电磁场与电磁波：第一章：矢量分析课件.ppt

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1、第1章矢量分析一、矢量和标量的定义二、矢量的运算法则三、矢量微分元：线元，面元，体元四、标量场的梯度六、矢量场的旋度五、矢量场的散度七、重要的场论公式八、亥姆霍兹定理场的基本概念1.什么是场？重力场、温度场、电磁场、……a.从数学角度：场是给定区域内各点数值的集合，这些数值规定了该区域内一个特定量的特性。比如：T是温度场中的物理量，T就是温度场b.从物理角度：场是遍及一个被界定的或无限扩展的空间内的，能够产生某种物理效应的特殊的物质，场是具有能量的。2.场的分类a.按物理量的性质分：标量场：描述

2、场的物理量是标量。矢量场：描述场的物理量是矢量。b.按场量与时间的关系分：静态场：场量不随时间发生变化的场。动态场：场量随时间的变化而变化的场。动态场也称为时变场。一、矢量和标量的定义1.标量：只有大小，没有方向的物理量。矢量表示为：所以：一个矢量就表示成矢量的模与单位矢量的乘积。其中：为矢量的模，表示该矢量的大小。为单位矢量，表示矢量的方向，其大小为1。2.矢量：不仅有大小，而且有方向的物理量。如:力、速度、电场等如：温度T、长度L等例1：在直角坐标系中，x方向的大小为6的矢量如何表示？图示法

3、：力的图示法：二、矢量的运算法则1.加法:矢量加法是矢量的几何和,服从平行四边形规则。a.满足交换律：b.满足结合律：三个方向的单位矢量用表示。根据矢量加法运算：所以：在直角坐标系下的矢量表示:其中：矢量：模的计算：单位矢量：方向角与方向余弦：在直角坐标系中三个矢量加法运算：2.减法：换成加法运算逆矢量：和的模相等，方向相反，互为逆矢量。在直角坐标系中两矢量的减法运算：推论：任意多个矢量首尾相连组成闭合多边形，其矢量和必为零。3.乘法：（1）标量与矢量的乘积：方向不变，大小为

4、k

5、倍方向相

6、反，大小为

7、k

8、倍（2）矢量与矢量乘积分两种定义a.标量积（点积）：两矢量的点积含义：一矢量在另一矢量方向上的投影与另一矢量模的乘积，其结果是一标量。在直角坐标系中，已知三个坐标轴是相互正交的，即有两矢量点积：结论:两矢量点积等于对应分量的乘积之和。推论1：满足交换律推论2：满足分配律推论3：当两个非零矢量点积为零,则这两个矢量必正交。推论1：不服从交换律：推论2：服从分配律：推论3：不服从结合律：推论4：当两个非零矢量叉积为零，则这两个矢量必平行。b.矢量积（叉积）：含义：两矢量叉积，结果得

9、一新矢量，其大小为这两个矢量组成的平行四边形的面积，方向为该面的法线方向，且三者符合右手螺旋法则。在直角坐标系中，两矢量的叉积运算如下：两矢量的叉积又可表示为：xyzo（3）三重积：三个矢量相乘有以下几种形式：矢量，标量与矢量相乘。标量，标量三重积。矢量，矢量三重积。a.标量三重积法则：在矢量运算中,先算叉积,后算点积。定义：含义：标量三重积结果为三矢量构成的平行六面体的体积。注意：先后轮换次序。推论：三个非零矢量共面的条件。在直角坐标系中：b.矢量三重积：例2：求：中的标量a、b、c。解：则：

10、设例3：已知求：确定垂直于、所在平面的单位矢量。解：已知所得矢量垂直于、所在平面。已知A点和B点对于原点的位置矢量为和，求：通过A点和B点的直线方程。例4：其中：k为任意实数。xyzCAB解：在通过A点和B点的直线方程上，任取一点C，对于原点的位置矢量为，则三、矢量微分元：线元、面元、体元例：其中：和称为微分元。1.直角坐标系在直角坐标系中，坐标变量为(x,y,z)，如图，做一微分体元。线元：面元：体元：2.圆柱坐标系在圆柱坐标系中，坐标变量为，如图，做一微分体元。线元：面元：体元：3.球坐标系

11、在球坐标系中，坐标变量为，如图，做一微分体元。线元：面元：体元：a.在直角坐标系中，x,y,z均为长度量，其拉梅系数均为1，即：b.在柱坐标系中，坐标变量为,其中为角度，其对应的线元，可见拉梅系数为：在球坐标系中，坐标变量为，其中均为角度，其拉梅系数为：注意：在正交曲线坐标系中，其坐标变量不一定都是长度，其线元必然有一个修正系数，这些修正系数称为拉梅系数，若已知其拉梅系数，就可正确写出其线元、面元和体元。体元：线元：面元：正交曲线坐标系：四、标量场的梯度1.标量场的等值面可以看出：标量场的函数是

12、单值函数，各等值面是互不相交的。以温度场为例：热源等温面b.梯度定义：标量场中某点梯度的大小为该点最大的方向导数，其方向为该点所在等值面的法线方向。数学表达式：2.标量场的梯度a.方向导数：空间变化率，称为方向导数。为最大的方向导数。标量场的场函数为计算：在直角坐标系中：所以：梯度也可表示：在柱坐标系中：在球坐标系中：在任意正交曲线坐标系中：在不同的坐标系中，梯度的计算公式：在直角坐标系中：五、矢量场的散度1.矢线（场线）：在矢量场中，若一条曲线上每一点的切线方向与场矢量在该点的方向重合，则该曲