Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,2005,春季学期,陈信义编,电磁学（第三册）,第,11,章 麦克斯韦方程组 和电磁辐射,1,第1页，共32页。,目 录,11.1 麦克斯韦方程组,11.3 平面电磁波,11.2 加速运动电荷辐射电磁波,11.4 电磁波的能量和动量,【,演示实验,】,电磁波的发射与接收,（,灯泡,）,2,第2页，共32页。,11.1 麦克斯韦方程组,麦克斯韦总结了库仑、安培和法拉第等人的电磁学研究成果，归纳出了电磁场的基本方程组。,1862年麦克斯韦预言了电磁波的存在，论证了光是一种电磁波。,1888年赫兹用实验证实电磁波的存在。,麦克斯韦,3,第3页，共32页。,一、真空中电磁学基本规律,4,第4页，共32页。,电场的高斯定理：,电荷总伴随有电场。,任何电场都满足高斯定理。,感应电场场线一定闭合、无头无尾。,5,第5页，共32页。,法拉第电磁感应定律：,变化的磁场会激发（伴随有）,感应电场。,任何电场都满足法拉第电磁感应定律。,的场线不闭合、有头有尾。,和,6,第6页，共32页。,磁通连续定理：,磁场场线一定闭合、无头无尾。不存在单一的“磁荷”,磁单极子。,安培环路定理：,磁场与电流及变化的电场的关系。,7,第7页，共32页。,二、介质中电磁学基本规律,8,第8页，共32页。,边界条件：,（界面上无自由电荷）,（界面上无传导电流）,9,第9页，共32页。,介质性质方程：,（各向同性线性介质）,E,：恒定电场，,K,：非静电力场,导体中的电流密度矢量：,10,第10页，共32页。,电流的连续性方程：,d,S,J,电荷守恒,微分形式,洛仑兹力公式：,11,第11页，共32页。,+,静止电荷的电场不传播,+,v,B,E,匀速运动电荷的电磁场随电荷运动,但不传播。,11.2 加速运动电荷辐射电磁波,电磁辐射总是和电荷的加速运动相联系。,第12页，共32页。,电荷运动的信息尚未传到球面外。,内区,：,匀速运动点电荷电场,v,c，,近似静电场。,高斯定理：,无电荷区域电力线连续,加速引起的过渡区,OP,Q,c t,c,(,t-,),c,加速,（）,静止,O,加速,(,),P,匀速,(,t,-,),Q,外区,：静电场,13,第13页，共32页。,过渡区以光速扩大,形成,电磁波,加速引起的过渡区,OP,Q,c t,c,(,t-,),c,（,t,）,加速,（）,辐射总功率,，其中,a,为电荷的加速度。,14,第14页，共32页。,1886年29岁的赫兹发现：当电池通过一对线圈中的一个放电时，在另一个线圈里产生火花。,赫兹振子,高频加速运动电荷,谐振器,1888年他总结出：,电磁感应是以波动形式传播的，,并第一次使用了“电磁波”一词。,【,演示实验,】,电磁波的发射与接收,（,灯泡,）,赫兹,15,第15页，共32页。,振荡偶极振子发射的电磁波,振荡,电偶极矩：,偶极子附近电场线的变化,16,第16页，共32页。,电场线,磁场线,E,B,E,B,E,17,第17页，共32页。,功率大、准直性好、较宽连续频谱（X射线范围）、高度偏振性。,同步辐射光源,电子,回旋加速器,北京正负电子对撞机：,周长240m,2.8GeV,合肥同步辐射光源：,周长66m,0.8GeV,辐射,18,第18页，共32页。,轫致辐射,（deceleration ridiation）,电荷减速所产生的辐射。例如,X,射线就是高速电子轰击靶减速时产生的。,X,射线波长：,+,-,K,A,X,射线,X,射线管,19,第19页，共32页。,B,E,p,11.3 平面电磁波,B,C,E,例：振荡电偶极子的远场,近似的平面电磁波,E,B,传播方向,20,第20页，共32页。,1、横波性,真空中的光速,E,B,21,第21页，共32页。,光的波粒二相性（下学期讨论）,1899年列别捷夫首次测定了光压,E 和B相互垂直，同频率，同相位地变化。,功率大、准直性好、较宽连续频谱（X射线范围）、高度偏振性。,一、真空中电磁学基本规律,当彗星运行到太阳附近，尘埃颗粒受到太阳光的光压比引力大，被推向远离太阳的方向形成很长的彗星尾，被太阳照得很亮。,导体中的电流密度矢量：,1888年他总结出：电磁感应是以波动形式传播的，并第一次使用了“电磁波”一词。,当彗星运行到太阳附近，尘埃颗粒受到太阳光的光压比引力大，被推向远离太阳的方向形成很长的彗星尾，被太阳照得很亮。,2005 春季学期 陈信义编,第11章 麦克斯韦方程组 和电磁辐射,1888年赫兹用实验证实电磁波的存在。,彗星尾由尘埃组成。,2、在空间同一点,E,和,B,相互垂直，同频率，同相位地变化。,E,B,B,的作用远小于,E,的作用,22,第22页，共32页。,11.4 电磁波的能量和动量,一,、能量密度,23,第23页，共32页。,四、电磁波的动量密度,光的波粒二相性（下学期讨论）,2 加速运动电荷辐射电磁波,带电粒子之间的电磁相互作用用交换光子的方式描述。,电荷运动的信息尚未传到球面外。,偶极子附近电场线的变化,光子(电磁量子)在空间的传播用麦克斯韦方程组描述；,当彗星运行到太阳附近，尘埃颗粒受到太阳光的光压比引力大，被推向远离太阳的方向形成很长的彗星尾，被太阳照得很亮。,【演示实验】电磁波的发射与接收（灯泡）,1862年麦克斯韦预言了电磁波的存在，论证了光是一种电磁波。,磁通连续定理：磁场场线一定闭合、无头无尾。,坡印庭（Poynting）矢量,功率大、准直性好、较宽连续频谱（X射线范围）、高度偏振性。,安培环路定理：磁场与电流及变化的电场的关系。,1899年列别捷夫首次测定了光压,二、能流密度,D,c,c,t,DA,u,三、能流密度矢量,坡印庭,（Poynting）,矢量,24,第24页，共32页。,设,，则,【例】,电容充电过程的能量传输,E,B,i,(,t,),A,25,第25页，共32页。,【,思考,】,放电过程能流的方向？,能量从侧面流入电容器。,坡印庭矢量,E,B,i,(,t,),A,26,第26页，共32页。,四、电磁波的动量密度,能量密度：,动量密度：,27,第27页，共32页。,辐射压强（光压）：,“绝对”黑,p,全吸收,垂直射到“绝对”黑的表面,垂直射到完全反射表面,28,第28页，共32页。,1899年列别捷夫首次测定了光压,离100W灯泡1m,小镜,悬丝,p,r,p,r,抽空,光照,力矩,你相信电磁波有动量吗？,太阳光压:10,-6,N/m,2,大气压:10,5,N/m,2,29,第29页，共32页。,彗星尾的形成,彗星尾由尘埃组成。当彗星运行到太阳附近，尘埃颗粒受到太阳光的光压比引力大，被推向远离太阳的方向形成很长的彗星尾，被太阳照得很亮。,光的波粒二相性,（下学期讨论）,电磁波,“波动性”,能量和动量,“粒子性”,光子,Compton散射,（下学期讨论）,验证了光子具有动量。,30,第30页，共32页。,10,3,10,6,10,9,10,12,10,15,10,22,10,3,10,0,10,6,10,9,10,13,10,5,10,2,H,Z,1K,H,Z,1M,H,Z,1G,H,Z,1T,1km,1m,1cm,1,1nm,A,0,1,m,X,射线,紫外线,可见光,红外线,微 波,高频电视,调频广播,雷达,无线电射频,电力传输,射线,电磁波谱,频率,波长,31,第31页，共32页。,量子场论：,带电粒子用量子力学描述；光子(电磁量子)在空间的传播用麦克斯韦方程组描述；带电粒子之间的电磁相互作用用交换光子的方式描述。,经典电磁学适用的范围,经典电磁学适用于：光的粒子性和带电粒子的波动性都不显著的过程。,32,第32页，共32页。,