麦克斯韦电磁理论

高斯定理 ∯⁡E⋅dA=qε0,∯⁡B⋅dA=0.

环路定理 ∮Ei⋅dl=−∬S∂B∂t⋅dS,∮B⋅dl=μ0∑I。

问题:如果拿掉导线?取之为变化的电场 dE/dt?是否也能产生磁场,表达式:

∮Bdl=−∬S∂E∂t⋅dS

位移电流

稳恒磁场满足安培环路定理:

∮lH⋅dl=∬Sjc⋅dS

考虑缓慢变化的交流电流源。

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发现:

∬S2jcdS−∬S1jcdS=∯S⁡jcdS≠0

按照电荷守恒定律:

∯S⁡jc⋅dS=−dqdt
dqdt=ddt(∯S⁡D⋅dS)=∯S⁡∂D∂t⋅dS

因此:

∯S⁡(jc+∂D∂t)⋅dS=0

如果定义 jd=∂D∂t,即位移电流密度,则 位移电流 Id:

Id=∬S∂D∂t⋅dS=dΦedt

全电流:Id+Ic.

∮lH⋅dl=∬S(jc+∂D∂t)⋅dS=Ic+Id

讨论:如果在电介质中,则:

jd=∂D∂t=ε0∂E∂t+∂P∂t

则,产生 ∂P/∂t,产生热效应。

麦克斯韦方程组

{∯S⁡D⋅dS=q0∯S⁡B⋅dS=0∮lE⋅dl=−∬S∂B∂t⋅dS∮lH⋅dl=I+∬S∂D∂t⋅dS
{∇⋅D=ρ∇⋅B=0∇×E=−∂B∂t∇×H=Jc+∂D∂t

当真空:

{∇⋅D=0∇⋅B=0∇×E=−∂B∂t∇×H=∂D∂t

推导波动方程:

∇×∇×E=−∇×∂B∂t∇×∇×H=∇×∂D∂t

时间算法提到前面,可得:

∇×∇×E=−εμ×∂2E∂t2∇×∇×B=−εμ×∂2B∂t2

由高斯定理得到:

∇×∇×E=∇(∇⋅E)−∇2E=−∇2E∇×∇×B=−∇2B

因此:

∇2E=με∂2E∂t2∇2H=με∂2H∂t2

研究一维的情况:

∂2Ey∂x2=με∂2Ey∂t2∂2Hz∂x2=με∂2Hz∂t2

其中 c=1ε0μ0. 波速与光速相等?光也是一种电磁波!

满足电磁高斯定理:

ΦE=∮E⋅dA=0ΦB=∮B⋅dA=0

代入电环路定理,则:

∮lE⋅dl=−∬S∂B∂t⋅dS
∮E⋅dl=−EadΦBdt=Bac
E=cB

代入磁环路定理,则:

∮H⋅dl=∬S∂D∂tdS
B=ε0μ0cE

电磁波

电磁波的波动方程

电磁波的性质

Ey=E0cos⁡ω(t−xu)

结合 ∂Ey∂x=−μ∂Hz∂t.

可得:

Hz=H0cos⁡ω(t−xu)

性质:E⊥H,u//E×H. 一般 E≫H.

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电磁波能量

磁场能量密度:wm=12B⋅H=12μH2.

电场能量密度:we=12D⋅E=12εE2.

结合 εE2=μH2. 可得,w=wm+we=2we.

代入,得到 能流密度(单位时间内流入的能量):

S=wu=εE2c=εμEH⋅1εμ=EH

方向:S=E×H. 另一个名字叫做 玻印亭矢量。

电磁波强度:

I=S―=12E0H0

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假设横截面面积为 S.

一方面,由安培环路定理,可得:

∮H⋅dl=Ic⏟=0+Id=jdS=ε0dEdtS⇒H=ε0dEdtSl

另一方面单位时间内,由能流密度(玻印亭矢量):

P=∬(E×H)dA=EHld=ε0EdEdtSd=εEdEdtV

其中 dA 为 侧面的面元。(我们可以分析能流密度的朝向,可以发现是垂直于侧面向内的)

然后计算电容器的电场能:We=12ε0E2V,则 dWe/dt=ε0EdE/dt⋅V=P.

辐射压强:电磁波的动量

质量密度:wc2 (E=mc2,m=Ec2)

动量密度:wc2c=wc=Sc2.

动量流密度:Sc2c=Sc.

辐射压强:


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  1. t 时刻,角速度为 αt,等效电流为 I=LRσαt,因此磁感应强度:

    B=μ0I=μ0LRσαt

    方向……

  2. 假设距离中心为 r,则:

    2πr⋅Ei=dBdt⋅πr2⇒Ei=μ0LRσαr2

    方向……

  3. 玻印亭矢量:

    |S|=|E×H|=(μ0LRσα)2tR2μ0

    方向垂直于圆柱面表面向内?

  4. S 通量:

    (μ0LRσα)2tR2μ0⋅2πRL

    上面那个东西等于:

    πR2Lμ0BdBdt

电磁波的产生

LC 振荡电路 ν=ω2π=12πLC.

考试题目

2021

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全电流定律:

∮lH⋅dl=∬S(jc+∂D∂t)⋅dS=Ic+Id

假设左球带电 q,右球带电 −q,则 dt 时间内,流过电量 Idt. 在距离轴线 r 处的位置,有:

D=ε0E=12πqL(L2+r2)3/2
∂D∂t=∂D∂q⋅∂q∂t=LI2π(L2+r2)3/2

因此,

Id=∬SLI2π(L2+r2)3/2dσ=∫0dLI2π(L2+r2)3/2⋅2πrdr=LI(1L2+d2−1L)

使用全电流定律,可得:

H⋅2πd=I+LI(1L2+d2−1L)=LIL2+d2

因此,

B=μ0I2πdLL2+d2