《電磁波與天線仿真與實踐》課件-電波與天線知識點6 麥克斯韋方程組和電磁波

《電磁波與天線仿真及實踐》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

交變磁場將產(chǎn)生交變電場

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

{恒穩(wěn)磁場 時變磁場傳導(dǎo)電流：

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

運流電流：

電真空器件帶電粒子形成的電流。

位移電流：

介質(zhì)中時變電場對時間的變化率產(chǎn)生。電流位移電流按照基爾霍夫定律，流入節(jié)點的電流應(yīng)等于流出節(jié)點的電流，說明電流是連續(xù)的。但對于含有電容的電路，這個定律似乎不成立。比如我們將觀察點設(shè)置在一極板A上，IA入≠IA出。但就整個電路來說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動電生磁。全電流

I＝IC＋ID＋Ie

麥克斯韋總結(jié)了位移電流、傳導(dǎo)電流、運流電流的特性。提出了全電流的學(xué)說，指出無論是何種電流，它們在產(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、運流電流。所謂全電流指三者總和

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

麥克斯韋方程組它全面地描述了電磁場矢量（包括電荷及電流）的空間分布和時間變化所遵循的規(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。這個論斷為H.R.赫茲在1887年的電磁波實驗所證明，是近代無線電技術(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)面上可對媒質(zhì)進行分類，按媒質(zhì)的導(dǎo)電能力σ來分，媒質(zhì)可分為兩類：導(dǎo)體和介質(zhì)。理想導(dǎo)體的σ值趨向無窮大。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來分，磁介質(zhì)可分為四類：順磁性物質(zhì)、逆磁性物質(zhì)、鐵磁性物質(zhì)和鐵氧體。

電磁總能量電場能量密度為

（2-20）磁場的磁能密度（即單位體積內(nèi)的磁能）為

在電、磁場并存的空間中，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驗證明，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，其波頻f與波源同，工作波長因媒質(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，簡稱電磁波長。1、電磁波的傳播速度電磁波的波阻抗電場強度E和磁場強度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和磁場中均有能量的儲存，并用能量密度表示。電場波的總能量密度為

圖3-5能流密度的計算

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