第2章电磁学优秀PPT.ppt
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1、第2章电磁学现在学习的是第1页,共55页与极化现象不同,磁化结果使媒质中的合成磁场可能与极化现象不同,磁化结果使媒质中的合成磁场可能减弱减弱或或增增强强,而介质极化总是导致合成电场,而介质极化总是导致合成电场减弱减弱。根据磁化过程,媒质的磁性能分为根据磁化过程,媒质的磁性能分为抗磁性抗磁性、顺磁性顺磁性、铁磁铁磁性性及及亚铁磁性亚铁磁性等。等。抗磁性。抗磁性。电电子子产产生生的的附附加加磁磁矩矩方方向向总总是是与与外外加加磁磁场场的的方方向向相相反反,导导致致媒媒质质中中合合成成磁磁场场减减弱弱。因因此此,这这种种磁磁性性能能称称为为抗抗磁磁性性,如如银银、铜铜、铋铋、锌锌、铅铅及及汞汞等。等
2、。现在学习的是第2页,共55页 顺磁性。顺磁性。在外加磁场的作用下,磁偶极子的磁矩方向朝着外加磁场在外加磁场的作用下,磁偶极子的磁矩方向朝着外加磁场方向转动。因此,合成磁场增强,这种磁性能称为方向转动。因此,合成磁场增强,这种磁性能称为顺磁性顺磁性。如。如铝铝、锡锡、镁镁、钨钨、铂铂及及钯钯等。等。铁磁性。铁磁性。内内部部存存在在“磁磁畴畴”,每每个个“磁磁畴畴”中中磁磁矩矩方方向向相相同同,但但是是各各个个“磁磁畴畴”的的磁磁矩矩方方向向杂杂乱乱无无章章,对对外外不不显显示示磁磁性性。在在外外磁磁场场作作用用下下,各各个个“磁磁畴畴”方方向向趋趋向向一一致致,且且畴畴界界面面积积还还会会扩扩
3、大大,因因而而产产生生很很强强的的磁磁性性。例例如如铁铁、钴钴、镍镍等等。这这种种铁铁磁磁性性媒媒质质的磁性还存在的磁性还存在剩磁剩磁现象。现象。现在学习的是第3页,共55页亚亚铁铁磁磁性性。是是一一种种金金属属氧氧化化物物,磁磁化化现现象象比比铁铁磁磁媒媒质质稍稍弱弱一一些些,但但剩剩磁磁小小,且且电电导导率率很很低低,这这类类媒媒质质称称为为亚亚铁铁磁磁性性媒媒质质。例例如如铁铁氧氧体体等等。由由于于其其电电导导率率很很低低,高高频频电电磁磁波波可可以以进进入入内内部部,产产生生一一些些可可贵贵的的特特性性,使使得得铁铁氧氧体体在在微微波波器器件件中中获获得得广广泛的应用。泛的应用。磁磁化
4、化结结果果产产生生了了磁磁矩矩。为为了了衡衡量量磁磁化化程程度度,我我们们定定义义单单位位体体积中磁矩的矢量和称为积中磁矩的矢量和称为磁化强度磁化强度,以,以M 表示,即表示,即式中式中为为中第中第i 个磁偶极子具有的磁矩。个磁偶极子具有的磁矩。为物理无限为物理无限小体积。小体积。现在学习的是第4页,共55页磁磁化化后后,媒媒质质中中形形成成新新的的电电流流,这这种种电电流流称称为为磁磁化化电电流流。形形成成磁磁化化电电流流的的电电子子仍仍然然被被束束缚缚在在原原子子或或分分子子周周围围,所所以以磁磁化化电电流流又又称称为为束束缚缚电电流流。磁化电流密度以。磁化电流密度以JM 表示。表示。现在
5、学习的是第5页,共55页 磁磁化化媒媒质质内内部部的的磁磁场场相相当当于于传传导导电电流流 I 及及磁磁化化电电流流 I 在在真真空空中中产产生生的的合合成成磁场。这样,磁化媒质中磁感应强度磁场。这样,磁化媒质中磁感应强度 B 沿任一闭合曲线的环量为沿任一闭合曲线的环量为考虑到考虑到 ,求得,求得令令则则式式中中H 称称为为磁磁场场强强度度,其其单单位位是是A/m。上上式式称称为为磁磁介介质质中中安安培培环环路路定定律律。它它表表明明磁磁介介质质中中的的磁磁场场强强度度沿沿任任一一闭闭合合曲曲线线的的环环量量等等于于闭闭合合曲曲线线包包围围的的传传导导电流。电流。2.磁场强度和磁介质中的安培环
6、路定理磁场强度和磁介质中的安培环路定理现在学习的是第6页,共55页利用斯托克斯定理,由上式利用斯托克斯定理,由上式 求得求得 该式称为该式称为媒质中媒质中安培环路定律的微分形式。它表明安培环路定律的微分形式。它表明媒质中媒质中某点某点磁场强度的旋度等磁场强度的旋度等于于该点该点传导电流密度传导电流密度。磁化电流并不影响磁场线处处磁化电流并不影响磁场线处处闭合闭合的特性,媒质中磁感应强度通过任一闭合的特性,媒质中磁感应强度通过任一闭合面的通量仍为零,因而磁感应强度的散度仍然处处为零,即面的通量仍为零,因而磁感应强度的散度仍然处处为零,即 磁场强度仅与磁场强度仅与传导传导电流有关,简化了媒质中磁场
7、强度的计算,正如使用电流有关,简化了媒质中磁场强度的计算,正如使用电位移矢电位移矢量量可以简化介质中静电场的计算一样。可以简化介质中静电场的计算一样。现在学习的是第7页,共55页 对于大多数媒质,磁化强度对于大多数媒质,磁化强度M与磁场强度与磁场强度H 成正比,即成正比,即式中比例常数式中比例常数 m 称为称为磁化率磁化率。磁化率可以是。磁化率可以是正正或或负负实数。实数。考虑到考虑到 ,则由上式求得,则由上式求得令令则则式中式中称为称为磁导率磁导率。相对磁导率相对磁导率r定义为定义为3.磁介质的本构关系磁介质的本构关系现在学习的是第8页,共55页但是,无论抗磁性或者顺磁性媒质,其磁化现象但是
8、,无论抗磁性或者顺磁性媒质,其磁化现象均很微弱均很微弱,因此,可以认为它,因此,可以认为它们的相对磁导率基本上等于们的相对磁导率基本上等于1。铁磁性媒质的磁化现象非常显著,其磁导率。铁磁性媒质的磁化现象非常显著,其磁导率可以达到可以达到很高很高的数值。的数值。抗磁性抗磁性媒质磁化后使磁场媒质磁化后使磁场减弱减弱,因此,因此顺磁性顺磁性媒质磁化后使磁场媒质磁化后使磁场增强增强,因此,因此媒质媒质媒 质金金0.9996铝铝1.000021 镍镍 250银银0.9998镁镁1.000012 铁铁4000铜铜0.9999钛钛1.000180磁性合金磁性合金105现在学习的是第9页,共55页 与与介介质
9、质的的电电性性能能一一样样,媒媒质质的的磁磁性性能能也也有有均均匀匀与与非非均均匀匀,线性与非线性线性与非线性、各向同性与各向异性各向同性与各向异性等特点。等特点。若若媒媒质质的的磁磁导导率率不不随随空空间间变变化化,则则称称为为均均匀匀媒媒质质,反反之之,则则称称为为非非均均匀匀媒媒质质。若若磁磁导导率率与与外外加加磁磁场场强强度度的的大大小小及及方方向向均均无无关关,磁磁感感应应强强度度与与磁磁场场强强度度成成正正比比,则则称称为为各各向向同同性性的的线线性性媒媒质质。否否则,称为则,称为各向异性各向异性的媒质。的媒质。现在学习的是第10页,共55页对于某些恒定磁场,根据对于某些恒定磁场,
10、根据安培环路定律安培环路定律计算磁场强度(磁感计算磁场强度(磁感应强度)将十分简便。应强度)将十分简便。为为此此,必必须须找找到到一一条条封封闭闭曲曲线线,曲曲线线上上各各点点的的磁磁场场强强度度(磁磁感感应应强强度度)大大小小相相等等,且且方方向向与与曲曲线线的的切切线线方方向向一一致致,上上式式的的矢矢量量积积分变为标量积分,且分变为标量积分,且H 可以由积分号移出,那么即可求出可以由积分号移出,那么即可求出H 值。值。现在学习的是第11页,共55页 利用利用安培环路定律安培环路定律计算恒定磁场的条件:计算恒定磁场的条件:1.1.H(B)H(B)只有切线分量只有切线分量2.2.H(B)H(
11、B)的切线分量处处相等的切线分量处处相等现在学习的是第12页,共55页例例1 1 计算无限长的,计算无限长的,电流为电流为I 的线电流产生的磁感的线电流产生的磁感应强度。应强度。rozyxdlIrr-re解解取取圆圆柱柱坐坐标标系系,如如图图示示。令令z轴轴沿沿电电流流方方向向。的的方方向向为为B 的的方方向向。那那么么,由由图图可可见见,这这个个叉叉积积方方向向为为圆圆柱柱坐坐标标中中的的e 方方向向。因因此此,磁磁感感应应强强度度B 的方向为的方向为e方向,即方向,即现在学习的是第13页,共55页此式表明,磁场线是以此式表明,磁场线是以z轴为圆心的一系列的轴为圆心的一系列的同心圆同心圆。显
12、然,此。显然,此时磁场分布以时磁场分布以z轴轴对称对称,且与,且与 无关无关。又因线电流为无限长,因此,。又因线电流为无限长,因此,场量一定与变量场量一定与变量 z 无关,所以,以线电流为圆心的磁场线上各无关,所以,以线电流为圆心的磁场线上各点磁感应强度相等。因此,沿半径为点磁感应强度相等。因此,沿半径为r 的磁场线上磁感应强度的的磁场线上磁感应强度的环量为环量为 根根据据安安培培环环路路定定律律,求求得得磁磁感感应应强强度度的的大大小为小为rozyxdlIrr-re现在学习的是第14页,共55页例2n一个无限长电流,半径为a,电流密度为(ra),沿z轴放置,求空间各处的磁感应强度B。n解:r
13、a时ra时xyz0a现在学习的是第15页,共55页例:内、外半径分别为a和b的圆筒形磁介质中,沿轴向有电流密度为的传导电流。设磁介质的磁导率为,求各处的B和H以及磁介质的 磁化强度M。zabJn解:根据安培环路定律,以半径为r做一安培环路,r0。ra时arb时zabJ磁介质的磁化强度arb方向均为沿方向现在学习的是第17页,共55页小测验n空心长直铜管,内半径为R0,管壁厚度为d,铜管中有电流I通过,求各处的磁感应强度B。现在学习的是第18页,共55页在在外外源源的的作作用用下下,大大多多数数导导电电媒媒质质中中某某点点的的传传导导电流密度电流密度J 与该点的电场强度与该点的电场强度E 成正比
14、,即成正比,即式式中中称称为为电电导导率率,其其单单位位为为S/m(西西门门子子/米米)。值值愈愈大大表表明明导导电电能能力力愈愈强强,即即使使在在微微弱弱的的电电场场作作用用下,也可形成很强的电流。下,也可形成很强的电流。2.4.3媒质的传导特性媒质的传导特性现在学习的是第19页,共55页 电导率为无限大的导体称为电导率为无限大的导体称为理想导电体理想导电体。显然,在理想导电体中,无。显然,在理想导电体中,无需电场推动即可形成电流。由上式可见,在理想导电体中是不可能存在需电场推动即可形成电流。由上式可见,在理想导电体中是不可能存在恒定电场的,否则,将会产生无限大的电流,从而产生无限大的能量。
15、恒定电场的,否则,将会产生无限大的电流,从而产生无限大的能量。但是,任何能量总是有限的。但是,任何能量总是有限的。电导率为零的媒质,不具有导电能力,这种媒质称为电导率为零的媒质,不具有导电能力,这种媒质称为理想介质理想介质。媒媒 质质电导率电导率(S/m)媒媒 质质电导率电导率(S/m)银银海海 水水4紫紫 铜铜淡淡 水水金金干干 土土铝铝变压器油变压器油黄黄 铜铜玻玻 璃璃铁铁橡橡 胶胶现在学习的是第20页,共55页n感应电动势inducedelectromotiveforcen感应电场inducedelectricfieldn位移电流displacementcurrentn传导电流cond
16、uctioncurrentn麦克斯韦方程Maxwellsequation现在学习的是第21页,共55页2.5电磁感应定律和位移电流电磁感应定律和位移电流 穿过闭合线圈中的磁通发生变化时,线圈中产生的感应电动势穿过闭合线圈中的磁通发生变化时,线圈中产生的感应电动势 e 为为 式中电动势式中电动势 e 的的正方向正方向规定为与磁通方向构成规定为与磁通方向构成右旋右旋关系。关系。电电磁磁感感应应定定律律表表明明:穿穿过过导导电电回回路路的的磁磁通通发发生生变变化化时时,在在该导电回路中就会产生感应电动势和感应电流。该导电回路中就会产生感应电动势和感应电流。感应电动势大小:正比于磁通对时间的变化率。感
17、应电动势大小:正比于磁通对时间的变化率。方方向向:感感应应电电动动势势及及其其所所产产生生的的电电流流总总是是阻阻碍碍原原有有磁磁通通的的变化。变化。2.5.1法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律 现在学习的是第22页,共55页 感感应应电电流流产产生生意意味味着着导导线线中中存存在在电电场场,这这种种电电场场称称为为感感应应电电场场,以以E表表示。感应电场强度沿线圈回路的闭合线积分等于线圈中的感应电动势,即示。感应电场强度沿线圈回路的闭合线积分等于线圈中的感应电动势,即 又知又知 ,得,得上式称为上式称为电磁感应定律电磁感应定律,它表明穿过线圈中的磁场发生变化时,导线中产生感应电,它表明穿过
18、线圈中的磁场发生变化时,导线中产生感应电场场,即,即时变磁场可以产生电场时变磁场可以产生电场。现在学习的是第23页,共55页根据斯托克斯定理,得根据斯托克斯定理,得 由由于于该该式式对对于于任任一一回回路路面面积积 S 均均成成立立,因因此此,其其被被积积函数一定为零,即函数一定为零,即此式为电磁感应定律的此式为电磁感应定律的微分形式微分形式。它表明。它表明某点某点磁感应强度的时磁感应强度的时间变化率间变化率负负值等于值等于该点该点时变电场强度的旋度时变电场强度的旋度。电电磁磁感感应应定定律律是是时时变变电电磁磁场场的的基基本本定定律律之之一一,也也是是将将要要介介绍绍的描述时变电磁场著名的的
19、描述时变电磁场著名的麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组中方程之一。中方程之一。现在学习的是第24页,共55页法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律微分形式微分形式积分形式积分形式它表明时变场和静电场的性质完全不同,时变的电场是一个有它表明时变场和静电场的性质完全不同,时变的电场是一个有旋场,随时间变化的磁场是电场的旋度源,或者说旋场,随时间变化的磁场是电场的旋度源,或者说变化的磁场变化的磁场产生电场产生电场。现在学习的是第25页,共55页2.5.2位移电流位移电流位移电流位移电流不是电荷不是电荷的运动,而是一种的运动,而是一种人为定义人为定义的概念。的概念。传导电流是媒介中的自由电子传导电流是媒介中的
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