电磁场与电磁波(第2版)陈抗生-8.pptVIP

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电磁场与电磁波 积分形式的麦克斯韦方程组 从积分形式到微分形式的麦克斯韦方程组 根据矢量场的斯托克斯定律 麦克斯韦方程中两个旋度方程可写为 由上两式可得 矢量场的散度定律 麦氏方程中两个散度方程可写成 由此可得 微分形式的麦克斯韦方程组 法拉第定律 髙斯定律 推广的安培定律 磁通连续性原理 积分形式的麦克斯韦方程组反映电磁运动在某一局部区域的平均性质。 微分形式的麦克斯韦方程反映场在空间每一点的性质,它是积分形式的麦克斯韦方程当积分域缩小到一个点的极限。 以后我们对电磁问题的分析一般都从微分形式的麦克斯韦方程出发。 从麦克斯韦方程组能看出什么? 两个旋度方程表示变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场。 两个散度方程,一个表示磁通的连续性,即磁场线既没有起始点也没有终点。这意味着空间不存在自由磁荷,或者说在人类研究所能达到的空间区域中至今还没有发现单独的磁荷存在。另一个表明电场是有源的。 时变场中电场的散度和旋度都不为零,所以电场线起始于正电荷而终止于负电荷。磁场的散度恒为零,而旋度不为零,所以磁场线是与电流交链的闭合曲线,并且磁场线与电场线两者还互相交链。在远离场源的无源区域中,电场和磁场的散度都为零,这时磁场线和电场线将自行闭合,相互交链,在空间形成电磁波。 从麦克斯韦方程组能看出什么? 时谐场量E、D、B、H、J与ρ的复量表示 复矢量 等不是时间t的函数,它们是矢量,有三个分量,每个分量是复数。 根据复矢量的定义,对时谐矢量的运算与对应的复矢量乘以j?等效,即 复矢量形式的麦克斯韦方程 引入E、B的复矢量后 麦克斯韦方程 可表示为 因为算符?只对空间求导数,所以?运算与取实部运算Re可调换次序,即 由此得到 同理 引入复矢量表示后,两时谐矢量叉积的时间平均值计算可简化为取实部运算,所以时谐矢量E(r,t)与H(r,t)叉积的时间平均值计算就归结为 麦克斯韦方程 电流连续性原理 麦克斯韦方程包含电流连续性原理。 用算符?点乘 两边,并利用矢量运算恒等关系 得到 而根据式?·D = ?V,所以上式成为 或 这是关于电流和电荷的连续方程。其物理意义就是流出体积元的电流等于体积元内电荷随时间的减少率。 J(x, y, z, t)和 ?V(x, y, z, t)随时间作简谐变化时,引入与J(x, y, z, t)对应的复矢量J(x, y, z) 以及与 ?V(x, y, z, t)对应的复数 ?V(x, y, z),则有 这就是时谐场的电荷守恒定律 。 麦克斯韦方程组中有几个是独立的? 式 包含在式 中。 因为对式 ,两边取散度可得到 如果把电荷与电流的连续方程 作为基本方程, 也不是独立的方程,因为 将上两式比较便得到 所以如果将电流连续方程看作基本方程,麦克斯韦方程组中只有两个旋度方程是独立的。 麦克斯韦方程+物质本构关系=一组自洽方程 麦克斯韦方程、电荷守恒与电流连续方程组中独立的方程是 其中独立的标量变量共16个,而独立的标量方程只7个,尚需9个独立的标量方程才能求解。 这另外的9个标量方程就由物质的本构关系提供 物质的本构关系作为辅助方程与麦克斯韦方程组一起构成一组自洽的方程。 物质可以按?、?、?进行分类 线性与非线性: ?、?、?与E、B的强度无关,就是线性介质,否则就是非线性介质。 均匀与非均匀: ?、?、?与空间坐标无关,就是均匀介质,否则就是不均匀介质。 各向同性与各向异性: ?、?、?与电磁波在空间传播的方向性无关,称为各向同性介质,否则就是各向异性介质。 线性、均匀、各向同性介质称为简单介质。 色散与非色散: ?、?、?与频率无关称为非色散介质,否则就是色散介质。 色散介质一定有损耗,有损耗的介质一定色散。 ? ? 0的介质有

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