《電磁波與天線仿真與實(shí)踐》課件-電波與天線知識(shí)點(diǎn)6 麥克斯韋方程組和電磁波

《電磁波與天線仿真及實(shí)踐》課件內(nèi)容提要

位移電流

麥克斯韋方程組電磁波的速度電磁波的波阻抗能流密度矢量

交變磁場(chǎng)將產(chǎn)生交變電場(chǎng)

動(dòng)磁生電這新生的交變電場(chǎng)即感生電場(chǎng)，并具有以下性質(zhì)：（1）感生電場(chǎng)與靜電場(chǎng)相比，對(duì)電荷均有作用力，并均可用電力線（或電位移線）來(lái)表征起性質(zhì)。但靜電場(chǎng)的電力線是起于正電荷，止于負(fù)電荷，即有頭有尾的，而感生電場(chǎng)電力線則是無(wú)頭無(wú)尾的閉合曲線。（2）感生電場(chǎng)有交變磁場(chǎng)產(chǎn)生，其方向根據(jù)右手螺旋定則確定。因而感生電場(chǎng)E與交變磁場(chǎng)H必然是彼此垂直的，即E線與H線正交，如圖所示。（3）感生電場(chǎng)有交變磁場(chǎng)產(chǎn)生，所以感生電場(chǎng)也是交變的。在均勻介質(zhì)中，感生電場(chǎng)將隨交變磁場(chǎng)變化規(guī)律變化。例如，交變磁場(chǎng)按余弦規(guī)律變化，則感生電場(chǎng)也將按余弦規(guī)律變化。感生電場(chǎng)與靜電場(chǎng)區(qū)別動(dòng)電生磁:。流動(dòng)的電荷（電流）變化的電場(chǎng)激發(fā)變化的磁場(chǎng)

{恒穩(wěn)磁場(chǎng) 時(shí)變磁場(chǎng)傳導(dǎo)電流：

在外電場(chǎng)的作用下，金屬中自由電子的有規(guī)則運(yùn)動(dòng)或者電解質(zhì)溶液中離子的有規(guī)則運(yùn)動(dòng)所形成的電流。

運(yùn)流電流：

電真空器件帶電粒子形成的電流。

位移電流：

介質(zhì)中時(shí)變電場(chǎng)對(duì)時(shí)間的變化率產(chǎn)生。電流位移電流按照基爾霍夫定律，流入節(jié)點(diǎn)的電流應(yīng)等于流出節(jié)點(diǎn)的電流，說(shuō)明電流是連續(xù)的。但對(duì)于含有電容的電路，這個(gè)定律似乎不成立。比如我們將觀察點(diǎn)設(shè)置在一極板A上，IA入≠I(mǎi)A出。但就整個(gè)電路來(lái)說(shuō)IA入＝IB出。那么電流IA入在電容極板間是怎樣傳遞的呢？不難設(shè)想，在極板間的真空區(qū)域中存在同一量值的電流，但它不以電荷的形式出現(xiàn)。位移電流ID和位移電流密度JD動(dòng)電生磁。全電流

I＝IC＋I(xiàn)D＋I(xiàn)e

麥克斯韋總結(jié)了位移電流、傳導(dǎo)電流、運(yùn)流電流的特性。提出了全電流的學(xué)說(shuō)，指出無(wú)論是何種電流，它們?cè)诋a(chǎn)生磁效應(yīng)方面是等同的。習(xí)慣上用字母ID、IC、、Ie分別表示位移電流、傳導(dǎo)電流、運(yùn)流電流。所謂全電流指三者總和

1865年英國(guó)麥克斯韋建立電磁場(chǎng)理論麥克斯韋方程組第一方程稱(chēng)為全電流方程，說(shuō)明動(dòng)電生磁。指出電荷運(yùn)動(dòng)形成電流，可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的電場(chǎng)同樣也能產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)；第二方程稱(chēng)為法拉第電磁感應(yīng)定理，說(shuō)明動(dòng)磁生電指出變化的磁場(chǎng)能產(chǎn)生變化的電場(chǎng)；第三方程是磁場(chǎng)的高斯定理，說(shuō)明磁力線呈閉合的回線；第四方程是電場(chǎng)的高斯定理，用以闡明電場(chǎng)受到電荷的制約。

麥克斯韋方程組它全面地描述了電磁場(chǎng)矢量（包括電荷及電流）的空間分布和時(shí)間變化所遵循的規(guī)律。麥克斯韋根據(jù)這些規(guī)律,斷定光與電磁波有同一屬性,并且都以同樣的有限速度，即光速傳播。這個(gè)論斷為H.R.赫茲在1887年的電磁波實(shí)驗(yàn)所證明，是近代無(wú)線電技術(shù)的基本依據(jù)。

物質(zhì)的本構(gòu)方程式J＝σE、D＝εE、B＝μH組成了描述物質(zhì)電磁性質(zhì)的基本方程、常稱(chēng)為本構(gòu)方程。而ε、μ、σ正是描繪電磁特性的最基本參量。因此，站在不同側(cè)面上可對(duì)媒質(zhì)進(jìn)行分類(lèi)，按媒質(zhì)的導(dǎo)電能力σ來(lái)分，媒質(zhì)可分為兩類(lèi)：導(dǎo)體和介質(zhì)。理想導(dǎo)體的σ值趨向無(wú)窮大。介質(zhì)為理想的絕緣體，σ值為零。介電常數(shù)ε是反映介質(zhì)電極化能力。依據(jù)媒質(zhì)的磁特性參數(shù)μ來(lái)分，磁介質(zhì)可分為四類(lèi)：順磁性物質(zhì)、逆磁性物質(zhì)、鐵磁性物質(zhì)和鐵氧體。

電磁總能量電場(chǎng)能量密度為

（2-20）磁場(chǎng)的磁能密度（即單位體積內(nèi)的磁能）為

在電、磁場(chǎng)并存的空間中，單位體積內(nèi)的電磁能w應(yīng)由下式?jīng)Q定

電磁波的速度理論和實(shí)驗(yàn)證明，在均勻介質(zhì)中電磁波的傳播速度為

在真空中，記為

≈3.0×108m/s。 當(dāng)電磁波傳播時(shí)，其波頻f與波源同，工作波長(zhǎng)因媒質(zhì)不同而不同，應(yīng)等于：

λ=

式中λ0

為電磁波在真空中的傳播波長(zhǎng)，簡(jiǎn)稱(chēng)電磁波長(zhǎng)。1、電磁波的傳播速度電磁波的波阻抗電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁場(chǎng)強(qiáng)度H的大小受到制約，其比值由空間媒質(zhì)的電磁特性決定。應(yīng)此可定義波阻抗，E與H的比值定義了電磁波的本質(zhì)阻抗（波阻抗）：

在真空中，記為η０：

η0≈120π≈377Ω

2.電磁波的波阻抗電磁波的能量與能流電場(chǎng)和磁場(chǎng)中均有能量的儲(chǔ)存，并用能量密度表示。電場(chǎng)波的總能量密度為

圖3-5能流密度的計(jì)算

根據(jù)波速代入上式wv=EH可以證明，上式代表每秒通過(guò)與傳播方向垂直的單位截面內(nèi)的能量，稱(chēng)能流密度。通常用s表示。S=