工程电磁场原理工程电磁场原理2013-08-27主主 讲：王讲：王 伟伟哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学COLLEGEOFAUTOMATION,HARBINENGINEERINGUNIVERSITYHARBIN ENGINEERING UNIVERSITY学习要点学习要点引言电磁场物理模型电磁场物理模型123矢量分析矢量分析4场论场论5麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组6本章小结本章小结HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY引言引言 1.1. 什么是电磁场？什么是电磁场？ 电磁场是电场与磁场的合称电磁场是电场与磁场的合称。电场和磁场的传播过程生成一个作用力场，这个作用力场叫做电磁场。电磁场是电磁作用的媒递物，具有电磁场是电磁作用的媒递物，具有能量和动量，是物质存在的一种形式能量和动量，是物质存在的一种形式。电磁场的性质、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组确定。所谓的“场”指的是空间中的一个区域，进入这个区域的物体会感受到力的作用。例如，温度场T T(x,y,z,t)、重力场F F(x,y,z,t)，以及电场E E(x,y,z,t)、磁场B B(x,y,z,t)等对应于相应物理效应客观存在的物理场；HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY引言引言 2.2. 怎样能够产生电磁场？怎样能够产生电磁场？ 电磁场可由变速运动变速运动的带电粒子引起，也可由强弱变化强弱变化的电流引起，不论原因如何，电磁场总是以光速向四周传播，形成电磁波。 3.3. 日常生活中用到的电磁场？日常生活中用到的电磁场？HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY引言引言 3.3. 日常生活中用到的电磁场？日常生活中用到的电磁场？HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY引言引言 3.3. 日常生活中用到的电磁场？日常生活中用到的电磁场？HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY引言引言 3.3. 日常生活中用到的电磁场？日常生活中用到的电磁场？HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY引言引言 4.4. 已经学过的电磁场物理定律？已经学过的电磁场物理定律？u库仑定律库仑定律u欧姆定律欧姆定律u法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律u安培环路定律安培环路定律HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY5.5. 本课程的理论体系本课程的理论体系宏观电磁理论宏观电磁理论 1865年英国物理学家麦克斯韦(J.C.Maxwell)建立的著名的麦克斯韦电磁场方程组是宏观电磁理论体系的基础。 宏观电磁理论所涉及的电磁现象和过程的基本特征是：宏观电磁理论所涉及的电磁现象和过程的基本特征是： 场域场域( (即场空间即场空间) )中媒质是静止的，或其运动速度远小于光速；中媒质是静止的，或其运动速度远小于光速； 场域作为点集，点的尺寸远大于原子间的距离。场域作为点集，点的尺寸远大于原子间的距离。 本课程所讨论的任一场点，即意味着大量分子的集合 场域中的媒质被看作为“连续媒质” 该场点处的电磁性能归结为对应的宏观统计平均效应的表征，即通过宏观等效的物性连续参数(如电导率、磁导率和介电常数)予以描述。 因而，宏观电磁理论也被称为“连续媒质电动力学”，但决不等同于“量子电动力学”或“相对论电动力学”，后者已分别延拓到微观粒子或高速运动体系中电磁现象和过程的研究领域。引言引言HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY6 6、学习方法、学习方法 电磁场理论体系完整、简练，内涵丰富、概念性强，且较抽象。同时，应用数学知识与工具较多，涉及知识面宽，故更需要注意科学的学习方法1. 深入理解，建立正确的物理概念，并熟练运用必须的数学知识和工深入理解，建立正确的物理概念，并熟练运用必须的数学知识和工具具 实践证明，正确理解物理概念是学习中困难的主要方面，故需抓住此主要矛盾，通过深入钻研，使之得以缓解。 本课程学习将遵循数学建模、分析的主线索展开，因此，除微积分基础知识外，矢量分析与场论、数理方程(偏微分方程)与特殊函数等数学知识和工具都应成为定性乃至定量分析电磁场问题所必备的知识基础。2. 2. 掌握常用分析、计算的方法掌握常用分析、计算的方法 通过例题、习题等环节不断提高逻辑思维、分析与解题能力，这也是理论联系实际、通过实践能动地理解和深化概念的过程。 引言引言HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY 引言引言7. 7. 逐步建立工程分析的观点逐步建立工程分析的观点 本课程终极目的在于培养学生分析和解决工程电磁场问题的基本能力。8.8. 正确的学习态度和方法正确的学习态度和方法 刻苦钻研，独立思考； 科学的方法论：运用演绎法(由一般到特殊)、类比法和归纳法等，以努力提高学习效率和改善学习效果； 科学地安排、计划学习时间； 及时做好课程的预、复习。HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY 第一章第一章 电磁场的数学物理基础电磁场的数学物理基础重点内容回顾及疑难解答场的概念教学内容主要知识点1掌握电磁场物理模型构成，理解源量、场量以及媒质电磁性能参数等物理概念。2掌握矢量分析的方法。3理解麦克斯韦方程组在数学和物理意义上的描述。重点和难点(1) 矢量分析(2) 场论(3) 麦克斯韦方程组思考题与作业例题1-1、1-2、1-3；作业1-1，1-2，1-3，1-4，1-6备注HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY一、电磁场的物理模型一、电磁场的物理模型 根据电磁现象和过程分析的物理模型构造的本质，可建立如下电磁场分析与电路分析的物理模型之间的对比关系。理想化假设实际的电工、电子技术装置 电路模型(一种具体的 物理模型)电路模型：理想电路元件(R、L、C) 及其组合理 想 电 压 源 、 电 流 源(e,i)分析问题以u，i为基 本物理量给 定 激 励(e,i) 求响应(u,i)电路分析：电路分析：1.1电磁磁场物理模型的构成物理模型的构成HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY一、电磁场的物理模型一、电磁场的物理模型电磁场分析：电磁场分析： 电磁场的物理模型：连续媒质的场空间(、 、 及其相应的几何结构) 理想化的场源(q,i)分析问题以E、 H 、D、 B为 基本物理量(场量)给 定 源 量 (q,i),求 场 分布(E、H、D 、B)理想化假设实际电磁装置中的电磁现象和过程电磁场的物理模型以上电磁场与电路分析的求解过程均可归结为以上电磁场与电路分析的求解过程均可归结为(1)给出与所分析的物理模型对应的基本规律性的数学描述（泛定方程）及其定解条件，即构造相应的数学模型；(2)运用相应的分析计算方法；(3)解出数学模型中的待求物理量，即得所分析问题的确定解。HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY一、电磁场的物理模型一、电磁场的物理模型1.2电磁磁场的基本物理量的基本物理量源量和源量和场量量电磁场物理模型中的基本物理量可分为源量和场量两大类。 源量源量激励（激励（输入）入） 场量量响响应（输出）出） 电磁场模型中的源量源量：电荷和电流电磁场模型中的基本场量量：电场强度E E和磁场强度B B在一般情况下，电磁场的源量和场量分布均随所在空间的位置和时间而变化，即可以表述为空间坐标和时间的函数，如两个基本场量的数学函数式可分别记为 、 。HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY一、电磁场的物理模型一、电磁场的物理模型1. 源量源量(电荷电荷) q(r ,t) 电荷是物质基本属性之一。 1897年英国科学家汤姆逊(J.J.Thomson)在实验中发现了电子。 19071913年间，美国科学家密立根(R.A.Miliken)通过油滴实验，精确测定电子电荷的量值为 e =1.602 177 3310-19 (单位：C) 确认了电荷量的量子化概念。换句话说，e 是最小的电荷量，而任何带电粒子所带电荷都是e 的整数倍。 宏观分析时，场源电荷常是数以亿计的电子电荷e的组合，故可不考虑其量子化的事实，而认为电荷量q可任意连续取值。HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY一、电磁场的物理模型一、电磁场的物理模型 类同于由物质密度 给定物质的质量m一样，现引入关于电荷的平滑的平均密度函数概念，即以电荷密度分布的方式来给定带电体的电荷量以电荷密度分布的方式来给定带电体的电荷量。 理想化实际带电系统的电荷分布形态为如下四种形式： （1）点电荷点电荷 q(r ,t)： （2）电荷体密度电荷体密度 (r ,t)： （3）电荷面密度电荷面密度 (r ,t)： （4）电荷线密度电荷线密度 (r ,t)：HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY一、电磁场的物理模型一、电磁场的物理模型2. 2. 源量源量( (电流流) ) i i ( (t t) ) 源于电荷定向运动的电流 i 定义为 可见，电流i为一积分量，不是点函数。鉴于电磁场空间中各点电磁现象和过程变化规律性分析的需要，必须引入对应于源量i(t)分布的点函数形式的描述体体电流密度流密度( (简称称电流密度流密度) )J J( (r r, ,t t) ),其量值为 (单位: A/m2)其方向习惯上定义为正电荷运动的方向。HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY一、电磁场的物理模型一、电磁场的物理模型3. 3. 场量量( (电场强强度度) )E E 1785年法国物理学家库仑（C.A.Coulomb）定量的研究了电场对静止电荷的作用力：(单位：N/C或V/m) 要求试体电荷携带的电荷量必须小到不至于影响被研究的电场。电场强强度即度即单位位电荷受到的荷受到的电场力。力。 电场不只存在于静止电荷的周围空间，在通有电流的导体中，在由交变电流激励的电磁装置的周围空间内都存在着电场。对于电场问题，研究和分析的首要任务是在给定源量的作用下求其电场强度E（r,t）随空间和时间变化的规律性。 HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY一、电磁场的物理模型一、电磁场的物理模型4. 4. 场量量( (磁通密度磁通密度) )B B 磁通密度也称为磁感应强度是用来描述运动电荷受到的磁场力，其值等于单位运动电荷以单位速度在与磁场相垂直方向上运动时所受到的磁场力。上式仅表明当B B 的方向与运动电荷速度v v 的方向相互垂直时B B 的数量关系。一般情况下，B B的数值和方向应满足下式的关系(单位：T或Wb/ m2)HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY一、电磁场的物理模型一、电磁场的物理模型对于导体内电流产生的磁场力可以表示为：电流 导线内以速度v v运动的元电荷dq，在dt时间内对应的元位移为因此上式可以表述为元电流Idl在磁场中受到的力。同理，磁场也不只存在于磁铁或恒定电流的周围空间，也存在于电磁波中，存在于由交变电流激励的电磁装置的周围空间内。因此，对于广泛的磁场问题，也将首先聚焦于场分布，即磁感应强度B（r,t）随空间和时间变化规律的分析。 HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY一、电磁场的物理模型一、电磁场的物理模型1.3电磁磁场中的媒中的媒质及其及其电磁性能参数磁性能参数 在电磁场源量的作用下，电磁场物理模型所对应的各种电气装置中的电磁现象，本质上将取决于构成装置和场域的各种媒质的几何结构及其电磁性能。在本课程中，主要研究宏观电磁现象，即研究媒质的微观结构在与电磁场相互作用下所表征的宏观统计平均效应，采用若干个宏观等效的性能参数来描述媒质的电磁性能电导率、磁导率和介电常数。 电导率反映了材料的导电性能；磁导率反映了材料宏观的磁化性能；介电常数反映了材料在电场作用下的极化性能。这三个参数在电磁场中的地位相当于R R、L L、C C在电路问题中的作用。HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY一、电磁场的物理模型一、电磁场的物理模型 针对媒质中媒质中的电磁场问题，在物理电磁学中引入另外两个基本物理量：电通密度电通密度（电位移矢量）D和磁场强度磁场强度H，它们的定义式分别与媒质的电磁性能参数和相关联，构成与基本量E和B之间的关系为:上式称为媒质的构成方程。D、H、和的单位分别是：库/米2（C/m2）、安/米（A/m）、法/米（F/m）和亨/米（H/m）。HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY一、电磁场的物理模型一、电磁场的物理模型由以上分析可知，对于电磁场运动状态的描述，在数学上可以归结为研究空间矢量函数，即电场强度E、磁通密度B、电通密度D和磁场强度H随时间和空间变化的规律。 真空作为一种特殊媒质，具有表征其电磁性能的等效宏观电磁参数介质阻抗常数 和 磁导率。这两个分别和电、磁现象相关的真空电磁参数，与真空中电磁波传播速度c一起，构成电磁场物理模型中三个通用常数。HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY二、矢量分析二、矢量分析 矢量的几何表示：用一条有方向的线段来表示矢量的几何表示：用一条有方向的线段来表示 矢量的几何表示矢量的几何表示矢量可表示为：矢量可表示为： 其中其中 为为模值模值，表征矢量的，表征矢量的大小大小； 为为单位矢量单位矢量，表征矢量的，表征矢量的方向方向； 说明：矢量书写时，说明：矢量书写时，印刷体印刷体为场量符号加粗，如为场量符号加粗，如 。教材。教材上的矢量符号即采用印刷体。上的矢量符号即采用印刷体。2.1 矢量代数矢量代数2.1.1标量和矢量标量和矢量 标量与矢量标量与矢量 标量：标量：只有大小，没有方向只有大小，没有方向的物理量的物理量( (电压电压U U、电荷量、电荷量Q Q、能量、能量W W等）等） 矢量：矢量：既有大小，又有方向既有大小，又有方向的物理量（作用力，电、磁场强度）的物理量（作用力，电、磁场强度） 矢量的代数表示矢量的代数表示HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY二、矢量分析二、矢量分析 矢量用坐标分量表示矢量用坐标分量表示zxyHARBIN ENGINEERING UNIVERSITY二、矢量分析二、矢量分析2.1.2矢量的运算矢量的运算 矢量的加法和减法矢量的加法和减法说明：说明：1 1、矢量的加法符合、矢量的加法符合交换律交换律和和结合律结合律： 2 2、矢量相加和相减可用、矢量相加和相减可用平行四边形法则平行四边形法则求解：求解： HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY二、矢量分析二、矢量分析 矢量的乘法矢量的乘法 矢量与标量相乘矢量与标量相乘标量与矢量相乘只改变矢量大小，不改变方向。标量与矢量相乘只改变矢量大小，不改变方向。 矢量的标积（点积）矢量的标积（点积）说明：说明：1 1、矢量的点积符合交换律和分配律：、矢量的点积符合交换律和分配律： 2 2、两个矢量的点积为标量两个矢量的点积为标量 HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY二、矢量分析二、矢量分析 矢量的矢积（叉积）矢量的矢积（叉积）说明：说明：1 1、矢量的叉积、矢量的叉积不符合不符合交换律，但交换律，但符合符合分配律：分配律： 2 2、两个矢量的叉积为矢量两个矢量的叉积为矢量 3 3、矢量运算恒等式、矢量运算恒等式qsinABqHARBIN ENGINEERING UNIVERSITY二、矢量分析二、矢量分析 三维空间任意一点的位置可通过三维空间任意一点的位置可通过三条相互正交线的三条相互正交线的交点交点来确定。来确定。 在电磁场与波理论中，三种常用的正交坐标系为：在电磁场与波理论中，三种常用的正交坐标系为：直直角坐标系角坐标系、圆柱坐标系圆柱坐标系和和球坐标系球坐标系。 三条正交线组成的确定三维空间任意点位置的体系，三条正交线组成的确定三维空间任意点位置的体系，称为称为正交坐标系正交坐标系；三条正交线称为；三条正交线称为坐标轴坐标轴；描述坐标轴；描述坐标轴的量称为的量称为坐标变量坐标变量。2.2 三种常用的正交坐标系三种常用的正交坐标系HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY二、矢量分析二、矢量分析2.2.1直角坐标系直角坐标系位置矢量位置矢量面元矢量面元矢量线元矢量线元矢量体积元体积元坐标变量坐标变量坐标单位矢量坐标单位矢量点点P(x0,y0,z0)0yy=（平面）（平面）oxyz0xx=（平面）（平面）0zz=（平面（平面）P直角坐标系直角坐标系xyz直角坐标系的长度元、面积元、体积元直角坐标系的长度元、面积元、体积元odzdydxHARBIN ENGINEERING UNIVERSITY二、矢量分析二、矢量分析2.2.2圆柱坐标系圆柱坐标系坐标变量坐标变量坐标单位矢量坐标单位矢量位置矢量位置矢量线元矢量线元矢量体积元体积元面元矢量面元矢量圆柱坐标系中的线元、面元和体积元圆柱坐标系中的线元、面元和体积元圆柱坐标系圆柱坐标系HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY二、矢量分析二、矢量分析说明：说明：圆柱坐标系下矢量运算方法：圆柱坐标系下矢量运算方法：加减：加减：标积：标积：矢积：矢积：HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY二、矢量分析二、矢量分析2.2.3球面坐标系球面坐标系球坐标系球坐标系球坐标系中的线元、面元和体积元球坐标系中的线元、面元和体积元坐标变量坐标变量坐标单位矢量坐标单位矢量位置矢量位置矢量线元矢量线元矢量体积元体积元面元矢量面元矢量HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY二、矢量分析二、矢量分析说明：球面坐标系下矢量运算：说明：球面坐标系下矢量运算： 加减：加减：标积：标积：矢积：矢积：HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY二、矢量分析二、矢量分析2.2.4坐标单位矢量之间的关系坐标单位矢量之间的关系 直角坐标直角坐标与与圆柱坐标系圆柱坐标系圆柱坐标圆柱坐标与与球坐标系球坐标系直角坐标直角坐标与与球坐标系球坐标系oxy单位圆单位圆 直角坐标系与柱坐标系之间直角坐标系与柱坐标系之间坐标单位矢量的关系坐标单位矢量的关系orz单位圆单位圆 柱坐标系与球坐标系之间柱坐标系与球坐标系之间坐标单位矢量的关系坐标单位矢量的关系HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY二、矢量分析二、矢量分析三种坐标系有不同适用范围：三种坐标系有不同适用范围：1 1、直角坐标系适用于场呈、直角坐标系适用于场呈面对称分布面对称分布的问题求解，如无限大的问题求解，如无限大面电荷分布产生电场分布。面电荷分布产生电场分布。2 2、柱面坐标系适用于场呈、柱面坐标系适用于场呈轴对称分布轴对称分布的问题求解，如无限长的问题求解，如无限长线电流产生磁场分布。线电流产生磁场分布。3 3、球面坐标系适用于场呈、球面坐标系适用于场呈点对称分布点对称分布的问题求解，如点电荷的问题求解，如点电荷产生电场分布。产生电场分布。HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论3.1 标量场的梯度标量场的梯度q如果物理量是标量，称该场为如果物理量是标量，称该场为标量场标量场。 例如例如：温度场、电位场、高度场等。：温度场、电位场、高度场等。q如果物理量是矢量，称该场为如果物理量是矢量，称该场为矢量场矢量场。 例如例如：流速场：流速场、重力场重力场、电场、磁场等。、电场、磁场等。q如果场与时间无关，称为如果场与时间无关，称为静态场静态场，反之为，反之为时变场时变场。时变标量场和矢量场可分别表示为：时变标量场和矢量场可分别表示为： 确定空间区域上的每一点都有确定物理量与之对应，称在该区域上定确定空间区域上的每一点都有确定物理量与之对应，称在该区域上定义了一个义了一个场场。从数学上看，场是定义在空间区域上的函数：从数学上看，场是定义在空间区域上的函数： 标量场和矢量场标量场和矢量场静态标量场和矢量场可分别表示为：静态标量场和矢量场可分别表示为：HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论3.1.1标量场的等值面标量场的等值面 标量场空间中，由所有场值相等的点所构成的面，即为等值面。即若标量场空间中，由所有场值相等的点所构成的面，即为等值面。即若标量函数为标量函数为 ，则等值面方程为：，则等值面方程为：3.1.2方向导数方向导数方向导数表征标量场空间中，方向导数表征标量场空间中，某点处某点处场值沿场值沿特定方向特定方向变化的规律。变化的规律。 方向导数定义：方向导数定义：方向导数与选取的方向导数与选取的考察方向考察方向有关。有关。HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论 若函数=(x, y, z)在点M0(x0, y0, z0)处可微，cos、cos、cos为l方向的方向余弦，则函数在点M0处沿l方向的方向导数必定存在，且为 证明：M点的坐标为M(x0+x, y0+y, z0+z)，由于函数在M0处可微，故 HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论两边除以 ，可得 当趋于零时对上式取极限，可得 HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论 方向导数物理意义：方向导数物理意义：，标量场，标量场 在在 处沿处沿 方向增加率；方向增加率；，标量场，标量场 在在 处沿处沿 方向减小率；方向减小率；，标量场，标量场 在在 处沿处沿 方向为等值面方向（无改变）方向为等值面方向（无改变） 方向导数的计算方向导数的计算 的方向余弦。的方向余弦。 式中式中： 分别为分别为 与与x,y,zx,y,z坐标轴的夹角。坐标轴的夹角。 HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论 例例1-1 求数量场 =(x+y)2-z通过点M(1, 0, 1)的等值面方程。或 解：解：点M的坐标是x0=1, y0=0, z0=1，则该点的数量场值为=(x0+y0)2-z0=0。其等值面方程为HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论 例例1-3 求数量场 在点M(1, 1, 2)处沿l=ex+2ey+2ez方向的方向导数。 解：解：l方向的方向余弦为 HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论而 数量场在l方向的方向导数为 在点M处沿l方向的方向导数 HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论 梯度的定义梯度的定义式中：式中： 为场量为场量 最大变化率最大变化率的方向上的单位矢量。的方向上的单位矢量。 梯度的性质梯度的性质 标量场的梯度为标量场的梯度为矢量矢量，且是坐标位置的函数，且是坐标位置的函数 标量场梯度的幅度表示标量场的标量场梯度的幅度表示标量场的最大增加率最大增加率 标量场梯度的方向标量场梯度的方向垂直于垂直于等值面，为标量场等值面，为标量场增加最快增加最快的方向的方向 标量场在给定点沿任意方向的标量场在给定点沿任意方向的方向导数方向导数等于等于梯度在该方向投影梯度在该方向投影3.1.3标量场的梯度标量场的梯度HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论 梯度的运算梯度的运算 直角坐标系：直角坐标系：哈密顿算符 球面坐标系：球面坐标系： 柱面坐标系：柱面坐标系：HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论 梯度运算相关公式梯度运算相关公式式中：式中： 为常数；为常数； 为坐标变量函数；为坐标变量函数； HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论3.2 矢量场的通量与散度矢量场的通量与散度3.2.1 3.2.1 矢量线（力线）矢量线（力线）矢量场的通量矢量场的通量 矢量线的矢量线的疏密疏密表征矢量场的表征矢量场的大小大小 矢量线上每点的切向代表该处矢量场的方向矢量线上每点的切向代表该处矢量场的方向 若若矢量场矢量场 分布于空间中，在空间分布于空间中，在空间中存在任意曲面中存在任意曲面S S，则定义：，则定义：为为矢量矢量 沿沿有向曲面有向曲面 S S 的通量的通量。3.2.2 3.2.2 矢量场的通量矢量场的通量矢量线矢量线OM问题问题：如何定量描述矢量场的大小？如何定量描述矢量场的大小？ 引入引入通量通量的概念。的概念。 HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论 1) 1) 面元矢量面元矢量 定义：面积很小的定义：面积很小的有向有向曲面。曲面。：面元面积，为微分量，：面元面积，为微分量，无限小无限小：面元法线方向，：面元法线方向，垂直于垂直于面元平面。面元平面。说明：说明：2) 2) 面元法向面元法向 的确定方法：的确定方法： 对非闭合曲面：由曲面边线绕向按对非闭合曲面：由曲面边线绕向按右手螺旋右手螺旋法则法则确定；确定； 对闭合曲面：闭合面对闭合曲面：闭合面外法线方向外法线方向 若若S为闭合曲面为闭合曲面 物理意义：表示穿入和穿出闭合面物理意义：表示穿入和穿出闭合面S S的通量的的通量的代数和代数和。 HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论 若若 ，通过闭合曲面有净的矢量线穿出，闭合面内有发，通过闭合曲面有净的矢量线穿出，闭合面内有发出矢量线的出矢量线的正源正源； 若若 ，有净的矢量线进入，闭合面内有汇集矢量线的，有净的矢量线进入，闭合面内有汇集矢量线的负负源源； 若若 ，进入与穿出闭合曲面的矢量线相等，闭合面内，进入与穿出闭合曲面的矢量线相等，闭合面内无无源源，或或正源负源代数和为正源负源代数和为0 0。 通过通过闭合面闭合面S S的通量的通量的物理意义：的物理意义：HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论3.2.33.2.3、矢量场的散度、矢量场的散度 散度的定义散度的定义 在场空间在场空间 中任意点中任意点M M 处作一个闭合曲面，所围的体积为处作一个闭合曲面，所围的体积为 ，则定义场矢量，则定义场矢量 在在M M 点处的散度为：点处的散度为： 即即流出单位体积元封闭面的通量。流出单位体积元封闭面的通量。HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论 散度的物理意义散度的物理意义 矢量场的散度表征了矢量场的矢量场的散度表征了矢量场的通量源的分布特性通量源的分布特性( (体密度体密度) )； 矢量场的矢量场的散度是标量散度是标量； 矢量场的散度是空间坐标的函数；矢量场的散度是空间坐标的函数； 矢量场的散度值表征空间中某点处矢量场的散度值表征空间中某点处通量源的密度通量源的密度。( ( 正源正源) ) ( (负负源源) )( ( 无源无源） 若若 处处成立，则该矢量场称为处处成立，则该矢量场称为无散场无散场 若若 ，则该矢量场称为，则该矢量场称为有散场有散场， 为源密度为源密度 讨论：在矢量场中，讨论：在矢量场中，HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论 在直角坐标系下：在直角坐标系下：在圆柱坐标系下：在圆柱坐标系下：在球面坐标系下：在球面坐标系下： 散度的计算散度的计算HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论3.2.4散度定理（矢量场的高斯定理）散度定理（矢量场的高斯定理） 该公式表明了矢量场该公式表明了矢量场 的散度在体积的散度在体积V内的积分等于矢量场内的积分等于矢量场穿过包围该体积的穿过包围该体积的边界面边界面S S的通量。的通量。 散度运算相关公式散度运算相关公式HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论3.3.1 3.3.1 矢量的环流矢量的环流在场矢量在场矢量 空间中，取一有向闭合路径空间中，取一有向闭合路径 ，则称，则称 沿沿 积分的结果称为矢量积分的结果称为矢量 沿沿 的环流。即：的环流。即： 线元线元矢量矢量 ：长度趋近于：长度趋近于0 0，方向沿路径切线方向。，方向沿路径切线方向。 环流意义：若矢量场环流不为零，则矢量场中存在产生矢量环流意义：若矢量场环流不为零，则矢量场中存在产生矢量场的漩涡源。场的漩涡源。反映矢量场漩涡源分布情况反映矢量场漩涡源分布情况讨论：讨论： 环量的定义3.3 矢量场的矢量场的环流环流 旋度旋度HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论3.3.2 3.3.2 矢量的旋度矢量的旋度 环流面密度环流面密度称为矢量场称为矢量场 在在M M点处沿点处沿 方向的漩涡源密度方向的漩涡源密度。定义：定义：空间某点空间某点M M处单位面元处单位面元边界闭合曲线的环流：边界闭合曲线的环流：1)1)环流面密度大小与所选取的单位面元方向环流面密度大小与所选取的单位面元方向 有关。有关。2)任意取向面元的环流面密度与最大任意取向面元的环流面密度与最大环流面密度的关系：环流面密度的关系：HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论 矢量场的矢量场的旋度旋度 矢量场在矢量场在M M点的旋度为该点处点的旋度为该点处环流面密度最大时环流面密度最大时对应的矢量，对应的矢量，模值等于模值等于M M点处最大环流面密度点处最大环流面密度，方向为，方向为环流密度最大的方向环流密度最大的方向，表，表示为示为 ，即：，即：式中：式中： 表示矢量场旋度的方向；表示矢量场旋度的方向； 旋度的物理意义旋度的物理意义 矢量的旋度为矢量的旋度为矢量矢量，是空间坐标的函数，是空间坐标的函数 矢量在空间某点处的旋度表征矢量场在该点处的矢量在空间某点处的旋度表征矢量场在该点处的漩涡源密度漩涡源密度HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论 旋度的计算旋度的计算 直角坐标系：直角坐标系：HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论 柱面坐标系：柱面坐标系： 球面坐标系：球面坐标系：矢量场的旋度矢量场的旋度的散度恒为零的散度恒为零标量场的梯度标量场的梯度的旋度恒为零的旋度恒为零 旋度计算相关公式：旋度计算相关公式：证明证明证明证明HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论讨论：散度和旋度比较讨论：散度和旋度比较 HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论3.3.3 3.3.3 斯托克斯定理斯托克斯定理由旋度的定义 对于有限大面积s，可将其按如图方式进行分割，对每一小面积元有斯托克斯定理的证明：得证！意义：矢量场的旋度在曲面上的积分等于意义：矢量场的旋度在曲面上的积分等于该矢量场在限定该曲面的闭合曲线上的环流。该矢量场在限定该曲面的闭合曲线上的环流。曲面的曲面的剖分剖分方向相反大方向相反大小相等抵消小相等抵消HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论3.4 无旋场与无散场无旋场与无散场3.4.1 3.4.1 无旋场无旋场 若矢量场若矢量场 在某区域在某区域V V内，处处内，处处 ，但在某些位置或整，但在某些位置或整个空间内，有个空间内，有 ，则称在该区域，则称在该区域V V内，场内，场 为无旋场。为无旋场。 结论：结论：无旋场场矢量沿任何闭合路径的环流等于零无旋场场矢量沿任何闭合路径的环流等于零( (无漩涡源无漩涡源) )。 重要性质重要性质：无旋场的旋度始终为无旋场的旋度始终为0，可引入标量辅助函数可引入标量辅助函数表征矢量场，即表征矢量场，即例如：静电场例如：静电场HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论3.4.2 3.4.2 无散场无散场 若矢量场若矢量场 在某区域在某区域V V内，处处内，处处 ，但在某些位置或整个，但在某些位置或整个空间内，有空间内，有 ，则称在该区域，则称在该区域V V内，场内，场 为无源有旋场。为无源有旋场。结论：结论：无散场通过任意闭合曲面的通量等于零（无散度源）无散场通过任意闭合曲面的通量等于零（无散度源）。 重要性质：重要性质：无散场的散度始终为无散场的散度始终为0，可引入矢量函数的旋度表示无散场，可引入矢量函数的旋度表示无散场例如，恒定磁场例如，恒定磁场HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论（3 3）无旋、无散场）无旋、无散场（源在所讨论的区域之外）（源在所讨论的区域之外）（4 4）有散、有旋场）有散、有旋场这样的场可分解为两部分：无旋场部分和无散场部分这样的场可分解为两部分：无旋场部分和无散场部分无旋场部分无旋场部分无散场部分无散场部分HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论3.5 拉普拉斯运算拉普拉斯运算 标量场的拉普拉斯运算标量场的拉普拉斯运算对标量场的梯度求散度的运算称为拉普拉斯运算。记作：对标量场的梯度求散度的运算称为拉普拉斯运算。记作：式中：式中：称为拉普拉斯算符。称为拉普拉斯算符。 在直角坐标系中：在直角坐标系中： 矢量场的拉普拉斯运算矢量场的拉普拉斯运算在直角坐标系中：在直角坐标系中：HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY三、场论三、场论3.6 亥姆霍兹定理亥姆霍兹定理亥姆霍兹定理亥姆霍兹定理 在有限区域内，任意矢量场由矢量场的在有限区域内，任意矢量场由矢量场的散度散度、旋度旋度和和边界条件边界条件（即矢（即矢量场在有限区域边界上的分布）量场在有限区域边界上的分布）唯一确定唯一确定，且任意矢量场可表示为：，且任意矢量场可表示为：说明：说明：HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY已知已知矢量矢量F的通量源密度的通量源密度矢量矢量F的旋度源密度的旋度源密度场域边界条件场域边界条件在电磁场中在电磁场中电、磁场散度电、磁场散度电、磁场旋度电、磁场旋度场域边界条件场域边界条件亥姆霍兹定理在电磁理论中的意义：亥姆霍兹定理在电磁理论中的意义：研究电磁场的一条主线研究电磁场的一条主线。 若矢量场若矢量场 在某区域在某区域V V内，处处有：内，处处有： 和和 则则 由其在边界面上的场分布确定。由其在边界面上的场分布确定。 注意：注意：不存在在整个空间内散度和旋度处处均为零的矢量场。不存在在整个空间内散度和旋度处处均为零的矢量场。三、场论三、场论HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY四、电磁场的基本规律四、电磁场的基本规律麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组4.1 电磁感应定律电磁感应定律 法拉第电磁感应定律积分形式法拉第电磁感应定律积分形式 法法拉拉第第电电磁磁感感应应定定律律：当当穿穿过过导导体体回回路路所所围围面面积积的的磁磁通通量量发发生生改改变变时时，回回路路中中将将产产生生感感应应电电动动势势，其大小等于其大小等于回路磁通量的时间变化率回路磁通量的时间变化率。 数学表示：数学表示： “- -”号号表表示示回回路路中中产产生生的的感感应应电电动动势势的的作作用用总总是是要要阻阻止止回回路路磁磁通通量的改变。量的改变。HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY四、电磁场的基本规律四、电磁场的基本规律麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 法拉第电磁感应定律微分形式法拉第电磁感应定律微分形式令感应电场为令感应电场为 空空间间内内，一一般般还还存存在在着着静静电电场场 ，导导体体内内总总电电场场为为 。 由由前前面面讨讨论论可知：可知： 为保守场，即为保守场，即 则则 法拉第电磁感应定律微分形式法拉第电磁感应定律微分形式HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY四、电磁场的基本规律四、电磁场的基本规律麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组对法拉第电磁感应定律微分形式的讨论对法拉第电磁感应定律微分形式的讨论 式中等式右边为式中等式右边为B B对对t t的偏导数，该式适用于分析的偏导数，该式适用于分析时变场时变场 式中的式中的E E是磁场随时间变化而激发的，称为是磁场随时间变化而激发的，称为感应电场感应电场 感应电场是感应电场是有旋场有旋场，即随时间变化的磁场会激发旋涡状的电场，即随时间变化的磁场会激发旋涡状的电场 对任意回路（不一定有导体存在）成立对任意回路（不一定有导体存在）成立 磁磁场场不不随随时时间间变变化化时时，有有 ，与与静静电电场场的的形形式式相相同同，可可见见静静电场是时变场的特殊情况电场是时变场的特殊情况法法拉拉第第电电磁磁感感应应定定律律所所揭揭示示的的物物理理规规律律：随随时时间间变变化化的的磁磁场场将将产产生生电电场场。 HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY四、电磁场的基本规律四、电磁场的基本规律麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 例例 在在时变磁磁场 中，放置有一个中，放置有一个 的矩形的矩形线圈。初始圈。初始时刻，刻，线圈平面的法向圈平面的法向单位矢量位矢量 与与 成成角，角，如如图所示。所示。试求：求： （1 1）线圈静止圈静止时的感的感应电动势；（2 2）线圈以角速度圈以角速度 绕 x 轴旋旋转时的感的感应电动势。x xy yza ab bB B时变磁磁场中的矩形中的矩形线圈圈 解解: : （1 1）线圈静止圈静止时，感，感应电动势是由是由时变磁磁场引起，故引起，故HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY四、电磁场的基本规律四、电磁场的基本规律麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 假定假定 时 ，则在在时刻刻 t t 时， 与与y 轴的的夹角角 （2 2）线圈圈绕 x x 轴旋旋转时， 的指向将随的指向将随时间变化。化。HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY四、电磁场的基本规律四、电磁场的基本规律麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组4.2 位移电流位移电流一、安培环路定律的局限性一、安培环路定律的局限性 如如图图：以以闭闭合合路路径径 为为边边界界的的曲曲面面有有无无限限多多个，取如图所示的两个曲面个，取如图所示的两个曲面S S1 1,S,S2 2。结论：恒定磁场中推导得到的安培环路定律不适用于时变场问题结论：恒定磁场中推导得到的安培环路定律不适用于时变场问题对对S S2 2面：面：则对则对S S1 1面：面：矛盾矛盾问题：随时间变化的磁场要产生电场，那么随时间变化的电场是否会问题：随时间变化的磁场要产生电场，那么随时间变化的电场是否会产生磁场？产生磁场？HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY四、电磁场的基本规律四、电磁场的基本规律麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 安培环路定理的修正安培环路定理的修正 位移电流的引入位移电流的引入 由电流守恒定律，有由电流守恒定律，有 安培环路定律的修正安培环路定律的修正而在时变场情形下，而在时变场情形下，即：即： ，则，则全电流全电流传导电流传导电流位移电流位移电流 用用全电流全电流来代替安培环路定律中的来代替安培环路定律中的传导电流传导电流，则可修正因时变条件，则可修正因时变条件下传导电流不守恒而产生的矛盾。下传导电流不守恒而产生的矛盾。 麦麦克克斯斯韦韦提提出出了了位位移移电电流流假假说说。他他认认为为：在在时时变变场场空空间间中中，存存在在着着因因变变化化的的电电场场而而形形成成的的位位移移电电流流，位位移移电电流流与与传传导导电电流流共共同同形形成成全全电电流流，全电流满足电流守恒关系全电流满足电流守恒关系: :电流守恒电流守恒电流不守恒电流不守恒HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY四、电磁场的基本规律四、电磁场的基本规律麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 位移电流位移电流 3 3、引入位移电流后，用、引入位移电流后，用全电流代替全电流代替安培环路定律中的安培环路定律中的传导电流传导电流 , , 则安培环路定律在时变场中仍然适用。则安培环路定律在时变场中仍然适用。2 2、在理想介质中，无传导电流，但可能有位移电流；、在理想介质中，无传导电流，但可能有位移电流； 在理想导体中，无位移电流，但在理想导体中，无位移电流，但可能可能有传导电流；有传导电流； 在导电介质中，既在导电介质中，既可能可能有传导电流，又有传导电流，又可能可能有位移电流。有位移电流。1 1、位移电流决定于电场的变化率，与传导电流不同，它、位移电流决定于电场的变化率，与传导电流不同，它不产生热效应不产生热效应。关于位移电流的几点说明关于位移电流的几点说明HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY四、电磁场的基本规律四、电磁场的基本规律麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 安培环路定律广义形式安培环路定律广义形式 一般时变场空间同时存在真实电流一般时变场空间同时存在真实电流( (传导电流传导电流) )和位移电流，则和位移电流，则安培环路定律广义形式安培环路定律广义形式(全电流定律全电流定律)物理意义：当物理意义：当电场发生变化电场发生变化时，会形成磁场的旋涡源时，会形成磁场的旋涡源(位移电流位移电流)，从，从而而激发起磁场激发起磁场关于位移电流假说关于位移电流假说 位移电流是一种位移电流是一种假想电流假想电流，在此假说的基础上，麦克斯韦预言了电磁，在此假说的基础上，麦克斯韦预言了电磁波的存在，而赫兹通过试验证明了电磁波确实存在，从而反过来证明了波的存在，而赫兹通过试验证明了电磁波确实存在，从而反过来证明了位移电流理论的正确性。位移电流理论的正确性。HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY四、电磁场的基本规律四、电磁场的基本规律麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组物物理理基基础础库库仑仑定定律律电电场场强强度度与与真真空空中中的的静静电电场场安安培培定定律律法法拉拉第第电电感感定定律律位位移移电电流流假假说说电电位位移移矢矢量量与与介介质质中中静静电电场场磁磁感感应应强强度度与与真真空空中中静静磁磁场场磁磁场场强强度度与与介介质质中中的的静静磁磁场场高高斯斯定定理理磁磁通通连连续续电电感感定定律律全全电电流流定定律律麦麦克克斯斯韦韦方方程程组组边边界界条条件件HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY四、电磁场的基本规律四、电磁场的基本规律麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组4.3 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组4.3.1麦克斯韦方程组的微分形式麦克斯韦方程组的微分形式 麦克斯韦方程组是描述时变电磁场的基本方程组，揭示了麦克斯韦方程组是描述时变电磁场的基本方程组，揭示了宏观电宏观电磁现象所遵循的基本规律磁现象所遵循的基本规律 时变电磁场中，电场和磁场相互激励，形成统一不可分的整体时变电磁场中，电场和磁场相互激励，形成统一不可分的整体（传导电流和变化的电场都能产生磁场传导电流和变化的电场都能产生磁场）（变化的磁场产生电场变化的磁场产生电场）（磁场是无源场，磁感线总是闭合曲线磁场是无源场，磁感线总是闭合曲线）（电荷产生电场电荷产生电场）时变电磁场的源：时变电磁场的源： 1 1、真实源真实源（时变的（时变的电流电流和和电荷电荷）；）； 2 2、时变的电场时变的电场和和时变的磁场时变的磁场。HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY四、电磁场的基本规律四、电磁场的基本规律麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组4.3.2麦克斯韦方程组的积分形式麦克斯韦方程组的积分形式 在在媒媒质质中中，场场量量之之间间必必须须满满足足媒媒质质的的本本构构关关系系。在在线线性性、各各向向同同性媒质中：性媒质中： 将本构关系代入麦克斯韦方程组，则得将本构关系代入麦克斯韦方程组，则得4.3.3麦克斯韦方程组的限定形式麦克斯韦方程组的限定形式HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY四、电磁场的基本规律四、电磁场的基本规律麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组限定形式麦克斯韦方程组限定形式麦克斯韦方程组限定形式与媒质特性相关。麦克斯韦方程组限定形式与媒质特性相关。麦克斯韦方程组揭示的物理涵义麦克斯韦方程组揭示的物理涵义 时时变变电电场场的的激激发发源源除除电电荷荷以以外外，还还有有变变化化的的磁磁场场；时时变变磁磁场场的的激激发发源除传导电流以外，还有变化的电场。源除传导电流以外，还有变化的电场。 电场和磁场互为激发源电场和磁场互为激发源，相互激发，相互激发HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY 在在离离开开辐辐射射源源（如如天天线线）的的无无源源空空间间中中，电电荷荷密密度度和和电电流流密密度度矢矢量量为为零零，电电场场和和磁磁场场相相互互激激发发，从从而而在在空空间间形形成成电电磁磁振振荡荡并并传传播播，这就是电磁波。这就是电磁波。四、电磁场的基本规律四、电磁场的基本规律麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 在无源空间中，两个旋度方程分别为在无源空间中，两个旋度方程分别为 负号使得电场和磁场构成一个相互激励又相互制约的关系：负号使得电场和磁场构成一个相互激励又相互制约的关系：当磁场减小时，电场的旋涡源为正，电场将增大；而当电场增大当磁场减小时，电场的旋涡源为正，电场将增大；而当电场增大时，使磁场增大，磁场增大反过来又使电场减小。时，使磁场增大，磁场增大反过来又使电场减小。 时时变变电电磁磁场场中中，电电场场和和磁磁场场不不再再相相互互独独立立，而而是是相相互互关关联联，构构成成一个整体，电场和磁场分别为电磁场的两个物理量一个整体，电场和磁场分别为电磁场的两个物理量HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY四、电磁场的基本规律四、电磁场的基本规律麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组说明：静场只是时变场的一种特殊情况。说明：静场只是时变场的一种特殊情况。