电动力学-第1章-第2节-电流和磁场0925.pptVIP

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* 电动力学 第一章 电磁现象的普遍规律 §1, 电荷和电场 §2, 电流和磁场 §3, 麦克斯韦方程组 §4, 介质的电磁特性 §5, 电磁场边值关系 §6, 电磁场的能量和能流 第二节 电流和磁场 (1) 一、电荷守恒定律 1,电流密度 J(矢量) 电荷的运动形成电流, 通常用 来描述电流密度。 其中 ρ 代表电荷密度, 代表电荷运动的平均速度。 方向:沿着该点上的电流方向; 大小:数值上等于单位时间垂直通过单位面积的电量。 如有几种带电粒子,其电荷密度分别为 ,平均速度为 ,则有: 第二节 电流和磁场 (2) 2,电流强度 I 单位时间内垂直穿过导线横截面的电量。 I = dq/dt 3,I 和 J 的关系 通过面元 dS 的电流 dI 为: 通过任一曲面 S 的总电流强度 I 为: 第二节 电流和磁场 (3) 4,电荷守恒定律 1) 语言描述: 封闭系统内的总电荷严格保持不变。 总电荷不可能产生或消灭,在一个地方电荷增加了,另一地方的电荷必然减少,而且增加和减少的量值相等。 对于开放系统,单位时间流出电荷总量等于封闭曲面 S 内总电荷的减少率。 第二节 电流和磁场 (4) 2) 积分形式: 单位时间流出的总电量: (流出为正,流入为负) 封闭曲面 S 内总电荷的减少率: 若 V 为全空间,S 为无穷远处的界面,由于在 S 上没有电流流出,因而 ——这是电荷守恒定律的积分形式。 总电量不随时间变化,故 这时全空间的总电荷守恒,即: 第二节 电流和磁场 (5) 3) 微分形式: 而曲面S (所包围的V)是任意选取的,所以被积函数恒为零, 这就是电荷守恒定律的微分形式,称为电流连续性方程。 第二节 电流和磁场 (6) 4) 讨论: 反映了空间某点 ρ (x) 与 J (x) 之间的变化关系,电流线一般不闭合。 这就表示稳恒电流的电场线分布无源,处处连续,没有发源点和终止点,因而是闭合的。 若空间各点 ρ 与 t 无关,则 稳恒电流 (直流电) ρ 与 J 均与 t 无关时,恒定电流只能够在闭合回路中通过,电路一断,直流电就不能够通过。 第二节 电流和磁场 (7) 1,磁场 二、毕奥-萨伐尔 (Biot-Savart) 定律 1820年4月,丹麦物理学家奥斯特在向学生做演示实验时发现载流导线附近的磁针因受力而偏转(课堂上获得的重大发现)。 ---- “电流具有磁效应”的首次实验验证。 1920年9月,法国科学家安倍发现两条平行导线当电流同向时互相吸引,电流异向时互相排斥。 电流之间存在作用力,这种作用力是通过一种物质作为媒介来传递,这种特殊物质称为磁场。 磁场也是物质存在的形式,用磁感应强度 B (x,y,z,t ) 来描述。 第二节 电流和磁场 (7) 2,毕奥-萨伐尔定律 --- 电流和磁场的相互作用 1820年,法国物理学家毕奥和萨伐尔 (J. B. Biot F.Savart)通过实验测量了长直电流线附近小磁针的受力规律,发表了题为 “运动中的电传递给金属的磁化力” 的论文,后来人们称之为毕奥-萨伐尔定律 。 在数学家拉普拉斯的帮助下,以数学公式表示出这一定律。 第二节 电流和磁场 (8) 设 J (x’) 为源点 x’上的电流密度,r 为由 x’ 点到场点 x 的距离。电流元 J (x’) dV ’ 在场点所激发的磁场为 恒定电流激发磁场由毕奥–萨伐尔定律给出。 则区域 V 内所有的电流所激发的磁感应强度 (满足叠加原理) 为: 第二节 电流和磁场 (9) 若激发磁场的源是面电流σ(x’),则面电流元σ(x’) dS’ 在场点所激发的磁场为: 则面 S 内所有的电流所激发的磁感应强度为: 细导线上恒定电流的线电流元 Idl 激发的磁场为: 则闭合回路 L 内所有的电流所激发的磁感应强度为: 第二节 电流和磁场 (10) 1,磁场的散度 三、磁场的散度、旋度和安倍环路定理 算符?对 x 的微分算符,与 x’ 无关,可得: 公式见附录 (I.20) 毕-萨 定 律 第二节 电流和磁场 (11) 令: 则: 因为矢量场的旋度必为无源场,即 2,电磁通量 电流激发的磁感应强度 B 对任何闭合曲面的总通量为零。 静磁场 B 为无源场,磁力线总是闭合的, (2) 它不仅适用于静磁场,它也适用于变化磁场。 第二节 电流和磁场 (12) 3,磁场的旋度 前面已得到: 又 ( r 的函数对 x 微分与对 x’微分仅差一负号) 先计算 , 第二节 电流和磁场 (13) 公式见附录 (I.19) 右边第一项:由于积分区域包括所有电流在内,没有电流通过闭合区域的界面 S ,因而这面积

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