麦克斯韦方程省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

10.1 10.1 位移电流位移电流一一.关于关于 1.1.从稳恒电路中推出从稳恒电路中推出最初目标：避开磁化电流计算最初目标：避开磁化电流计算2.2.传导电流传导电流(电荷定向移动电荷定向移动)热效应热效应 产生磁场产生磁场3.：与回路套连电流与回路套连电流 取值取值:经过以经过以L L为边界任一曲面电流为边界任一曲面电流第十章第十章 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 电磁场电磁场第第1页页在电容器充电过程中出现了矛盾在电容器充电过程中出现了矛盾在某时刻在某时刻 回路中传导电流强度为回路中传导电流强度为取取L L 如图如图思索之一：场客观存在思索之一：场客观存在 环流值必须唯一环流值必须唯一思索之二：定理应该普适思索之二：定理应该普适假设：电容器内存在一个类似电流物理量假设：电容器内存在一个类似电流物理量计算计算H H环流环流取取取取L第第2页页麦克斯韦假设麦克斯韦假设位移电流位移电流位移电流位移电流存在，提出存在，提出全电流全电流全电流全电流概念，把安培环路定理推广到非恒定情况下也概念，把安培环路定理推广到非恒定情况下也适用，得到安培环路定理普遍形式。适用，得到安培环路定理普遍形式。二二.位移电流位移电流 平板电容器内部存在一个物理量平板电容器内部存在一个物理量能够产生磁场能够产生磁场起着电流作用起着电流作用应是电流量纲应是电流量纲第第3页页1.通量：通量：经过任一闭合曲面经过任一闭合曲面电流密度通量为零，电流密度通量为零，此即为此即为电流稳恒条电流稳恒条电流稳恒条电流稳恒条件件件件。它表明电流从曲。它表明电流从曲面一侧流进，必定面一侧流进，必定从曲面另一侧流出，从曲面另一侧流出，即电流线即电流线电流连续性方程电流连续性方程线线00对对非稳恒电流非稳恒电流非稳恒电流非稳恒电流，S面内有面内有自由电荷积累。自由电荷积累。第第4页页2.通量：通量：可得：可得：麦克斯韦把麦克斯韦把 称做称做“位移电流位移电流位移电流位移电流 ”把把 称作称作“位移电流密度位移电流密度第第5页页在充放电过程中，平行板电容器在充放电过程中，平行板电容器内有哪些物理量？内有哪些物理量？时刻有时刻有分析各量量纲分析各量量纲3.量纲分析量纲分析第第6页页 从量纲上进行寻找从量纲上进行寻找Maxwell Maxwell 定义：定义：位移电流位移电流displacement currentdisplacement current电流面密度电流面密度第第7页页经过某个面积经过某个面积位移电流位移电流位移电流位移电流就就是经过该面积是经过该面积电位移通量电位移通量电位移通量电位移通量对时间对时间改变改变改变改变率率率率位移电流位移电流面密度面密度定义定义第第8页页10.2 10.2 全电流安培环路定理全电流安培环路定理一、全电流定律一、全电流定律电流概念推广电流概念推广能产生磁场物理量能产生磁场物理量1 1 1 1）传导电流）传导电流）传导电流）传导电流 载流子定向运动载流子定向运动载流子定向运动载流子定向运动2 2 2 2）位移电流）位移电流）位移电流）位移电流第第9页页 电流概念推广电流概念推广仅仅从产生磁场能力仅仅从产生磁场能力上定义仅此而已上定义仅此而已 其它方面均表现出其它方面均表现出不一样不一样如在真空中如在真空中位移电流不伴有电荷任何运动位移电流不伴有电荷任何运动 所以谈不上产生焦耳热所以谈不上产生焦耳热Maxwell 全电全电流安培环路定理流安培环路定理第第10页页 用全电流定理就能够处理前面用全电流定理就能够处理前面 充电电路中矛盾充电电路中矛盾只有传只有传导电流导电流只有位只有位移电流移电流平行板电容器平行板电容器板面积为板面积为S第第11页页二二.位移电流本质之认识位移电流本质之认识对应着感生磁场对应着感生磁场完善麦假设：改变着电场完善麦假设：改变着电场完善麦假设：改变着电场完善麦假设：改变着电场也会产生磁场。也会产生磁场。也会产生磁场。也会产生磁场。改变电偶极矩改变电偶极矩若若 真空真空第第12页页例例 平板电容器平板电容器 均匀充电均匀充电板半径为板半径为 ,内部充满介质内部充满介质求：求：1)1)(忽略边缘效应忽略边缘效应P P解：解：2)2)放电放电方向方向 2)2)过过P P点垂直轴线作一圆环点垂直轴线作一圆环P第第13页页P由全电流定理由全电流定理第第14页页得得若若作一数量级估算作一数量级估算忽略边缘效应忽略边缘效应电容器内总位移电流电容器内总位移电流第第15页页 电流概念电流概念就产生磁场而论就产生磁场而论 B B安培环路定理安培环路定理讨论讨论 S S是以是以L L为边界任意面为边界任意面传导传导 位移位移 束缚电流束缚电流全电流定理全电流定理全电流定理全电流定理传导电流传导电流传导电流传导电流面密度面密度面密度面密度位移电流位移电流位移电流位移电流面密度面密度面密度面密度第第16页页法拉第电磁感应法拉第电磁感应法拉第电磁感应法拉第电磁感应定律定律定律定律说明说明:改变磁场会激发涡旋电场；改变磁场会激发涡旋电场；麦克斯韦全电流麦克斯韦全电流麦克斯韦全电流麦克斯韦全电流定律定律定律定律说明：说明：改变电场会激发涡旋磁场。改变电场会激发涡旋磁场。位移电流引入，它给出了电场和磁场位移电流引入，它给出了电场和磁场 内在联络，反应了自然现象对称性。内在联络，反应了自然现象对称性。改变改变改变改变 电场和磁场相互联络形成统一电磁场。电场和磁场相互联络形成统一电磁场。电场和磁场相互联络形成统一电磁场。电场和磁场相互联络形成统一电磁场。位移电流存在于有电位移改变地方。不但位移电流存在于有电位移改变地方。不但 在电介质中，就是在导体中，甚至在真空中在电介质中，就是在导体中，甚至在真空中，也能够存在位移电流。也能够存在位移电流。第第17页页10.3 10.3 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 Maxwell equationsMaxwell equations一一.积分形式积分形式通量通量第第18页页环流环流通量通量第第19页页麦麦麦麦 克克克克 斯斯斯斯 韦韦韦韦 方方方方 程程程程 电场高斯定理电场高斯定理电场高斯定理电场高斯定理法拉第电磁法拉第电磁法拉第电磁法拉第电磁感应定律感应定律感应定律感应定律磁场高斯定理磁场高斯定理磁场高斯定理磁场高斯定理磁场安培环路定理磁场安培环路定理磁场安培环路定理磁场安培环路定理第第20页页二二.微分形式微分形式1.1.数学上定理数学上定理GaussGauss定理定理StokesStokes定理定理梯度梯度散度散度旋度旋度算符算符直角坐标系直角坐标系第第21页页2.2.2.2.微分形式微分形式微分形式微分形式积分形式积分形式积分形式积分形式微分形式微分形式微分形式微分形式第第22页页1.1.1.1.完善了宏观电磁场理论完善了宏观电磁场理论完善了宏观电磁场理论完善了宏观电磁场理论 四个微分方程四个微分方程方程组在任何惯性系中形式相同方程组在任何惯性系中形式相同方程组在任何惯性系中形式相同方程组在任何惯性系中形式相同洛仑兹不变式洛仑兹不变式洛仑兹不变式洛仑兹不变式确定边界条件确定边界条件下下解方程组解方程组还有还有介质方程介质方程三三.麦克斯韦贡献麦克斯韦贡献第第23页页2.2.爱因斯坦相对论主要试验基础爱因斯坦相对论主要试验基础爱因斯坦相对论主要试验基础爱因斯坦相对论主要试验基础3.3.预言电磁波存在预言电磁波存在预言电磁波存在预言电磁波存在 满足微分满足微分 方程形式是：方程形式是：由微分方程出发由微分方程出发 在各向同性介质中在各向同性介质中 且有：且有：方程组解方程组解 、含有波动形式含有波动形式第第24页页是波动方程形式是波动方程形式对沿对沿 方向传输电磁场方向传输电磁场(平面电磁波平面电磁波)，有，有10.4 电磁波电磁波第第25页页波动方程波动方程任一物理量任一物理量传输方向传输方向物理量是物理量是波速是波速是比较比较第第26页页 电磁波是横波电磁波是横波平面电磁波性质：平面电磁波性质：方向一直与传输方向垂直，且方向一直与传输方向垂直，且 方向方向指向电磁波传输方向指向电磁波传输方向;之间是同相位改变，之间是同相位改变，且大小成百分比：且大小成百分比：电磁波电磁波波速波速真空真空第第27页页 光是电磁波光是电磁波普通普通与物质作用主要是与物质作用主要是 矢量矢量通常被称为光矢量通常被称为光矢量通常被称为光矢量通常被称为光矢量10.5 电磁波能量与电磁波谱电磁波能量与电磁波谱一、电磁波能量密度一、电磁波能量密度沿沿X 轴正方向传输平面电磁波中，电场能量和轴正方向传输平面电磁波中，电场能量和磁场能量密度为：磁场能量密度为：第第28页页二者总是相等地改变二者总是相等地改变电磁波电磁波场能密度：场能密度：场能密度：场能密度：能量也是以波形式能量也是以波形式向前传输，波速为向前传输，波速为u.二、电磁场能流密度二、电磁场能流密度-坡印亭矢量坡印亭矢量能流密度：能流密度：且方向为：且方向为：波传输方向波传输方向第第29页页能流密度矢量：能流密度矢量：坡印亭矢量坡印亭矢量 麦克斯韦从理论上证实，光是电磁波，麦克斯韦从理论上证实，光是电磁波，18861886年年赫兹发觉了电磁波。今后还发觉了赫兹发觉了电磁波。今后还发觉了X X射线和射线和 射线射线都是电磁波。这些波长或频率不一样，按频率次序，都是电磁波。这些波长或频率不一样，按频率次序，把各种电磁波排列成谱，称为把各种电磁波排列成谱，称为电磁波谱电磁波谱电磁波谱电磁波谱。第第30页页