電磁學(xué)Electromagnetics教學(xué)課件

電磁學(xué)概述電磁學(xué)是物理學(xué)的重要分支，研究電磁現(xiàn)象以及電磁場(chǎng)與物質(zhì)相互作用的規(guī)律。電磁理論的歷史發(fā)展1現(xiàn)代電磁理論麥克斯韋方程組2經(jīng)典電磁理論庫(kù)侖定律、安培定律、法拉第定律3早期電磁現(xiàn)象靜電、磁力靜電場(chǎng)定義靜電場(chǎng)是指由靜止電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)。在靜電場(chǎng)中，電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)都與時(shí)間無(wú)關(guān)。來(lái)源靜電場(chǎng)是由靜止的電荷產(chǎn)生的，這些電荷可以是正電荷或負(fù)電荷。性質(zhì)靜電場(chǎng)是保守場(chǎng)，這意味著電場(chǎng)力做功與路徑無(wú)關(guān)，只與始末位置有關(guān)。靜電場(chǎng)的性質(zhì)無(wú)旋性靜電場(chǎng)是保守場(chǎng)，沿閉合路徑的積分值為零。無(wú)散性靜電場(chǎng)中沒(méi)有電荷積累，場(chǎng)強(qiáng)散度為零。疊加性多個(gè)電荷產(chǎn)生的靜電場(chǎng)可以疊加得到總場(chǎng)強(qiáng)。靜電場(chǎng)的邊界條件1介質(zhì)分界面上的電場(chǎng)強(qiáng)度在不同介質(zhì)的分界面上，電場(chǎng)強(qiáng)度的法向分量和切向分量滿(mǎn)足特定的連續(xù)性和跳躍關(guān)系。2導(dǎo)體表面的電場(chǎng)強(qiáng)度導(dǎo)體表面的電場(chǎng)強(qiáng)度方向垂直于表面，且大小等于表面電荷密度除以介電常數(shù)。3靜電場(chǎng)中的邊界條件邊界條件是靜電場(chǎng)理論中重要的基本定理，它描述了電場(chǎng)在介質(zhì)分界面和導(dǎo)體表面的變化規(guī)律。靜電勢(shì)定義靜電勢(shì)是指單位正電荷從參考點(diǎn)移動(dòng)到該點(diǎn)所做的功。性質(zhì)靜電勢(shì)是一個(gè)標(biāo)量，它與電場(chǎng)強(qiáng)度成反比，與電荷量成正比。應(yīng)用靜電勢(shì)的概念在電氣工程、電子學(xué)和物理學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。靜電能量1/2能量?jī)?chǔ)存的能量C電容存儲(chǔ)能量的元件V^2電壓電勢(shì)差靜電容量和電容器電容器結(jié)構(gòu)電容器通常由兩個(gè)相互靠近的導(dǎo)體構(gòu)成，中間隔著絕緣材料（電介質(zhì)）。電容公式電容C定義為儲(chǔ)存的電荷量Q與電壓U之比：C=Q/U。電流和電流密度電流單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量，用字母I表示。電流密度單位面積上的電流強(qiáng)度，用字母J表示。電流密度是一個(gè)矢量，方向與電流方向一致。電阻和電導(dǎo)電阻材料對(duì)電流流動(dòng)的阻力。電導(dǎo)材料傳導(dǎo)電流的能力，是電阻的倒數(shù)。歐姆定律電阻與電壓和電流的關(guān)系：V=IR。電路分析的基本定律1基爾霍夫電流定律(KCL)任何節(jié)點(diǎn)的進(jìn)入電流之和等于流出電流之和。2基爾霍夫電壓定律(KVL)任何閉合回路的電壓降之和等于電源電壓之和。3歐姆定律導(dǎo)體的電流與其兩端電壓成正比，與導(dǎo)體的電阻成反比。磁場(chǎng)基本概念磁場(chǎng)是存在于磁體周?chē)囊环N特殊形式的物質(zhì)，它是一種矢量場(chǎng)，可以用磁場(chǎng)強(qiáng)度或磁感應(yīng)強(qiáng)度來(lái)描述。磁場(chǎng)是由運(yùn)動(dòng)的電荷或電流產(chǎn)生的，也可以由磁性材料內(nèi)部的磁偶極矩產(chǎn)生。磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)的電荷產(chǎn)生力的作用，稱(chēng)為磁力。磁力的大小和方向取決于電荷的速度、磁場(chǎng)強(qiáng)度以及電荷與磁場(chǎng)方向之間的夾角。磁力可以用來(lái)控制帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，并應(yīng)用于各種電氣設(shè)備，例如電機(jī)、發(fā)電機(jī)等。磁場(chǎng)的力1洛倫茲力運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到的力，與電荷的速度和磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。2安培力電流在磁場(chǎng)中受到的力，與電流的大小、磁場(chǎng)強(qiáng)度和導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度成正比。3磁力矩磁偶極矩在磁場(chǎng)中受到的力矩，與磁偶極矩的大小和磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。磁場(chǎng)的邊界條件介質(zhì)分界面上的磁場(chǎng)在不同介質(zhì)分界面上，磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化。邊界條件方程磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的邊界條件可以用來(lái)描述磁場(chǎng)在不同介質(zhì)界面上的變化。電磁感應(yīng)法拉第定律當(dāng)穿過(guò)閉合回路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。楞次定律感應(yīng)電流的方向總是試圖阻止產(chǎn)生它的磁通量變化。應(yīng)用發(fā)電機(jī)、變壓器、感應(yīng)加熱等。自感和互感自感當(dāng)線(xiàn)圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，線(xiàn)圈自身產(chǎn)生的磁場(chǎng)也會(huì)發(fā)生變化，從而在線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為自感?；ジ挟?dāng)一個(gè)線(xiàn)圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，它產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)穿過(guò)另一個(gè)線(xiàn)圈，從而在另一個(gè)線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為互感。磁能1磁能2磁場(chǎng)的能量3磁場(chǎng)強(qiáng)度和體積4磁場(chǎng)能的計(jì)算磁能指的是存儲(chǔ)在磁場(chǎng)中的能量。它是與磁場(chǎng)的強(qiáng)度和體積成正比的。時(shí)變磁場(chǎng)磁場(chǎng)隨時(shí)間變化產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)時(shí)變磁場(chǎng)產(chǎn)生電磁波，傳播能量應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)通信、雷達(dá)等領(lǐng)域麥克斯韋方程組高斯定理描述電場(chǎng)與電荷之間的關(guān)系磁場(chǎng)的高斯定理表明磁場(chǎng)沒(méi)有磁單極子法拉第電磁感應(yīng)定律描述變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)安培環(huán)路定理描述電流與磁場(chǎng)的關(guān)系電磁波電磁波是一種由電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相垂直振動(dòng)并以光速傳播的能量形式，它可以跨越真空和物質(zhì)。電磁波的頻率范圍很廣，包括無(wú)線(xiàn)電波、微波、紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光、紫外線(xiàn)、X射線(xiàn)和伽馬射線(xiàn)。電磁波在無(wú)線(xiàn)通信、遙感、醫(yī)療成像、光學(xué)器件等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是現(xiàn)代科技不可或缺的一部分。電磁波的反射和折射反射當(dāng)電磁波遇到兩種介質(zhì)的分界面時(shí)，一部分能量會(huì)反射回原介質(zhì)中。反射角等于入射角。折射當(dāng)電磁波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，它的傳播方向會(huì)發(fā)生改變，這就是折射現(xiàn)象。折射角與入射角和兩種介質(zhì)的折射率有關(guān)。電磁波在介質(zhì)中的傳播1介電常數(shù)介質(zhì)的介電常數(shù)決定了電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。2磁導(dǎo)率介質(zhì)的磁導(dǎo)率影響了磁場(chǎng)在介質(zhì)中的傳播。3損耗介質(zhì)的損耗會(huì)衰減電磁波的能量。導(dǎo)波和共振腔導(dǎo)波導(dǎo)波是指電磁波在導(dǎo)波結(jié)構(gòu)中傳播的現(xiàn)象。共振腔共振腔是指能夠儲(chǔ)存特定頻率電磁波的結(jié)構(gòu)。應(yīng)用導(dǎo)波和共振腔在微波技術(shù)、通信系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。天線(xiàn)基礎(chǔ)偶極天線(xiàn)最基本的天線(xiàn)類(lèi)型之一，由兩根長(zhǎng)度相等的導(dǎo)線(xiàn)構(gòu)成，用于發(fā)射和接收電磁波。貼片天線(xiàn)小型天線(xiàn)，通常用于移動(dòng)設(shè)備，特點(diǎn)是低成本，易于集成。拋物面天線(xiàn)用于衛(wèi)星通信和廣播，特點(diǎn)是高增益，能夠?qū)⑿盘?hào)集中在特定方向。電磁屏蔽屏蔽原理通過(guò)使用導(dǎo)電材料或磁性材料構(gòu)建屏蔽層，阻擋或削弱電磁波的傳播，從而保護(hù)敏感設(shè)備或人員免受電磁干擾。屏蔽材料常用的屏蔽材料包括金屬、金屬網(wǎng)、磁性材料等，選擇合適的材料取決于屏蔽頻率和應(yīng)用場(chǎng)景。屏蔽結(jié)構(gòu)屏蔽結(jié)構(gòu)可以是封閉的金屬箱體、金屬網(wǎng)格或金屬薄膜，屏蔽效果與屏蔽結(jié)構(gòu)的完整性和材料特性密切相關(guān)。電磁干擾與兼容性電磁干擾電磁干擾是指來(lái)自外部設(shè)備或系統(tǒng)的不需要的電磁能量，干擾其他設(shè)備或系統(tǒng)的正常工作。電磁兼容性電磁兼容性是指設(shè)備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中正常工作而不產(chǎn)生過(guò)度的電磁干擾，并能夠在電磁環(huán)境中正常工作的能力。電磁場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算有限元方法將復(fù)雜區(qū)域劃分為簡(jiǎn)單單元，用微分方程的近似解來(lái)求解有限差分方法將微分方程用差分方程來(lái)近似，用數(shù)值解來(lái)求解邊界元方法將邊界條件進(jìn)行離散化，用積分方程來(lái)求解電磁學(xué)在現(xiàn)代技術(shù)中的應(yīng)用通信技術(shù)電磁波是現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信的基礎(chǔ)，包括手機(jī)、廣播、衛(wèi)星通信等。醫(yī)療技術(shù)磁共振成像(MRI)和核磁共振(NMR)等技術(shù)利用電磁波來(lái)診斷疾病和研究生物體系。能源技術(shù)電磁感應(yīng)原理應(yīng)用于發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，為現(xiàn)代社會(huì)提供電力。材料科學(xué)電磁場(chǎng)可以用來(lái)改變材料的性質(zhì)，例如納米材料的制備和材料的表面改性。未來(lái)發(fā)展前景1量子電動(dòng)力學(xué)量子電動(dòng)力學(xué)是未來(lái)電磁學(xué)研究的重要方向，它可以解釋微觀(guān)世界中的電磁現(xiàn)象，并為新材料、新器件和新技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供理論基礎(chǔ)。2超材料和超表面超材料和超表面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的操控，為隱身技術(shù)、高效光