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简介
这是电磁场理论ppt，包括了电磁现象的实验定律，真空中的Maxwell方程组，介质的极化和磁化现象，介质中的Maxwell方程组，宏观电磁场的边界条件等内容，欢迎点击下载。
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◆ 电场对电荷有作用力是电场的基本性质之 一，现代物理学证明电荷之间的作用力是 通过电场来传递的。 ◆ 空间不同点处电场的大小和方向是变化 的，引入电场强度概念描述空间电场的 大小和方向。因此电场对电荷的作用力 可以用于定义电场的强度。 空间某点电场强度定义为置于该点的单位 点电荷（称试验电荷）受到的作用力： 真空中静止点电荷 q 激发的电场为： 如果电荷是连续分布，密度为 。 它在空间任意一点产生的电场为： 性质1 静电场是有散矢量场，电荷是静电场的 通量源。对电场直接求散度: 利用Gauss定理得到： 称为静电场的Gauss定律。 电流元之间的作用力是通过磁场来传递的。空间 不同点处磁场的大小和方向是变化的，引入磁场 强度概念描述空间电场的大小和方向。 性质1 恒定电流的磁感应强是无散矢量场，即： 磁感应强力线是闭合的，没有起点也没有终点 性质2 恒定电流激发的磁感应强度是有旋 场，电流是磁感应强度的涡旋源，即： 电场对带电粒子的作用力为 磁场对电流的作用力实际上是磁场对运动带电粒子 的作用力，即 因此，电磁场对带电粒子的作用力为（Lorent力） 电场对运动带电粒子的作用力不受 粒子运动与否的影响，作用力既可 改变粒子速度（大小和方向。这说 明电场对带电粒子做功。磁场对运 动带电粒子的作用力与粒子运动的 方向垂直，说明磁场对带电粒子不 做功，只改变粒子运动方向，不改 变粒子运动速度的大小。 §2.4 真空中Maxwell方程组 Faraday电磁感应定律 Faraday 从1820年开始探索磁场 产生电场的可能性，1831年实验 发现，当穿过闭合线圈的磁通量 发生变化时，闭合导线中有感应 电流产生，感应电流方向总是以 激发磁通量对抗原磁通量的改变 进一步的实验还证明: 只要闭合曲线内磁通 量发生变化，感应的电场不仅存在于导体回 路上，同样存在于非导体回路上，并满足： Faraday电磁感应实验定律表明： 变化的磁场可以产生感应电场，该电场与静 电场都对电荷有力的作用，所不同的是感应 电场沿闭合回路的积分不为零，具有涡旋场 的性质，变化的磁场是其旋涡源。 （变化）磁场 电场 问题一：将Biot－Savart定律用到如图所表示的环 路，同样以L为边界的两个不同曲面S1和 S2，其旋涡源的通量有两个不同的结果 Maxwell 认为：电流由两个部分组成，一部分为传导 电流，另一部分他称之为位移电流 ，即总电流密度： 为了获得位移电流表达式，Maxwell认为静电场 的Gauss定律和电荷守恒定律是实验的总结，应 予以保留。利用这两个定律，他对电流的形式 进行了如下的推广： Maxwell推广位移电流基于如下考虑： 电磁感应实验表明变化的磁场能够激发电场， 变化的电场激发磁场是电磁现象的合理假设。 以最简单形式解决了静态电磁场存在的矛盾， 保证了电荷守恒定律和Gauss定律的成立。 电场Gauss定理： Maxwell认为静电场Gauss定理 可直接推广到一般情形，即： 磁场Gauss定理： Maxwell认为恒定电流磁场的 Gauss定理可以直接推广到一般情形，即： Faraday电磁感应定律：Maxwell认为Faraday电磁感 应定律直接推广到一般情况，即： 广义Biot-Savart 定律： Maxwell引入位移电流，修正 了恒定电流情况下的 Biot-Savart定律，得到： Maxwell方程组表明：变化的磁场激发旋涡电场； 变化的电场同样可以激发涡旋磁场。电场与磁场 之间的相互激发可以脱离电荷和电流而发生。电 场与磁场的相互联系，相互激发，时间上周而复 始，空间上交链重复，这一过程预示着波动是电 磁场的基本运动形态。他的这一预言在Maxwell去 世后（1879年）不到10年的时间内，由德国科学 家Hertz通过实验证实。 电磁波产生电路示意图 1. 介质的基本概念 介质是物质的一种统称，由原子或原子团、分子 或分子团组成。 介质内部大量带电粒子的不规则的运动，在微观尺 度上产生随机变化的电磁场，宏观上相互抵消，没 有外部影响和作用的介质呈中性。 当介质在外部宏观电磁场作用之下，介质中带电 粒子产生宏观的规则运动或排列，形成宏观上的 电荷堆集或定向运动，主要表现出三种形态： ①介质的极化(Polarization) 介质中分子和原子的正负电荷在外加电场力的作 用下发生小的位移，形成定向排列的电偶极矩； 或原子、分子固有电偶极矩不规则的分布，在外 场作用下形成规则排列 ②介质的磁化 (Magnetization) 介质中分子或原子内的电子运动形成分子电流，微 观上形成不规则分布的磁偶极矩。在外磁场力作用 下，磁偶极矩定向排列，形成宏观上的磁偶极矩 ③ 传导电流(Conduction current) 介质中可自由移动的带电粒子，在外场力作用 下，导致带电粒子的定向运动，形成电流 2. 极化强度概念 极化强度矢量P，定义 为单位体积中分子或原 子团的电偶极矩的叠加 极化强度的特点： ① 极化强度P 是外加电场强度的函数 ② 极化强度P 可以是空间的函数 ③ 极化强度P 还可能是时间的函数 一般情况下，P 是电磁场强度、时间和空间 的复杂函数。对于线性均匀介质，P 仅与外 加电场强度成正比。 极化使得分子或原子的正负电荷发生位移，体积 元内一部分电荷因极化而迁移到外部，同时外部 也有电荷迁移到体积元内部。因此体积元内部有 可能出现净余的电荷，称为束缚电荷。 （2）不均匀介质或由多种不同结构物质混合 而成的介质，可出现极化电荷。 当外加电磁场随时间变化，极化强度矢量P 和束缚电 荷也随时间变化，并在一定的范围内发生运动（其物 理实质是正负电荷位移的距离量随时间变化），从而 形成极化电流，它们同样满足电荷守恒定律。应用电 荷守恒定律，得到极化电流的表达式为： 介质的极化过程包括外加电场的作用使介 质极化，产生束缚电荷；极化电荷反过来 激发电场，两者相互制约，达到平衡。介 质中的电场既有外加电场的贡献，同时也 有束缚电荷产生的附加电场。 介质中的电场的最终求解必须知道电场 E 和电 位移矢量 D 之间的关系（物质本构关系）。这 种关系有两种途径可以获得： 1) 直接测量出 P 和 E 之间的关系 2) 用理论方法计算 P 和 E 之间的关系 为了描述介质在外 加磁场作用下磁化 程度，引入磁化强 度M，定义为单位 体积中的磁偶极矩 的矢量和： 与外加磁感应强度矢量 B 垂直的横截面上，存在数 量巨大的分子电流环。 在两介质交界面的薄的层内，存在面磁化电流分布 7. 介质中的 Biot-Savart定律 、磁场强度 磁化和极化电流同样也激发磁感应强度，介质 中的磁感应强度应是所有电流源激励的结果： 存在可移动带电粒子的介质称为导电介质。在外 场作用下，导电介质中原子核或晶格在空间形成 固定点阵，核外自由电子除无规则运动外，外场 作用力将使电子产生定向运动，形成传导电流。 运动的电子经常与原子核或晶格点阵发生碰撞。碰 撞过程使电子改变运动方向，并将部分能量转嫁给 原子核或晶格，转变为热效应，使外场作用下的电 子定向运动速度与外加电场强度成正比，即ohm 定 律，其表达式为： 给定电荷和电流分布，真空中 Maxwell方程是完备 的。介质中的Maxwell方程组是不完备的。必须附加 其它条件才能对方程求解。 介质中电场和电位移矢量、磁场和磁感应强度不是 完全独立。通过介质的电磁特性建立起联系。联系 电磁场量与介质间关系的方程为介质的本构方程。 根据介质的特性，有多种不同的分类方法，如： 均匀和非均匀介质 线性和非线性介质 确定性和随机介质 时变和时不变介质 各向同性和各向异性介质 最简单的线性均匀各向同性介质，分二种情况： 线性均匀各向同性时不变介质 线性均匀各向同性时变介质（色散介质） 把积分Maxwell方程组应用到图所表示的两媒质交 界面的扁平圆盘。根据Gauss定理，让h→0，场在 扁平圆盘壁上的通量为零，得到： 在介质分界面两侧，选取如图所示的积环路，应用 电磁感应定律、推广的Biot-Savart定律积分公式
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