電磁場(chǎng)與電磁波第1講-緒論

電磁場(chǎng)與電磁波第1講-緒論contents目錄電磁場(chǎng)與電磁波概述電磁場(chǎng)基本理論電磁波基本理論電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)方法電磁場(chǎng)與電磁波仿真技術(shù)緒論課程總結(jié)與展望01電磁場(chǎng)與電磁波概述由靜止電荷產(chǎn)生的空間電場(chǎng)，對(duì)放入其中的電荷有力的作用。電場(chǎng)磁場(chǎng)電磁場(chǎng)由運(yùn)動(dòng)電荷或電流產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)，對(duì)放入其中的磁極或電流有力的作用。電場(chǎng)和磁場(chǎng)的統(tǒng)稱，隨時(shí)間變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)會(huì)相互激發(fā)，形成統(tǒng)一的電磁場(chǎng)。030201電磁場(chǎng)基本概念隨時(shí)間變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互激發(fā)，形成電磁波并向遠(yuǎn)處傳播。電磁波產(chǎn)生電磁波傳播電磁波譜電磁波在空間中以光速傳播，不需要介質(zhì)，具有波粒二象性。按頻率從低到高，電磁波可分為無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線等。電磁波產(chǎn)生與傳播03電磁場(chǎng)與電磁波相互依存電磁場(chǎng)是電磁波的存在基礎(chǔ)，電磁波是電磁場(chǎng)的變化和傳播形式。01內(nèi)在聯(lián)系電場(chǎng)和磁場(chǎng)是電磁場(chǎng)的兩個(gè)方面，隨時(shí)間變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)。02電磁波是電磁場(chǎng)的傳播形式隨時(shí)間變化的電磁場(chǎng)以波的形式向遠(yuǎn)處傳播，形成電磁波。電磁場(chǎng)與電磁波關(guān)系科研領(lǐng)域研究電磁場(chǎng)和電磁波的基本性質(zhì)和規(guī)律，推動(dòng)物理學(xué)、電子學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。軍事領(lǐng)域利用電磁波進(jìn)行探測(cè)、干擾和摧毀敵方電子設(shè)備，如電子戰(zhàn)、雷達(dá)探測(cè)等。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域利用電磁波進(jìn)行診斷和治療，如X射線、微波熱療等。通信領(lǐng)域利用電磁波進(jìn)行無線通信，如手機(jī)、衛(wèi)星通信等。電子學(xué)領(lǐng)域利用電磁場(chǎng)和電磁波進(jìn)行電子設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造，如電視、雷達(dá)等。應(yīng)用領(lǐng)域及重要性02電磁場(chǎng)基本理論描述靜止電荷之間的作用力與距離和電荷量的關(guān)系，是電磁學(xué)的基本定律之一。描述電場(chǎng)與電荷分布的關(guān)系，表明穿出任意閉合曲面的電通量等于該曲面所包圍的電荷的代數(shù)和與真空介電常數(shù)的比值。庫(kù)侖定律與高斯定理高斯定理庫(kù)侖定律當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中作切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。電磁感應(yīng)現(xiàn)象描述感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量變化率的關(guān)系，是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的重要定律。法拉第電磁感應(yīng)定律法拉第電磁感應(yīng)定律麥克斯韋方程組由四個(gè)基本方程組成，描述電場(chǎng)、磁場(chǎng)與電荷密度、電流密度之間的關(guān)系，是電磁場(chǎng)理論的基礎(chǔ)。方程組的物理意義揭示電磁場(chǎng)的基本性質(zhì)，如電磁波的傳播、電磁感應(yīng)、電荷守恒等。麥克斯韋方程組簡(jiǎn)介邊界條件與唯一性定理邊界條件描述電磁場(chǎng)在不同介質(zhì)分界面上的行為，包括電場(chǎng)、磁場(chǎng)的切向和法向分量之間的關(guān)系。唯一性定理在給定邊界條件下，電磁場(chǎng)的分布是唯一的，即不存在兩個(gè)不同的電磁場(chǎng)分布同時(shí)滿足同一組邊界條件。03電磁波基本理論從麥克斯韋方程組出發(fā)，結(jié)合物質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系，可以推導(dǎo)出波動(dòng)方程。該方程描述了電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間和時(shí)間上的變化規(guī)律。波動(dòng)方程的推導(dǎo)波動(dòng)方程揭示了電磁波在傳播過程中的基本特性，如傳播速度、傳播方向、振幅和相位等。這些特性對(duì)于理解和應(yīng)用電磁波具有重要意義。波動(dòng)方程的物理意義波動(dòng)方程推導(dǎo)及物理意義VS均勻平面波是指等相位面為平面的電磁波，其場(chǎng)矢量?jī)H沿傳播方向變化。均勻平面波的特性均勻平面波具有確定的傳播方向、振幅和相位，其電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互垂直且與傳播方向垂直。此外，均勻平面波還具有能量傳輸?shù)奶匦?。均勻平面波的定義均勻平面波特性分析極化是指電磁波中電場(chǎng)矢量的取向和變化規(guī)律。根據(jù)電場(chǎng)矢量端點(diǎn)軌跡的形狀，電磁波可分為線極化波、圓極化波和橢圓極化波。極化現(xiàn)象在無線通信、雷達(dá)探測(cè)、遙感監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。例如，通過調(diào)整發(fā)射和接收電磁波的極化方式，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的優(yōu)化傳輸和目標(biāo)的準(zhǔn)確識(shí)別。極化的定義極化現(xiàn)象的應(yīng)用電磁波極化現(xiàn)象討論能量傳輸與輻射問題電磁波在傳播過程中攜帶著能量，其能量傳輸方式包括輻射和傳導(dǎo)。輻射是指電磁波以波的形式向周圍空間傳播能量；傳導(dǎo)則是指電磁波在導(dǎo)體中傳播時(shí)，通過導(dǎo)體中的自由電子傳遞能量。能量傳輸?shù)姆绞捷椛鋯栴}主要涉及電磁波的發(fā)射、傳播和接收等方面。在實(shí)際應(yīng)用中，需要考慮如何有效地發(fā)射和接收電磁波，以及如何減少電磁輻射對(duì)環(huán)境和人體的影響。例如，在無線通信系統(tǒng)中，需要設(shè)計(jì)合理的天線結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理算法來提高信號(hào)的傳輸效率和接收質(zhì)量；同時(shí)，還需要采取措施來降低電磁輻射的干擾和危害。輻射問題的討論04電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)方法靜電探針法利用探針在靜電場(chǎng)中感應(yīng)電勢(shì)差，通過測(cè)量電勢(shì)差來推算電場(chǎng)強(qiáng)度分布。電容傳感器法通過測(cè)量電容器極板間電勢(shì)差和電容值，推算出被測(cè)靜電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度。光學(xué)測(cè)量法利用某些晶體的電光效應(yīng)或液晶的電光效應(yīng)，將電場(chǎng)分布轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)分布進(jìn)行測(cè)量。靜電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)介紹利用霍爾元件在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)差，測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向?；魻栃?yīng)法通過測(cè)量磁通門探頭中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，推算出被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。磁通門法利用核磁共振原理，通過測(cè)量樣品在恒定磁場(chǎng)中的共振頻率，推算出磁場(chǎng)強(qiáng)度。核磁共振法恒定磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)介紹利用時(shí)變電磁場(chǎng)在導(dǎo)體中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)推算場(chǎng)強(qiáng)。感應(yīng)法通過測(cè)量時(shí)變電磁場(chǎng)輻射的電磁波功率、頻率等參數(shù)，推算場(chǎng)源特性和場(chǎng)強(qiáng)分布。輻射法利用傳輸線理論，通過測(cè)量傳輸線上電壓、電流波形推算沿線電磁場(chǎng)分布。傳輸線法時(shí)變電磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介利用導(dǎo)電紙和探針描繪出靜電場(chǎng)等位線和電力線分布圖。靜電場(chǎng)描繪實(shí)驗(yàn)利用霍爾元件測(cè)量通電螺線管內(nèi)部及外部磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向?；魻栃?yīng)測(cè)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)通過發(fā)射和接收不同頻率的電磁波，研究電磁波傳播特性及天線性能。電磁波傳播與接收實(shí)驗(yàn)典型實(shí)驗(yàn)案例分享05電磁場(chǎng)與電磁波仿真技術(shù)原理有限元法是一種數(shù)值分析方法，通過將連續(xù)體離散化為有限個(gè)單元，對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行近似求解，再通過單元之間的相互作用和邊界條件，得到整個(gè)問題的近似解。應(yīng)用舉例在電磁場(chǎng)與電磁波問題中，有限元法可用于求解復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)分布、傳輸和散射等問題。例如，在微波器件設(shè)計(jì)、天線分析和電磁兼容等領(lǐng)域，有限元法具有廣泛的應(yīng)用。有限元法原理及應(yīng)用舉例時(shí)域有限差分法是一種直接在時(shí)域求解電磁場(chǎng)問題的數(shù)值方法。它通過將時(shí)間和空間離散化，將偏微分方程轉(zhuǎn)化為差分方程進(jìn)行求解。原理時(shí)域有限差分法在電磁波傳播、散射和輻射等問題中具有廣泛的應(yīng)用。例如，在雷達(dá)信號(hào)處理、無線通信和電磁干擾分析等領(lǐng)域，時(shí)域有限差分法可用于模擬和分析電磁波的傳播特性和相互作用。應(yīng)用舉例時(shí)域有限差分法原理及應(yīng)用舉例原理矩量法是一種將連續(xù)方程離散化為代數(shù)方程組的數(shù)值方法。它通過將未知函數(shù)展開為已知基函數(shù)的線性組合，將原問題轉(zhuǎn)化為求解線性方程組的問題。要點(diǎn)一要點(diǎn)二應(yīng)用舉例矩量法在電磁場(chǎng)與電磁波問題中主要用于求解積分方程。例如，在電磁散射、輻射和傳輸?shù)葐栴}中，矩量法可用于計(jì)算目標(biāo)的雷達(dá)散射截面、天線輻射特性和微波傳輸特性等。矩量法原理及應(yīng)用舉例多物理場(chǎng)耦合概述多物理場(chǎng)耦合仿真技術(shù)是指同時(shí)考慮多個(gè)物理場(chǎng)之間的相互作用和影響的仿真方法。在電磁場(chǎng)與電磁波問題中，多物理場(chǎng)耦合仿真技術(shù)通常涉及電場(chǎng)、磁場(chǎng)、熱場(chǎng)和力場(chǎng)等多個(gè)物理場(chǎng)的相互作用。應(yīng)用舉例多物理場(chǎng)耦合仿真技術(shù)在電磁兼容、電磁熱分析和電磁力學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。例如，在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中，需要考慮電磁場(chǎng)產(chǎn)生的熱量對(duì)設(shè)備性能的影響；在電磁驅(qū)動(dòng)問題中，需要考慮電磁場(chǎng)產(chǎn)生的力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響。通過多物理場(chǎng)耦合仿真技術(shù)，可以更加準(zhǔn)確地模擬和分析這些復(fù)雜問題。多物理場(chǎng)耦合仿真技術(shù)06緒論課程總結(jié)與展望電磁場(chǎng)與電磁波的基本概念電磁場(chǎng)是由電荷和電流產(chǎn)生的，電磁波是電磁場(chǎng)在空間的傳播。電磁波的頻譜包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線等。電磁波的傳播特性電磁波在真空中的傳播速度為光速，具有波粒二象性。麥克斯韋方程組描述了電場(chǎng)、磁場(chǎng)與電荷密度、電流密度之間的關(guān)系，是電磁場(chǎng)理論的基礎(chǔ)。知識(shí)點(diǎn)回顧與總結(jié)麥克斯韋方程組的復(fù)雜性麥克斯韋方程組包含四個(gè)偏微分方程，理解和求解有一定的難度。建議多做習(xí)題，加深對(duì)方程組的理解。電磁波傳播特性的多樣性不同頻率的電磁波具有不同的傳播特性，需要分別進(jìn)行學(xué)習(xí)和理解。電磁場(chǎng)與電磁波的抽象性電磁場(chǎng)與電磁波是看不見、摸不著的，需要借助數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)來理解和研究。學(xué)習(xí)難點(diǎn)剖析及建議恒定磁場(chǎng)研究恒定電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)及其性質(zhì)。電磁波的傳播與散射研究電磁波在不同介質(zhì)中的傳播特性和散射現(xiàn)象。時(shí)變電磁場(chǎng)研究時(shí)變電磁場(chǎng)的產(chǎn)生、傳播和接收。靜電場(chǎng)研究靜止電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)及其性質(zhì)。后續(xù)章節(jié)內(nèi)容預(yù)告學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)展望電磁場(chǎng)與電磁波理論的不斷完善隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電磁場(chǎng)與電磁波理論將不斷完善和發(fā)展