电动力学05-06电磁现象的普遍规律.ppt

1,第一章 电磁现象的普遍规律 Universal Law of Electromagnetic Phenomenon,2,目的：电磁现象的实验定律,电磁场的普遍规律,总结提高,电磁场的物质性：特定的运动规律和物质属性 空间分布、时间变化,数学描述：矢量函数-电场强度、磁感应强度,第一章 电磁现象的普遍规律,3,1.电荷和电场 库仑定律 高斯定理 电场的散度和旋度 2.电流和磁场 电荷守恒定律 比-萨定律 磁场的散度和旋度 3.麦克斯韦方程组 电磁感应定律 位移电流 麦克斯韦方程组 洛伦兹力 4.介质的电磁性质 介质的极化和磁化 介质中麦克斯韦方程组 5.电磁场边值关系 法向和切向分量的跃变 6.电磁场的能量和能流,第一章 电磁现象的普遍规律,4,1.1 电荷和电场,1. 库仑定律（Coulombs law),Coulombs law是静电现象的基本实验定律，是描写真空中两个静止的点电荷Q和Q之间相互作用力的定律,z,x,y,o,Q,5,静电力与万有引力的比较,1.1 电荷和电场,6,电荷之间的相互作用-力的传递？,超距作用：不需要任何媒质、瞬时、任意距离,近距作用：通过场传递、传递需要时间,静电场和电磁场的客观存在：物质性（能量、动量、质量）,特殊性：实物占有空间位置，而电磁场的物质性只有在其处于 迅速变化的情况下，才能明显的表现出来。,基本物理量-电场强度,1.1 电荷和电场,7,点电荷电场强度,电荷周围空间存在电场，会对其他电荷产生作用力。 电场强度E定义：一个单位试验电荷在场中所受的力。,大小与试探点电荷无关,1.1 电荷和电场,8,连续分布的电荷,体电荷,面电荷,线电荷,1.1 电荷和电场,9,不同带电体典型的电场强度大小,1.1 电荷和电场,10,2. 高斯定理和电场的散度,设S表示包围着电荷Q的一个闭合曲面，dS为S上的定向面元，以外法线方向为正。闭合曲面S的电场强度E的通量用面积分表示为,关于电场强度通量的高斯定理,1.1 电荷和电场,11,高斯定理的证明,1.1 电荷和电场,12,静电场的散度-高斯定理的微分形式,积分形式转换为微分形式：得出电荷和电场的局域关系。 由矢量分析中散度的定义可得：,证法2,1.1 电荷和电场,13,电荷是电场的源。 空间某点的电场强度的散度只与该点电荷体密度有关，与其它点的无关。 仅适用于连续分布的区域，在分界面上，电场强度一般不连续，不能使用。 由于电场强度有三个分量，仅此方程不能确定，还要知道静电场的旋度方程。,1.1 电荷和电场,14,3. 静电场的旋度,1. 环路定理, 任意静电场对任意闭合回路的环量为零。 说明在回路内无涡旋存在。,证明,1.1 电荷和电场,15,【解】考虑对称性，在半径为r的球面上各点的电场强度大小 相等，方向为径向。,当ra时,当ra时,1.1 电荷和电场,16,1.1 电荷和电场：总结,17,本节主要讨论磁场的基本规律，因为磁场是与电流相互作用的，而Amperes law在静磁学中的地位同Coulombs law 在静电学中的地位相当，电流元相当于点电荷，在讨论磁场规律之前，先讨论电流分布的基本规律。,1.2 电流和磁场,18,1.电荷守恒定律,电流强度I：单位时间通过任意空间的电量 电流密度J：单位时间垂直通过单位面积的电量,如右图，通过面元dS的电流dI为,若电流由运动的带电粒子构成，则电流密度为,1.2 电流和磁场,19,空间中一区域V，边界为闭合曲面S，物质运动时，可能有电荷进入或流出，根据守恒定律，若电荷流出的话，区域内电荷必然减小，通过边界流出的总电流应等于区域的电荷减小率。,1.2 电流和磁场,20,如果V是全空间，S为无穷远边界，在边界上无电流流出,对于恒定电流，电荷密度不变,早期中电磁学有电荷不灭定律：电荷既不能创生也不能消灭，只能从一处流向另一处，一处电荷的增加意味着另一处电荷的减少。,1.2 电流和磁场,21,2.比奥-萨伐尔定律-电流与磁场的相互作用,磁场：通电导线间有相互作用力，这种力也需要一种物质来传递，称为磁场。电流激发磁场，另一电流处于磁场中，就会受到作用力。磁场用磁感应强度B来描述。,电流元在磁场中所受的力(安培力),1820年，安培实验研究了电流元之间的相互作用力，运用“示零法”得出了4个结论。 （1）电流元反向后则力也反向； （2）电流元是一个矢量； （3）力既与磁场垂直，也与电流元垂直； （4）作用力与电流及距离的关系。,1.2 电流和磁场,22,安培的“示零法”实验,两方向相反的通电线圈，悬吊在水银槽下。如果两个线圈受力不均衡，就会发生偏转。实验结果：当对折导线通电时，无定向秤丝毫不动，证明强度相等、方向相反的两个靠得很近的电流对另一电流产生的吸力和斥力在绝对值上相等。,1.电流反向，作用力也反向,1.2 电流和磁场,23,把圆弧形导体架在水银槽上，经水银槽通电，改变通电回路或用各种通电线圈对它作用，圆弧导体都不动，说明作用力一定垂直于载流导体。,3.作用力的方向,1.2 电流和磁场,24,比奥-萨伐尔定律,线电流情况,1.2 电流和磁场,25,3.磁场的环量和旋度,电磁学中，电流导线周围磁场的磁感应线总是围绕着导线的一些闭合曲线，磁场沿闭合曲线的环量与通过闭合曲线缩所围曲面的电流成正比。,证明：无穷长导线，电流为I，根据比-奥定律可求出此电流激发的磁感应强度,安培环路定理-磁场规律的积分形式,1.2 电流和磁场,26,R,P,Q,S,I,r1,r2,安培环路定理的证明,1.2 电流和磁场,27,对于连续电流分布，计算磁场沿回路的环量时，只需考虑回路边界所