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电磁场与电磁波第1章电磁场电磁波第1章电磁场与电磁波第1章电磁场与电磁波第1章
通过比较说明 散度表示矢量场中各点的场与通量源的关系,而旋度表示场中各点场与旋涡源的关系。因此,场的散度和旋度一旦给定,就意味着场的通量源和旋涡源就确定了。既然场总是由源所激发的,通量源和旋涡源的确定便意味着场已确定,因而可得出下述亥姆霍兹定理给出的结论。 在有限区域内,矢量场由它的散度、旋度及边界条件唯一地确定。 已知 矢量A的通量源密度 矢量A的旋度源密度 场域边界条件 在电磁场中 电荷密度? 电流密度J 场域边界条件 (矢量A唯一地确定) 亥姆霍兹定理 矢量场可以根据散度和旋度分为:无旋场、无源场和有旋有源场。 (1)无旋场 (2)无源场 (3)有旋有源场 1.8 矢量场的分类 1. 平行平面场:如果在经过某一轴线(设为 Z 轴)的一族平行平面上,场 F 的分布都相同,即 F=f(x,y),则称这个场为平行平面场。 2. 轴对称场:如果在经过某一轴线(设为 Z 轴)的一族子午面上,场 F 的分布都相同,即 F=f(r,?),则称这个场为轴对称场。 3. 球面对称场:如果在一族同心球面上(设球心在原点),场 F 的分布都相同,即 F=f(r),则称这个场为球面对称场。 三种特殊形式的场 本章要点 1. 标量与矢量 2. 通量与散度 3. 环量与旋度 4. 方向导数与梯度 6. 斯托克斯定理 5. 高斯定理 7. 亥姆霍兹定理 8. 场量在直角坐标、圆柱坐标、以及球坐标下的表示和相互转换 作业 1.2 1.3 1.8 1.16 1.19 1.27 3.球坐标系 球坐标系中,三个坐标变量分别为:R,θ,? 这三个变量的变化范围是: 0≤R<∞ 0≤θ < π 0≤ ? < 2π y o P Q X Z 球坐标系的三个变量的单位矢量分别是 它们始终保持相互正交,且符合右手螺旋法则,即 空间任一点M的位置可用单位矢量表示为 球坐标系变量与直角坐标系变量的关系为 x=Rsinθcos ? y=Rsinθsin ? z=Rcosθ 球坐标系变量与圆柱坐标系变量的关系为 r=Rsinθ =? z=Rcosθ 在球坐标系下,任意矢量的线元可表示为 在球坐标系下,六个坐标点组成的六面体的面积元可表示为 在球坐标系下,任意体积元可表示为 圆柱坐标系与直角坐标系之间单位矢量的关系 圆柱坐标系与球坐标系之间单位矢量的关系 球坐标与笛卡儿坐标系之间单位矢量的关系 在球坐标系中,单位矢量均不是常量 在圆柱坐标系中,单位矢量 、 不是常量 因为 因为 1.3 矢量函数的通量与散度 (Flux and Divergence of Vector function) 1.矢量的通量 为了研究矢量场的空间变化情况,我们需要引入矢量场的散度的概念。矢量函数的散度是一个标量函数,它表示矢量场中任意一点处,通量对体积的变化率,即描述了通量源的强度。 在研究电场、磁场时,可用一组曲线来形象地表示矢量场的空间分布,如电场的电力线、磁场中的磁力线等,它们都是带有方向的线,线上每一点的切线方向代表了这一点处矢量场的方向,这样的一些有方向的曲线叫矢量线。矢量场中每一点都有唯一的一条矢量线通过,线的疏密表示该点矢量场的大小。 矢量线 借用矢量线的概念,通量可以认为是矢量穿过曲面S的矢量线总数,矢量线也叫通量线,穿出的为正,穿入的为负。矢量场也可称为通量面密度矢量。 通量的物理意义 矢量 E 沿有向曲面S 的面积分 ? 0 (有正源) ? 0 (有负源) ? = 0 (无源) 若S 为闭合曲面 ,可以根据净通量的大小判断闭合面中源的性质: 如果包围点P的闭合面?S所围区域?V以任意方式缩小为点P时, 通量与体积之比的极限存在,即 2、散度 计算公式 如果此极限存在,则称此极限为矢量场在空间M点处的散度(divergence),记作:div ?称为哈密顿算子,它是一个矢性微分算子,即 式中 在圆柱坐标系下 在球坐标系下 在矢量场中,若?? A= ? ?0,称之为有源场,? 称为(通量)源密度;若矢量场中处处?? A=0,称之为无源场。 散度代表矢量场的通量源的分布特性 矢量的散度是一个标量,是空间坐标点的函数 散度的物理意义 该公式表明了区域V 中场A与边界S上的场A之间的关系。 矢量函数的面积分与体积分的互换。 由于 是通量源密度,即穿过包围单位体积的闭合面的通量,对 体积分后,穿出闭合面S的通量 3、高斯公式(散度定理) 高斯公式 1.4 矢量函数的环量与旋度 (Circulation
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