电磁场与电磁波ch3-1_复矢量麦克斯韦方程讲述.ppt

第三章 麦克斯韦方程 3.1 3.2 3.3 3.4 主题：1、微分形式的麦克斯韦方程、复矢量形式的麦克斯韦方程 2、连续方程 3、物质的本构关系 积分形式的麦克斯韦方程组 微分形式的麦克斯韦方程组 从麦克斯韦方程组能看出什么？ 麦克斯韦方程组中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。 麦克斯韦方程组中两个散度方程，一个表示磁通的连续性，即磁力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，所以电力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，所以磁力线是与电流交链的闭合曲线，并且磁力线与电力线两者还互相交链。在远离场源的无源区域中，电场和磁场的散度都为零，这时磁力线和电力线将自行闭合，相互交链，在空间形成电磁波。 时谐场的麦克斯韦方程 麦克斯韦方程组中有几个是独立的？ 麦克斯韦方程+物质本构关系=一组自洽方程 两个独立的旋度方程以及电流与电荷的连续方程共包含E、D、B、H，J五个矢量和一个标量ρ，每个矢量又有三个分量，所以这三个独立的方程共有16个独立的标量场分量，而这三个独立的方程总共只包含7个独立的标量方程，所以仅从麦克斯韦方程以及电流与电荷的连续方程出发还不足以解出16个独立的标量场分量。 我们还需要另外九个标量场方程，这就是第一章提到的由介质特性决定的三个方程 叫做物质的本构关系，每个方程可分解为三个标量方程，共有九个标量方程。它们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 线性和非线性： ?、?、?与E、B的强度无关，就是线性介质，否则就是非线性介质。 均匀和非均匀： ?、?、?与空间坐标无关，就是均匀介质，否则就是不均匀介质。 各向同性和各向异性： ?、?、?与电磁波在空间传播的方向性无关，叫做各向同性介质，否则就是各向异性介质。 线性、均匀、各向同性介质叫做简单介质。 物质可以按?、?、?进行分类 色散和非色散： ?、?、?与频率无关叫非色散介质，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的介质有损耗，可用复介电系数的介质表示。 当?、?为复数时，其虚部表示介质损耗。 完纯介质： ? = 0的介质 完纯导体：? = ?的介质 用麦克斯韦方程求解电磁问题时，首先要把所研究场占有空间的介质特性描述出来。?、?、?是描述介质特性的量。这就是说，只有在所研究空间?、?、?的具体表达式知道后，才能对麦克斯韦方程求解。 介质的特性?、?、?描述举例 作业(P151) 3.13.2 * 根据矢量场的斯托克斯定理 麦克斯韦方程中两个旋度方程可写为 由上两式可得 同样根据矢量场的散度定理 麦克斯韦方程组中两个散度方程可写成 由此得到 这就是微分形式的麦克斯韦方程组。 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。而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。 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。 时谐场量E、D、B、H、J与r的复量表示 引入E、B的复矢量后，麦克斯韦方程 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 所以时谐电磁场量用复矢量表示时，麦克斯韦方程 表示为 同理，麦克斯韦方程其它三个可表示为 式中 这就是时谐场的麦克斯韦方程。 时谐矢量引入复矢量表示后，两时谐矢量叉积的时间平均值计算也可简化为取实部运算。 电流连续性原理 而根据式?·D = ?v，所以上式成为 这是关于电流和电荷的连续方程。 如果把上式左边第二项移到等式右边 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 对 取散度，因为旋度的散度等于零，故得到 所以 包含在 中。 对 取散度已得到 如果把电荷与电流的连续方程 作为一个基本方程 那末将上式与 比较便得到 所以 也不是一个独立的方程。 归纳起来麦克斯韦方程组中两个散度方