高等电磁场理论 第二章 基本原理和定理
第二章 基本原理和定理
第2章基本原理和定理2.1亥姆霍兹定理亥姆霍兹定理：任一个矢量场由其散度、旋度以及边界条件所确定，都可以表示为一个标量函数的梯度与一个矢量函数的旋度之和。
定理指出，由于闭合面S 保卫的体积V 中任一点R 处的矢量场Fr 可分为用一标量函数的梯度小时的无旋场和用另一个适量函数的旋度表示的无散场两部分，即为F A Φ=-∇+∇⨯而式中的变量函数和适量函数分别于体积V 中矢量场的散度源和旋度源，以及闭合面S 上矢量场的法向分量和切向分量。
1()1()d d 44V S V Φππ''''∇∙∙''=-''--⎰⎰F r n F r S r r r r1()1()d d 44V S V ππ''''∇⨯⨯''=-''--⎰⎰F r n F r A S r r r r2.2唯一性定理惟一性定理：给定区域V 内的源（ρ、J ）分布的和场的初始条件以及区域V 的边界 S 上场的边界条件，则区域V 内的场分布是惟一的。
场、源；范围 —— 时间间隔、空间区域； 条件 —— 初始条件、边界条件。
有惟一解的条件：（1）区域内源分布是确定的（有源或无源），与区域外的 源分布无关；（2）初始时刻区域内的场分布是确定的； （3）边界面上或是确定的。
重要意义：（1）指出了获得惟一解所需给定的条件；（2）为各种求解场分布的方法提供了理论依据。
2.3镜像原理镜像原理：等效源（镜像源）替代边界面的影响边值问题转换为无界空间问题；理论基础：惟一性定理2.4等效原理等效原理是基于唯一性定理建立的电磁场理论的另一个重要原理。
考察某一有界区域，如果该去云内的源分布不变，而在该区域之外有不同分布的源，只要在该区域的边界上同时满足同样的边界条件，根据唯一性定理，就可以在该规定区域内产生同样的场分布。
也就是说，在该区域外的这两种源的另一种源是另一种源的等效源。
《电磁场理论》课件2
E1t E 2t J 1n J 2 n
1 E1 cos 1 2 E 2 cos 2
及
J2
α2
E1 sin 1 E 2 sin 2
tg1 tg 2
α1
J1
1 2
图2-1
式中α1、α2分别为E1、E2与法线方向的夹角（如图2-1）
⑵良导体与不良导体分界面上的衔接条件
可见
E E d l E d l E E E d l
l e l l l e
e
dl 0
2.3.3 恒定电场的基本方程
上面给出了导电媒质中恒定电场（电源外）的基本方程：
J dS 0 E dl 0
S l
两场量间的关系
2 0
因此，对于恒定电场中的某些问题，可先解拉氏方程，解出电位函 数，然后通过电位梯度求得场强E。
在两种不同导电媒质的分界面上，由电位函数表示的衔接条
件为
1 2 1 2 2 1 n n
例2-1 位为 U 0 sin
x
a
长直接地金属槽，底面、侧面电位均为零，顶盖电 。求槽内导电媒质中的电位分布。
0； 0；
U 0 sin ax ； 0。
由边界条件⑴和⑷，在解的表达式中，需选择在x=0和x=a
处都为0的函数，故应取x的周期函数，y的双曲函数。因此，
υ(x,y)的通解为
( x, y) ( A0 x B0 )(C0 y D0 )
( An cos k n x Bn sin k n x)(C n cosh k n y Dn sinh k n y)
电磁学的基本原理与电磁场的性质
电磁学的基本原理与电磁场的性质电磁学是物理学中的一个重要分支，研究电荷与电流产生的电磁现象及其相互作用。
电磁学的基本原理是麦克斯韦方程组，它描述了电场和磁场的变化规律。
本文将介绍电磁学的基本原理和电磁场的性质。
一、电磁学的基本原理电磁学的基本原理是由麦克斯韦方程组所描述的，它由四个方程组成，分别是：1. 麦克斯韦第一定律（电场发散定理）：电场的发散（divergence）与电荷密度的关系为∇·E = ρ/ε₀其中E为电场强度，ρ为电荷密度，ε₀为真空介电常数。
2. 麦克斯韦第二定律（电场环路定理）：电场的旋度（curl）与磁场的变化率之间存在关系∇×E = -∂B/∂t其中B为磁感应强度，t为时间。
3. 麦克斯韦第三定律（磁场环路定理）：磁场的旋度与电流密度之间存在关系∇×B = μ₀J + μ₀ε₀∂E/∂t其中J为电流密度，μ₀为真空磁导率。
4. 麦克斯韦第四定律（磁场发散定理）：磁场的发散与零电荷情况下的磁荷密度之间存在关系∇·B = 0通过麦克斯韦方程组，我们可以推导出电磁波的传播方程和其他重要的电磁学定律。
二、电磁场的性质1. 电场的性质电场是由电荷产生的一种物理场，具有以下性质：（1）电荷是电场的源，电场在无电荷的空间中不存在。
（2）电场遵循叠加原理，不同电荷产生的电场可以相互叠加。
（3）电场强度与电荷量成正比，与距离的平方成反比。
2. 磁场的性质磁场是由电流产生的一种物理场，具有以下性质：（1）电流是磁场的源，不存在无电流的空间中。
（2）磁场也遵循叠加原理，不同电流产生的磁场可以相互叠加。
（3）磁场强度与电流量成正比，与距离成反比。
3. 电磁场的相互作用电场和磁场之间存在相互作用，它们的变化会相互影响。
当电流发生变化时，会产生磁场，而变化的磁场又会影响附近的电荷产生电场，从而形成电磁波的传播。
电磁场的相互作用还体现在电磁感应现象中，当磁场穿过一个闭合线圈时，会在线圈中产生感应电动势。
高等电磁场讲义第二章
第2讲 Maxwell 方程在经典、宏观的范围内，Maxwell 方程是反映电磁场运动规律的基本定理，也是研究一切电磁问题的出发点和基础。
2.1 Maxwell 方程的积分和微分形式Maxwell 方程的积分形式⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧=⋅=⋅⋅∂∂-=⋅⋅∂∂+⋅=⋅⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰高斯定理磁通连续性原理法拉第定律安培环路定理 0 vssl s l s s dv s d D s d B s d B t l d E s d D t s d J l d H ρ（2-1）以及电流连续性方程⎰∂∂-=⋅s tQs d J （2-2） 对于连续媒质空间，利用积分变换，从Maxwell 方程的积分形式可以得到其微分形式：⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=⋅∇=⋅∇∂∂-=⨯∇∂∂+=⨯∇ρD B t B E t D J H（2-3） 以及 tJ ∂∂-=⋅∇ρ（2-4）Maxwell 方程的实践性Maxwell 方程来源于实践，主要是几个实验定律：库仑定律、安培定律、毕奥一沙伐定律、法拉第定律。
但Maxwell 方程又高于实践，它是在实验的基础上溶入科学家智慧的结晶。
比如，库仑定律RRq q F ˆ4221πε-= ，在实验中得到R 的指数幂其实并不是2，而是1.3，但库仑分析了实践中可能的误差，并与万有引力定律比较，大胆地猜测为2，后来发现，这与球面能量守恒有关。
由库仑定律可以导出Maxwell 方程中的高斯定理，由毕奥一沙伐定律可以导出磁通连续性原理，但是由实验定律并不能直接导出Maxwell 方程中安培环路定律，而是J H=⨯∇但是，由上式可得0=⋅∇J ，不满足电流连续性方程，为此，Maxwell 大但引入了位移电流d D J t∂=∂，从而构成了完整自l ds d图2-1 体积分、面积分和线积分示意图洽的Maxwell方程。
●Maxwell方程的对称性杨振宁说：对称性决定支配方程。
居里（Pierre Curie）说：不对称性创造世界。
高等电磁理论-基本电磁理论
卫星导航系统
卫星导航原理
卫星导航系统通过接收来自卫星的信号来确定接收设备的 位置。高等电磁理论在卫星导航原理、信号处理和误差修 正等方面具有重要应用。
导航精度提升
为了提高卫星导航的定位精度和稳定性，需要进行深入研 究和系统优化。高等电磁理论为导航精度提升提供了重要 的理论支撑和实践指导。
多系统兼容与互操作
天线辐射原理
01
02
03
偶极子天线
是最简单的天线结构，由 两个相反的电荷或电流源 组成，能够向空间辐射电 磁波。
磁偶极子天线
由长直导线绕成线圈构成， 其辐射场呈现环状结构。
电偶极子天线
由两个相距很近的等量异 号点电荷组成，其辐射场 呈现向外的发散状。
电磁散射原理
散射系数
散射相移
描述散射场强度的物理量，与散射体 的形状、大小、介电常数等有关。
电磁场具有物质性，可以与物质 相互作用，产生力的作用和能量
的传递。
电磁场具有波动性，其传播方式 为电磁波，包括无线电波、可见 光、不可见光（紫外线和红外线）
等。
麦克斯韦方程组
麦克斯韦方程组是描述电磁场运动和变化的数学 模型，由四个基本方程构成。
方程组揭示了电场和磁场之间的相互关系，以及 它们与电荷和电流密度的关系。
麦克斯韦方程组是经典电磁理论的基石，是研究 电磁波传播、辐射和吸收等问题的基本工具。
电磁波的传播特性
电磁波在空间中传播时，会受 到介质的影响，其传播速度、 波长和频率会发生变化。
电磁波的传播方向与电场和磁 场的振动方向相互垂直，符合 横波的特征。
电磁波的传播速度与介质的性 质有关，不同的介质对不同频 率的电磁波有不同的折射率和 吸收系数。
电磁场理论的基本原理和应用
电磁场理论的基本原理和应用电磁场理论是现代物理学科中非常重要的一门基础学科，它主要研究电和磁这两种相互作用的现象。
在现代科技中，电磁场理论早已不再是一种晦涩难懂的学科，而是成为了现代通信、能源、医学等领域中不可或缺的一门学科。
一、基本原理电磁场是由物质运动所产生的电荷和电流所引起的物理现象。
电磁场的基本物理量包括电场、磁场、电势、磁势等。
其中，电场是由电荷所引起的场；而磁场则是由运动电荷所引起的场。
在电磁场的传递过程中，通常会遵循麦克斯韦方程组的规律，其中包括了电场和磁场的相互影响。
麦克斯韦方程组由四个方程式组成，它们是电荷守恒定律、高斯定律、安培定律和法拉第定律。
二、应用领域电磁场理论在现代科技中应用广泛，在通信、医学、能源等领域都有着很重要的地位。
1. 通信领域在现代通信系统中，电磁场理论得到了充分的应用。
无线电波、光纤、卫星通信等技术都基于电磁场理论的基础，发展出一系列的通讯设备和技术，如手机、电视、无线局域网等。
2. 医学领域医学中电磁场理论也有着广泛的应用。
例如，MRI技术就是利用了电磁场原理建立起来的医学诊断技术。
医生通过MRI技术可以对人体内部进行无创检测，诊断出病变部位，而不会对人体产生损伤。
3. 能源领域在能源领域，电磁场理论也被广泛应用。
例如，电磁感应发电技术正是利用电磁场原理将机械能转化为电能的一种方法。
太阳能、风能等新能源技术的发展也是基于电磁场理论的应用。
综上所述，电磁场理论是现代科技中不可或缺的一门学科。
随着科技的不断发展和进步，电磁场理论在各个领域的应用将变得更加广泛和深入。
电磁场理论的基本原理分析
电磁场理论的基本原理分析电磁场理论是物理学中的重要分支，它研究电荷和电流产生的电磁场的性质和相互作用。
本文将从电磁场的起源、麦克斯韦方程组以及电磁波的传播等方面对电磁场理论的基本原理进行分析。
一、电磁场的起源电磁场的起源可以追溯到电荷的存在和运动。
当电荷存在于空间中时，它们会产生电场。
电场是描述电荷间相互作用的力场，具有方向和大小。
当电荷运动时，除了产生电场外，还会产生磁场。
磁场是由运动电荷引起的，它也具有方向和大小。
电场和磁场是相互关联的，它们共同构成了电磁场。
二、麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组是电磁场理论的核心，它由四个方程组成，分别是高斯定律、法拉第电磁感应定律、安培环路定律和麦克斯韦方程。
这四个方程描述了电荷和电流如何产生和影响电磁场。
高斯定律是描述电荷与电场之间关系的方程。
它表明电场线从正电荷发出，经过负电荷进入，电场线的密度与电荷的大小成正比。
高斯定律可以用来计算电场的分布和电荷的位置。
法拉第电磁感应定律是描述磁场与电场之间关系的方程。
它表明变化的磁场会产生感应电场，感应电场的方向和大小与磁场变化的速率有关。
法拉第电磁感应定律是电磁感应现象的基础，也是电磁场理论的重要组成部分。
安培环路定律是描述电流与磁场之间关系的方程。
它表明电流产生的磁场沿电流所形成的环路方向，磁场的大小与电流的大小成正比。
安培环路定律可以用来计算电流所产生的磁场强度和方向。
麦克斯韦方程是将高斯定律、法拉第电磁感应定律和安培环路定律结合起来的方程。
它们描述了电场和磁场的相互作用，以及它们在空间中的传播。
麦克斯韦方程是电磁场理论的基础，它们揭示了电磁波的存在和传播。
三、电磁波的传播电磁波是电磁场的一种传播方式，它是由变化的电场和磁场相互耦合而产生的。
根据麦克斯韦方程，当电场和磁场发生变化时，它们会相互激发并产生电磁波。
电磁波是一种横波，它的传播速度等于光速。
电磁波在空间中传播时，具有电磁场的能量和动量。
它们可以在真空中传播，也可以在介质中传播。
电磁场理论-2011-2[1]
q ne , (n , ,) 1 2
静电场—静电场的基本规律
上式中，基元电荷电量在数值上等于一个电子所带 的电量。即
密立根油滴实验说明：物体所带电量是不连续的， 即自然界中的电荷是量子化的。 现代科学实验证明，任何物体都由大量的原子构 成，而原子则由带正电的原子核和带负电的电子组 成。 通常，同一个原子中正负电量数值相等，因而整 个物体呈现电中性。当它们因为某种原因，例如摩 擦、受热、化学变化等失去一部分电子时，则表现 为正电性；当获得额外电子时，则呈现负电性。
静电场的保守力性质也可以用另一个等价形式表 示，即
上式表明：在静电场中，电场强度沿任意闭合环 路的线积分恒等于零。 通常，将某一个量沿任意闭合环路的线积分称为 该物理量的环流。于是上式又可以表述为：在静电 场中，电场强度的环流为零。这一结论称为静电场 的环路定理，它是静电场的基本规律之一。
静电场—静电场的基本规律
静电场—静电场的基本规律
例题5 半径为a 的球中充满密度为ρ(r)的体分布电 荷，已知
求：电荷密度为ρ(r)。 解：由高斯定理，在球内有
静电场—静电场的基本规律
解得
(r ) 5 0 r 4 0 Ar
2
又考虑在球外，有
0
0
r
2
a r
5
Ar 4 0 Ar
4
即求得电荷密度
(r ) 5 0 r
2
静电场—电势及静电势能
电势
§2.2 电势及静电势能
电势差
静电场环路定理说明：电场力移动电荷所作的功 只与电荷的始末位置有关，而与具体的路径无关。 因此可以用一个位置函数φ(x,y,z)描述电场力电荷 所作的功，即
高等电磁理论第二章
结论：在时谐场中，无源区域赫兹矢量满足齐次亥姆霍兹方程。 理想介质：
⎧(∇ 2 + k 2 )Π e = 0 ⎪ ⎨ 2 ⎪(∇ + k 2 )Π m = 0 ⎩
⎧ 2 ~2 P (∇ + k )Π e = − ⎪ ε ⎨ ~ ⎪(∇ 2 + k 2 )Π = − M m ⎩
在有耗媒质中：
其中： k = ω
得：
∂Π ∂φ = με ∇ ⋅ e ∂t ∂t
φ = −∇ ⋅ Π e
高等电磁理论 电磁场表示为：
∂ ⎧ B = ∇ × A = με (∇ × Π e ) ⎪ ∂t ⎪ ⎨ ∂ 2Π e ⎪ E = ∇∇ ⋅ Π − με e ⎪ ∂t 2 ⎩
在无源区：
∇× H = ε
∂E ∂t 1 1 ∂ ∂ ∇ × B = ⋅ ( με ∇ × ∇ × Π e ) = ε (∇ × ∇ × Π e ) μ μ ∂t ∂t
(1) n
H
(2) n
2 j n − jkr r (kr r ) → j e π kr r
高等电磁理论 则标量Helmholtz方程的通解为：
ψ (r , ϕ , z ) = ∑∑ C (n, k z )Bn (kr r )h(nϕ ) h( k z z )
n kz
或：
⎛ cos nφ ⎞ j (ωt ± k z z ) ψ = ∑∑ C (n, k z )Bn (kr r ) ⎜ ⎟⋅e n kz ⎝ sin nφ ⎠
高等电磁理论 电场：
E = ∇∇ ⋅ Π e − ∇ 2 Π e = ∇ × ∇ × Π e
Am = με ∂Π m ∂t
2. 磁赫兹矢量位定义： 根据对偶原理：
Φ m = −∇ ⋅ Π m
电磁场与电磁波(电磁场理论)第二章
例2.7.6 球形电容器的内导体半径为a ，外导体内半径为b，
设内球带电荷为q ，外球壳带电荷为-q ，求两球壳间的电场和极
q q
,
2
1
即为切向分量。根据边界条件可知
但 。由高斯定理，有
q q
2
1
处:
处:
相互抵消。 在圆环的中心点上，即z = 0 磁感应强 度最大
当场点P 远离圆环，即z >> a 时
3. 利用安培环路定理计算磁感应强度
在磁场分布具有一定对称性的情况下，可以利用安培环路 定理计算磁感应强度。 例2.3.2 求电流面密度为 感应强度。 解：分析场的分布，取安培环路如图，则 的无限大电流薄板产生的磁
以上各个场矢量都应满足麦克斯韦方程，将以上得到的 H 和 D 代入式
由
例2.7.1 z < 0的区域的媒质参数为 区域的媒质参数为 强度为 媒质2中的电场强度为 （1）试确定常数A的值;（2）求磁场强度 （3）验证 和 满足边界条件。 和
, z>0 。若媒质1中的电场
；
解:（1）这是两种电介质的分界面，在分界面z = 0 处，有
例 2.6.2 在无源
电场强度矢量
的电介质
中，若已知
，式中的E0为振幅、ω为
角频率、k 为相位常数。试确定 k 与ω 之间所满足的关系，并求
出与
相应的其他场矢量。
解： 是电磁场的场矢量，应满足麦克斯韦方程组。因此，利
用麦克斯韦方程组可以确定 k 与ω 之间所满足的关系，以及与
相应的其他场矢量。
对时间 t 积分，得
的球形电介质内的极化强
，式中的 k 为常数。（1）计算极化电荷体密度 解：（1）电介质球内的极化电荷体密度为