学发展史上的典型案例。
2.麦克斯韦的电磁场理论，实现了从经典 物理学向现代物理学的重大转折。
3．学生讨论与交流：从电磁波的特点出 发，你认为电磁场是客观存在的吗？
❖ 根据电磁波的特点中的第（5）点可知， 电磁场本身就是一种特殊形态的物质， 无需借助其他物质来传播
三：电磁场的物质性
❖ 1.几种特殊电磁波的例子：
（1）微波炉是利用电磁波进行加热食物。说明电磁场具有能量。
（2）俄国物理学家列别捷夫测量除光对被照射的物体有压力。
个电场是由变化的磁场引起的。 ―――――变化的磁场周围产生电
场是一种普遍存在的现象。
3．学生讨论与交流：变化的磁场 产生的电场与我们熟悉的静电场
有何不同？
❖ 静电场的电场线是由正电荷出发，终止于负 电荷，是不闭合的。而变化的磁场产生的电 场没有起点也没有终点，是闭合的“旋涡电 场”
4．提出：变化的电场能否也产生磁场？
6．麦克斯韦电磁场理论的基本思想：
❖ （1）均匀变化的磁场（或电场）产生稳定的电场（或磁场）
（2）非均匀变化的磁场（或电场）产生变化的电场（或磁场）。
（3）按三角函数规律变化的振荡磁场（或电场）产生同频 率的三角函数规律变化的振荡电场（或磁场）
Hale Waihona Puke （4）变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，变化的 电场和磁场总是相互联系，形成一个不可分离的统一场，这 就是电磁场
第2章电磁场与电磁波.ppt
静止电荷产生的电场称为静电场，随时间发生变化的电荷 产生的电场称为时变电场
电场强度矢量
用电场强度矢量 Ε表示电场的大小和方向。 电场中的单位正点电荷q0所受的电场力除了与自身所带电量q0 有关，还与所在点的电场有关，即有关系式
F q0Ε
E F q0
对电场强度的进一步讨论
鲁东大学
电场强度形成矢量场分布，各点相同时，称为均匀电场
J
(r)
v
3Q r 4 a3
e
鲁东大学
2.2 真空中静电场的基本规律
2.2.1 库仑定律 电场强度
库仑定律
描述真空中静止点电荷q1和q2的相互
作用力，其数学表达式为
q1
R12
F12
q1q2
4 0 R132
R12
r2 r1
O
式中F12表示q1作用在q2上的静电力，R12 = r2 － r1。
r
q lim V 0 V
0, ,
r r
0 0
点电荷密度的函数表示法
函数的定义和性质
设坐标原点为O，选定空间某点的坐标为r（观察点坐标）， 移动坐标r′(源点坐标)，R = r-r′。
函数的定义和性质如下：
r
r
0, ,
r r
r r
V
0
1
36
109
F
/
m 真空中的介电常数
F12 q2
对库仑定律的进一步讨论
鲁东大学
大小与电量成正比、与距离的平方成反比，方向在连线上
多个电荷对一个电荷的静电力是各电荷力的矢量叠加，即
F
电磁场与电磁波ppt完美版课件
探究一
探究二
随堂检测
画龙点睛变化的磁场周围产生电场,与是否有闭合电路存在无关。
2.对麦克斯韦电磁场理论的理解
探究一
探究二
随堂检测
实例引导例1根据麦克斯韦电磁场理论,下列说法正确的是( )A.有电场的空间一定存在磁场,有磁场的空间也一定能产生电场B.在变化的电场周围一定产生变化的磁场,在变化的磁场周围一定产生变化的电场C.均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场D.周期性变化的磁场周围空间一定产生周期性变化的电场解析:根据麦克斯韦电磁场理论,只有变化的电场才能产生磁场,均匀变化的电场产生恒定的磁场,非均匀变化的电场产生变化识
自我检测
1.正误判断。(1)电磁波也能产生干涉、衍射现象。( )答案:√(2)电磁波的传播不需要介质,可以在真空中传播。答案:√2.探究讨论。为什么电磁波是横波?答案:根据麦克斯韦电磁场理论,电磁波在真空中传播时,它的电场强度和磁感应强度是相互垂直的,且二者均与波的传播方向垂直。因此,电磁波是横波。
探究一
探究二
随堂检测
规律方法理解麦克斯韦的电磁场理论的关键掌握四个关键词:“恒定的”“均匀变化的”“非均匀变化的”“周期性变化的(即振荡的)”,这些都是对时间来说的,是时间的函数。
探究一
探究二
随堂检测
变式训练1如图所示的四种电场中,哪一种能产生电磁波( )
解析:由麦克斯韦电磁场理论,当空间出现恒定的电场时(如A图),由于它不激发磁场,故无电磁波产生;当出现均匀变化的电场时(如B、C图),会激发出磁场,但磁场恒定,不会激发出电场,故也不会产生电磁波;只有振荡的电场(即周期性变化的电场)(如D图),才会激发出振荡的磁场,振荡的磁场又激发出振荡的电场……如此周而复始,便会形成电磁波。答案:D
电磁场与电磁波 课件
国际标准
国际非电离辐射防护委员会（ ICNIRP）制定了电磁辐射的安全标 准，限制了公众暴露在特定频率和强 度的电磁场中的最大容许暴露量。
各国标准
不同国家和地区根据自身情况制定了 相应的电磁辐射安全标准，以确保公 众的健康安全。
电磁波的防护措施
远离高强度电磁场
尽量减少在高压线、变电站、雷 达站等高强度电磁场区域的停留
射电望远镜是射电天文学的主要观测设备，可以接收来自宇宙的微弱射电信号。
射电天文学的发展对于人类认识宇宙、探索宇宙奥秘具有重要意义。
电磁波探测与成像
电磁波探测与成像技术利用电磁波的 特性，实现对物体内部结构的探测和 成像。
电磁波探测与成像技术对于医学诊断 、无损检测等领域具有重要意义。
医学上常用的超声波、核磁共振等技 术都是基于电磁波的探测与成像原理 。
这些物理量在电磁场与物质相互作用中起着重要作用，例如在光子与物 质的相互作用中，光子的能量和动量会与物质的能量和动量发生交换。
06
电磁场与电磁波的计算机模 拟
时域有限差分法（FDTD）
总结词
一种用于模拟电磁波传播的数值方法，通过在时域上逐步推进电磁场的变化来求解波动 方程。
详细描述
时域有限差分法（FDTD）是一种基于麦克斯韦方程组的数值计算方法，通过将电磁场 分量在空间和时间上交替离散化，将波动方程转化为差分方程，从而在计算机上实现电 磁波传播过程的模拟。这种方法在计算电磁波传播、散射、吸收等过程中具有广泛的应
磁场
磁Hale Waihona Puke 和电流周围存在的一种特殊 物质，对其中运动的磁体和电流 施加力。
电磁场与电磁波的产生
1 2
3
变化的电场产生磁场
根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场在其周围产生磁场 。
国际非电离辐射防护委员会（ ICNIRP）制定了电磁辐射的安全标 准，限制了公众暴露在特定频率和强 度的电磁场中的最大容许暴露量。
各国标准
不同国家和地区根据自身情况制定了 相应的电磁辐射安全标准，以确保公 众的健康安全。
电磁波的防护措施
远离高强度电磁场
尽量减少在高压线、变电站、雷 达站等高强度电磁场区域的停留
射电望远镜是射电天文学的主要观测设备，可以接收来自宇宙的微弱射电信号。
射电天文学的发展对于人类认识宇宙、探索宇宙奥秘具有重要意义。
电磁波探测与成像
电磁波探测与成像技术利用电磁波的 特性，实现对物体内部结构的探测和 成像。
电磁波探测与成像技术对于医学诊断 、无损检测等领域具有重要意义。
医学上常用的超声波、核磁共振等技 术都是基于电磁波的探测与成像原理 。
这些物理量在电磁场与物质相互作用中起着重要作用，例如在光子与物 质的相互作用中，光子的能量和动量会与物质的能量和动量发生交换。
06
电磁场与电磁波的计算机模 拟
时域有限差分法（FDTD）
总结词
一种用于模拟电磁波传播的数值方法，通过在时域上逐步推进电磁场的变化来求解波动 方程。
详细描述
时域有限差分法（FDTD）是一种基于麦克斯韦方程组的数值计算方法，通过将电磁场 分量在空间和时间上交替离散化，将波动方程转化为差分方程，从而在计算机上实现电 磁波传播过程的模拟。这种方法在计算电磁波传播、散射、吸收等过程中具有广泛的应
磁场
磁Hale Waihona Puke 和电流周围存在的一种特殊 物质，对其中运动的磁体和电流 施加力。
电磁场与电磁波的产生
1 2
3
变化的电场产生磁场
根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场在其周围产生磁场 。
电磁场与电磁波课件
电磁波的散射与衍射
散射
当电磁波遇到尺寸远小于其波长 的障碍物时，会产生散射现象， 散射波向各个方向传播。
衍射
当电磁波遇到尺寸接近或大于其 波长的障碍物时，会产生衍射现 象，衍射波在障碍物后形成复杂 的干涉图样。
03
电磁波的辐射与接收
天线的基本概念与分类
天线的基本概念
天线是用于发射和接收电磁波的设备，在通信、雷达、无线电等系统中广泛应 用。
再经过信号处理得到目标的图像。
02
系统组成
红外成像系统主要由光学系统、红外探测器和信号处理系统组成。
03
电磁场与电磁波在红外成像中的应用
电磁场与电磁波在红外成像中用于接收目标的辐射信息，经过处理得到
目标的图像。
05
电磁场与电磁波实验
电容与电感测量实验
总结词
掌握电容和电感的基本测量方法
详细描述
通过实验学习如何使用电桥、交流电桥等基本测量工具，了解不同类型电容和电感的工作原理和测量方法，掌握 电容和电感的基本特性。
折射率与波长有关
不同媒质对不同波长的电磁波有不 同的折射率。
电磁波的反射与折射
反射定律
当电磁波遇到不同媒质的分界面时， 一部分能量返回原媒质，一部分能量 进入新媒质。反射波和入射波的振幅 和相位关系遵守反射定律。
折射定律
当电磁波从一种媒质进入另一种媒质 时，其传播方向发生改变，这种现象 称为折射。折射定律描述了折射角与 入射角、折射率之间的关系。
电磁场与电磁波课件
目录
• 电磁场的基本概念 • 电磁波的传播特性 • 电磁波的辐射与接收 • 电磁场与电磁波的应用 • 电磁场与电磁波实验 • 总结与展望
01
电磁场的基本概念
电磁场与电磁波3新
例3.1.5 同心球形电容器的内导体半径为a、外导体半径为b，其间填充介电常数为 ε的均匀介质。求此球形电容器的电容。
解：设内导体的电荷为q，则由高斯定理可求得内外导体间的电场
D
er
q
4 r2
,
同心导体间的电压
E
er
q
4 r 2
U
b E dr
q
(1 1)
q
ba
a
4 a b 4 ab
b
K 1
部分电容概念
多导体系统中，一个导体在其余导体影响下与另
一个导体构成的电容。
1) 电位系数
三导体静电独立系统
以接地导体为电位参考点,导体的电位与各导体上的电荷的关系为
10 a0 q0 a1q1 a2 q2
q0 (q1 q2 ) 10 11q1 12q2
20 b0 q0 b1q1 b2 q2 20 21q1 22q2
限远作电位参考点；
同一个问题只能有一个参考点。
例 3.1.1 求电偶极子的电位.
解 在球坐标系中
(r )
q
(1 1)
q
r2 r1
40 r1 r2 40 r1r2
r1 r 2 (d / 2)2 rd cos
z
+q r1
d
o
r r2
－q
P(r, , )
r2 r 2 (d / 2)2 rd cos
a]
0
ln (D a)
F/m
例3.1.7(自己看）同轴线内导体半径为a，外导体半径为为b，内外导体间填充的介电 常数为 的均匀介质，求同轴线单位长度的电容。
解 设同轴线的内、外导体单位长度带电量分别为 和 内外导体间任一点的电场强度为
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第2章 静电场和恒定电场
当空间同时有n个点电荷时，则场点r处的电场等于各点电
荷qi在该点产生的电场强度的矢量和，即
E
E1 E2
En
n i1
qi 4πε0
Ri3
Ri
式中，Ri=r－r′，ri′(i=1，2，…，～n)为n个点电荷的 位置矢量，Ri为第i个点电荷qi到场点的距离。
2. 分布电荷的电场强度
图2-4有限长直线电荷的电场
第2章 静电场和恒定电场
由图2-4知，R=ρcscθ，z′=z－ρ cotθ, 而dz′=ρcsc2θdθ，因此 有
dE
1
4πε0
l csc2 d 2csc2
2.1电场强度与电位函数
2.1.1库仑定律 库仑定律(Coulom’s Law)是静电现象的基本实验定律，它
表明固定在真空中相距为R的两点电荷q1与q2之间的作用力：正 比于它们的电荷量的乘积； 反比于它们之间距离的平方；
作用力的方向沿两者间的连线； 两点电荷同性为斥力，异性为 吸力(如图2-1所示)，表达式为
第2章 静电场和恒定电场
第2章 静电场和恒定电场
2.1 电场强度与电位函数 2.2 真空中静电场的基本方程 2.3 电介质的极化及介质中的场方程 2.4 导体间的电容及电耦合 2.5 静电场的边界条件 2.6 恒定电场
第2章 静电场和恒定电场
对于观察者静止且量值不随时间变化的电荷产生的电场称 为静电场(Static Electric Field或Electrostatics)，这些电荷可以集 中在一点(点电荷0
4πε0 R3 4πε0 R3
第2章 静电场和恒定电场
图2-3体电荷产生的场
第2章 静电场和恒定电场
体积V内所有电荷在P(r)处所产生的总电场为
E 1 V (r) RdV
4πε0 V R3
(2-1-7)
用类似的方法可求得电荷分布为ρS(r′)和ρl(r′)时电场强度的表达
式分别为
E 1 S (r) RdS
本章从库仑定律出发，定义电场强度矢量，导出电位函数， 证明静电场是无旋场或保守场，给出静电场的两个基本方程； 介绍电介质对静电场的影响和导体系统的电容，分析恒定 电流的空间中的电场即恒定电场问题；应用基本方程的积分形 式，导出不同介质分界面的边界条件，同时介绍了接地电阻和 同轴线的单位长漏电导。
第2章 静电场和恒定电场
解 采用圆柱坐标，在直线l上选一线元dz′，则其上的电 荷为ρldz′，它在场点P(ρ,φ,z)处产生的电场强度为dE，由于直线 电荷具有轴对称特性，因此电场dE可以分解为如下三个分量：
dE
dEsin
1 4πε0
ldz sin
R2
dEz
dEcos
1 4πε0
ldz cos
R2
dE 0
第2章 静电场和恒定电场
F qR E lim
q qt 0 t 4πε0 R3
(2-1-2)
第2章 静电场和恒定电场
图2 -2 场点与源点
第2章 静电场和恒定电场
其中，F的单位为N(牛)， q的单位为C(库)，电场强度的单位为
V/m(伏/米)，取极限qt→0是为了使引入试验电荷时不致影响源 电荷的状态。
为了方便，我们将观察点P称为场点，其位置用不带撇的
S
lim
ΔS 0
Δq ΔS
(2-1-6)
式中，Δq是体积元ΔV内所包含的电荷。
下面我们来讨论分布电荷所产生的电场强度。
设电荷以体密度ρV(r′)分布在体积V内。在V内取一微 小体积元dV′如图2-3所示，其电荷量dq=ρV(r)dV′， 我
们将其视为点电荷， 则它在场点P(r)处产生的电场为
dE dq R V (r) R dV
坐标(x, y, z)或r来表示， 把点电荷所在的点S称为源点，其位置
用带撇的坐标(x′, y′, z′)或r′来表示，源点到场点的距离矢量可表
示为R=r－r′。在直角坐标系中， R=ax(x－ x′)+ay(y － y′)+az(z
－ z′)， 其大小为
R (x－x)2 ( y－y)2 (z－z) 2
4πε0 S R3
(2-1-8)
E 1 l (r) Rdl
4πε0 l R3
(2-1-9)
式(2-1-7)、 式(2-1-8)和式(2-1-9)称为电场强度的矢量积分 公式。 当我们已知电荷分布时， 就可由它们求得其电场强度。
第2章 静电场和恒定电场
【例2-1】有限长直线l上均匀分布着线密度为l的线电荷, 如图2-4所示，求线外一点的电场强度。
F12
aR
q1q2 4πε 0 R 2
q1q2 4πε 0 R 3
R
(2-1-1)
式中， aR=
R R
， 是从q1到q2的距离矢量R上的单位矢量；
ε0=
1×10－9F/m(法/米)，是真空中的介电常数。
36π
第2章 静电场和恒定电场
图2 -1两个点电荷的相互作用
第2章 静电场和恒定电场
库仑定律表明了两个点电荷之间相互作用力的大小和方向， 但没有表明这种作用力是如何传递的。实验表明，任何电荷都 在自己的周围空间产生电场，而电场对处在其场中的任何电荷 都产生作用力，称为电场力，电荷间的相互作用就是通过电场 来传递的。
第2章 静电场和恒定电场
2.1.2电场强度 1. 点电荷的电场强度 设q为位于点S(x′, y′, z′)处的点电荷，在其电场中点P(x, y,
z)处引入试验电荷qt，如图2-2所示。根据库仑定律，qt受到 的作用力为F，则该点处的电场强度(Electric Field Intensity) 定义为
上述的分析，我们假设电荷是集中在一个或若干个离散点
上，从宏观的角度讲，电荷是连续的分布在一段线上、一个面
第2章 静电场和恒定电场
线电荷密度(Charge Line Density)：当电荷分布在一细线 (其横向尺寸与长度的比值很小)上时，定义线电荷密度为单位 长度上的电荷
l
lim
Δl0
Δq Δl
(2-1-4)
式中， Δq是长度元Δl上的电荷。
面电荷密度(Charge Areal Density)：当电荷分布在一个表
面上时，定义面电荷密度为单位面积上的电荷
S
lim
ΔS 0
Δq ΔS
式中，Δq是面积元ΔS上的电荷。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(2-1-5)
第2章 静电场和恒定电场
体电荷密度(Charge Volume Density)：如果电荷分布在一 个体积空间内，定义体电荷密度为单位体积内的电荷