电磁场课件--麦克斯韦电磁场理论

电位移通量和位移电流
引入电位移通量：通过任一曲面S的电位移通
量。
D D • d S
由此，麦克斯韦S 定义了位移电流ID和电流密度 jD（电位移矢量的时间变化率）：
ID
d D dt
S
D •dS t
S
jD • d S
传导电流和位移电流合起来称为全电流。
I
S
j0
•
dS
S
D t
•
dS
S
(
j0
电磁波和光波是性质相同的波，因此v 麦1/ 克0斯0 韦 预言光就是电磁波。
§10.3.2定态波动方程
讨论在介质中的情况：一般介质的介电常数和磁导率 都是随电磁波的频率而变的，这种现象称为介质的色 散。
对于一般的电磁场，无法推导出电场和磁场的波动方 程，但在很多实际情况下，电磁场的激发源往往以大 致确定的频率作简谐振动，因而辐射的电磁波也以相 同频率作简谐振动，这种以一定频率作简谐振动的波， 称为定态电磁波或单色波。
代入自由空间的麦克斯韦方程组，并消去共同因子，
可得：
E j H
H j E
• E 0
• H 0
由此可得一定频率下电磁波的基本方程：
2 E k2 E 0
又称为Helmholtz方程，式中 k
总结起来，对在介质中传播的频率一定的单色 电磁波，麦克斯韦方程组可化为：
一般情况下，平面电磁波的表达式为：
E(x,t) E0e j(k•rt) 式中，k是沿电磁波传播方向的一个常矢量，
称为波矢，大小为：
k 2 /
电磁波的电场波动是横波：
由
• E E0 • e j(k•rt) jk • E 0
可得 k • E 0

变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场
麦克斯韦电磁场理论的基本观点：
电磁场：
哪位科学家通过实验证实了电磁波的存在：
电磁波：
阅读课本回答以下问题
变化的电场和变化的磁场相互联系，形成不可分割的统一体
变化的电场和磁场由近及远地向周围空间传播出去，形成电磁波
赫兹
变化的磁场产生电场 变化的电场产生磁场
理解：
学无止境！
对麦克斯韦理论的理解
恒定的磁场不产生电场 恒定的电场不产生磁场 均匀变化的电场产生恒定的磁场 均匀变化的磁场产生恒定的电场
恒定的电流能不能产生磁场？
能，产生恒定磁场
从微观角度，电流是由电荷定向移动形成。所以恒定电流产生的是均匀变化的电场，从而产生恒定有与其他物质相互作用的属性 ③电磁场也是物质存在的基本形态之一 ④光是变化的电磁场在空间传播的一种形式

全电流连续
I
ID
R
全电流连续不中断的，构成闭合回路
•麦克斯韦电磁场理论简介
全电流安培环路定理
H dl L
I传导 ID
位移电流
ID
dD
dt
d dt
D dS
S
D
dS
S t
讨论：
1. 传导电流：电荷定向运动
2. 若传导电流为零
H
位移电流：变化的电场
dl
D
dS
L
S t
产生磁场
变化电场
感生电场与变化磁场间的关系
L EV dl
B dS S t
感生电场
变化磁场
电磁波的产生 •麦克斯韦电磁场理论简介
三、位移电流的性质
1.位移电流 ID 的方向和 H
服从右螺旋关系
I dD
dt
H
2.位移电流与传导电流不同之处
位移电流
传导电流
实质 焦耳热
变化的电场 无
电荷定向运动 存在
主要存在于 真空、介质中
导体
•麦克斯韦电磁场理论简介
例 设平行板电容器极板为圆板，半径为R ，两极板间距为d,
用缓变电流IC ,对电容器充电，
求 P 点处的磁感应强度。
IC
解 极板间位移电流
ID IC
+ ++
P.
++
r
---
++
--
++
--
+-
D
由全电流安培环路定理
H L
dl
I全
I全
πr 2
ID R2
非稳恒电流

1. 自感
1） 自感现象
回路中 i 变化→B变化→ 变化→ L
L~~自感系数或电感:取决于回路的大小、形状、匝数以及
i
(a)
Hale Waihona Puke (b)自感与互感第28页/共75页
讨 论：
L大， L大→阻碍电路变化的阻力大；L小， L小→阻碍电路变化的阻力小
∴ L~~对电路“电磁惯性”的量度。
* 电感（线圈）和电容一样是储能元件。
第22页/共75页
洛仑兹力作功？
作功？
作功？
Fv 对电子的漂移运动而言作正功 —> 动生电动势
这一能量从何而来？
Fu 对导体的运动而言作负功 <— 外界提供能量
FV 的作用：并不作功提供能量，转化能量的中介所
定量上看：
v
Fv
u
Fu
动生电动势
第23页/共75页
-
+
闭合回路在磁场中运动时：
动生电动势
* 的计算
* 磁通计原理
法拉第电磁感应定律
第4页/共75页
3 楞次定律
判断感应电流方向的定律。
感应电流的效果，总是反抗引起感应电流的原因。
感应电流激发的磁场通量
磁通量的变化（增加或减小）
法拉第电磁感应定律
补偿
第5页/共75页
应用此定律时应注意：
(1) 磁场方向及分布;
(2) 发生什么变化？
法拉第电磁感应定律
其中 为回路中的感应电动势。
共同因素：穿过导体回路的磁通量 发生变化。
第3页/共75页
2、 电磁感应定律
* 产生条件：
其中B、、s 有一个量发生变化，回路中就有的i 存在。
* 的大小: df /dt (SI) f 的变化率

电作用或磁作用正是通过电场或磁场传递的！
麦克斯韦（1831-1879）英国物理学家
经典电磁理论的奠基 人 , 气体动理论创始人之 一。提出了有旋场和位移 电流的概念 , 建立了经典 电磁理论 (1864) , 并预言 了以光速传播的电磁波的 存在。在气体动理论方面 , 提出了气体分子按速率分 布的统计规律。
❖ 超距说——物体间的相互吸引力的传递，是 不需要通过任何介质、不需要时间的。
❖ 场——磁体和电荷周围并不是空无一物，而 是存在着一种由电荷和磁体本身产生的连续 的介质，通过这种介质传递着电磁相互作用。
法拉第——1837年，提出了“场” 和“力线”的概念。
法拉第
在对电、磁现象作出物理解释 的过程中，法拉第有着深邃的物理 思想，没有用数学形式表达，而是 凭着他丰富的想象力和科学的抽象 思维能力，创造了“力线”这种形 象化的图示方法。
其特点是：电场、磁场各自独立存在。
麦克斯韦的发展
变化的电场和变化的磁场相互联系,形成一个 不可分割的统一体——电磁场.电场和磁场只是电 磁场这个统一体的两种具体表现形式。
变化的磁场产生电场
S
N
S
N
❖ 当用磁棒接近或远离闭合电路时，电路中就产生 感应电动势，它推动着电路各处的自由电荷形成 电流，仿佛沿着电路有一个电场一样。
s
r
gB0
Ñ sD rdS rqd
据散度定理,有:
Ñ D r dD rd
s
r
D
麦克斯韦方程式的物理意义：
❖ １）时变电场是有旋有散的，电力线可闭合也可不闭合；
❖ ２）时变磁场是有旋无散的，磁力线总是闭合的；
❖ ３）不闭合的电力线从正电荷到负电荷； 闭合的电力线与磁力线相交链； 闭合的磁力线要么与电力线交链，要么与电流相交链。

安培
安培
10
例.半径为R=0.1m 的两块圆形平板电容器, 两板 间距为d<<R,充电过程某时刻两板之间电场的时 间变化率为 d E 1013V / m s
dt
求：1、此时刻两板间的I位; 2、两板间离中心线r1=0.02m处, r2=0.12m处的
B
E L2
I传 R L1
I传
r1 r2
d 11
q q 0 cos t
i Im sint
19
即电荷，电流都是随时间t按正弦（余弦）规律 变化的，是振荡的。
振荡电流 变化的磁场 变化的电场 变化的电场 发射电磁波
20
LC电路中的电流在自感线圈中产生磁场，电容器上的电荷在电容器
两极板间产生电场。电流和电荷相互交替地周期性变化，因此LC电
路是能产生电磁振荡的一种简单电路。
S
I传 S
D------为电位移的通量。
-
I传
充电时，板间为均匀电场
dD
d(
DS )
d(
ES )
d
S
dSΒιβλιοθήκη dQI传dt
dD I传 dt
I位
dD
dt
I传
6
讨论
（1）位移电流的大小：
I位
dD
dt
S
d
dt
将电容器中的电场随时间变化产生的磁效应， 等效为位移电流产生的。
整个电路中的电流就连续了。 （2）位移电流的方向：即 dD 的方向。
【解】
E L2
(1)因为d<<R,所以板间电场
I传 R L1
I传
均匀,忽略边缘效应。
r1
I位
dD

电磁波的概念
阐述电磁波的定义、特征和基本性质，包括振幅、波长、频率等。
电磁波的传播特性
探究电磁波在真空和介质中的传播特性，并解释折射、反射和干涉现象。
电磁波的波长和频率
波长 频率
解释波长及其在电磁波中的重要性。 深入了解频率的概念和对电磁波特性的影响。
电磁波的能量和辐射强度
能量
探讨电磁波的能量传递方式和能量密度。
《麦克斯韦电磁理论》 PPT课件
探索麦克斯韦电磁理论的奇妙世界，从电磁场基本概念到量子化，让我们一 同揭开电磁波的神秘面纱。
麦克斯韦电磁理论简介
介绍麦克斯韦电磁理论的发展背景、基本原理，并解释其在现代科学中的重要性。
电磁场基本概念
电场
讲解电场的定义、性质和电荷在电场中的相互作用。
磁场
探讨磁场的本质、磁感应线和磁场对带电粒子的影响。
探索电磁场在材料中的散射和吸收现象，解释光的颜色和材料的特性。

电磁场的量子化
1 普朗克常数
介绍普朗克常数和其在量子化电磁场中的作用。
2 光子理论
讲解光子理论和电磁辐射的量子性质。
电磁波的量子理论
探究电磁波的量子理论，如波粒二象性和希尔伯特空间描述。
电磁场与受力粒子运动方程
研究电磁场对带电粒子运动的影响，并推导粒子在电磁场中的运动方程。
电磁场偏振
探讨电磁场偏振的概念和特点，以及偏振光的产生和检测。
电磁场的相干性
解释电磁场的相干性和相干时间，以及相干光的特性。
电磁场的干涉和衍射
揭示电磁场的干涉与衍射现象，在博弈中解开波粒二象性之谜。
电磁场的散射和吸收
电磁感应
介绍电磁感应的原理和法拉第电磁感应定律。
麦克斯韦方程组

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

电流的磁效应
安培环路定律
描述了电流在其周围空间产生的磁场的闭合回路定律，即电 流在其周围空间产生的磁感应线总是形成一个闭合回路，且 回路上的磁感应线数与穿过回路的电流数相等。
互感现象
当两个线圈中有一个线圈中的电流发生变化时，另一个线圈 中产生感应电动势的现象，互感现象是电磁感应的一种表现 形式。
电磁感应定律
《麦克斯韦电磁理论》ppt课 件
CONTENTS
• 麦克斯韦生平简介 • 电磁理论的发展历程 • 麦克斯韦电磁理论的主要内容 • 麦克斯韦电磁理论的实验验证 • 麦克斯韦电磁理论的意义和影
响
01
麦克斯韦生平简介
麦克斯韦的成长经历
童年时期
展现出对科学的浓厚兴趣 ，经常进行简单实验。
学生时期
进入爱丁堡大学学习，后 转入剑桥大学，受到数学 家巴洛的影响，开始深入
对未来科技发展的启示
深入探索电磁波的应用
随着科技的发展，可以进一步探索麦克斯韦电磁波在信息传输、 能源利用等领域的应用。
创新实验验证手段
未来可以通过更先进的实验手段验证麦克斯韦的理论预言，推动物 理学实验技术的发展。
启发新理论
麦克斯韦的电磁理论仍有许多未解之谜，可以启发未来的新理论探 索和创新。
谢谢您的聆听
电磁波的预言
总结词
麦克斯韦预言了电磁波的存在，并给 出了电磁波在真空中传播的速度等于 光速的结论。
详细描述
这一预言是基于麦克斯韦方程组的推 导，揭示了光的本质是电磁波，为后 来光学的进一步发展奠定了基础。
光的电磁理论
总结词
光的电磁理论是麦克斯韦提出的一种理论，将光解释为电磁波的一种表现形式 。
详细描述
该理论认为光是由电磁场中的振荡波产生的，解释了光的反射、折射、干涉和 衍射等现象，成为现代光学的基础。

流体-固体耦合
模拟流体与固体之间的相互作用，如流体 静压力对结构的影响等。
可压缩流
研究高超声速飞行器的气动热力学性能， 以及发动机工作过程等。
多物理场耦合
将流体动力学与其他物理场（如电磁场、 化学反应等）进行耦合模拟。
05
maxwell的前沿研究
经典与量子Maxwell方程
经典Maxwell方程的起源和重要性
有限元分析
静态场分析
瞬态场分析
解决固定结构静力问题，如拉伸、压缩、弯 曲等。
研究结构在随时间变化载荷作用下的动态响 应，如振动、冲击等。
热分析
电磁场分析
计算物体在不同温度下的变形和应力分布， 以及热传导和热应力的分析。
预测电磁场分布、电磁感应、涡流、磁场力 等。
流体动力学
不可压缩流
求解流体的速度、压力和温度分布，如空 气动力学、管道流动等。
求解线性方程组的方法
直接求解法
利用矩阵的逆运算直接求解线性方程组，如高斯消元法、LU分解等。
迭代求解法
通过迭代逐步逼近方程组的解，如Jacobi迭代法、Gauss-Seidel迭代法等。
03
maxwell方程的数值计算
有限元方法
区域离散：将连续的求解区域离散化为由有限个小的 子区域组成的集合
变分形式：将Maxwell方程的微分形式转化为等价的 变分形式
《maxwell课件》
xx年xx月xx日
目录
• maxwell的基本理论 • maxwell方程的程序实现 • maxwell方程的数值计算 • maxwell的应用实例 • maxwell的前沿研究
01
maxwell的基本理论
电磁理论基础
麦克斯韦的电磁场理论由四个基本方程构成：安培环路定律 、法拉第电磁感应定律、高斯电通定律和高斯磁通定律。