電磁場課堂說課

電磁場課堂說課演講人：日期：目錄CATALOGUE01電磁場基本概念與特性02靜電場分析03恒定磁場分析04時變電磁場分析05電磁場數(shù)值計算方法06實驗環(huán)節(jié)與課程設(shè)計建議01電磁場基本概念與特性CHAPTER電磁場定義電磁場是由帶電物體產(chǎn)生的物理場，與帶電物體（電荷或電流）之間相互作用。電磁場作用電磁場對帶電物體產(chǎn)生作用力，是電荷或電流之間的相互作用傳遞的媒介。電磁場定義及作用電磁場具有大小和方向，是矢量場。矢量性疊加性動態(tài)性多個電磁場同時存在時，它們會相互疊加形成新的電磁場分布。電磁場隨時間變化，可以產(chǎn)生電磁波。電磁場的基本特性電磁波是由變化的電磁場產(chǎn)生的，電磁波的傳播就是電磁場的傳播。電磁波產(chǎn)生電磁波在空間中傳播時，電場和磁場的振動方向相互垂直，且與傳播方向垂直。電磁波傳播電磁波是電磁場的一種表現(xiàn)形式，電磁場是電磁波的傳播媒介。電磁波與電磁場關(guān)系電磁場與電磁波關(guān)系010203通信技術(shù)無線電廣播、電視、移動通信等，利用電磁波傳遞信息。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域醫(yī)療器械如核磁共振、電療等，利用電磁場對人體進行診斷和治療。能量傳輸如微波爐、電磁爐等，利用電磁場將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。電磁兼容在電子設(shè)備設(shè)計中，需要考慮電磁場對設(shè)備的影響，采取措施提高設(shè)備的電磁兼容性。電磁場的應(yīng)用領(lǐng)域02靜電場分析CHAPTER庫侖定律與電場強度庫侖定律描述靜止點電荷間的作用力，與電荷量的乘積成正比，與距離的平方成反比。電場強度定義電荷在電場中某點所受的電場力與其電荷量的比值，描述電場對該點電荷的作用力強弱。電場強度疊加原理多個電荷在某點產(chǎn)生的電場強度等于各電荷單獨存在時在該點產(chǎn)生的電場強度的矢量和。點電荷電場強度公式E=kQ/r2，其中E為電場強度，k為庫侖常數(shù)，Q為源電荷量，r為距離源電荷的距離。電勢定義電場中某點的電勢能與電荷量的比值，表示電場中該點的電勢能高低。電勢差（電壓）定義電場中兩點間電勢的差值，表示電荷在電場中移動時的電勢能變化。電勢差與電場強度的關(guān)系電場強度等于電勢差與距離的比值，即E=U/d。電勢零點選擇電勢是相對的，通常選擇無窮遠處或接地處為電勢零點。電勢與電勢差概念介紹01020304介質(zhì)內(nèi)部場強不為零，但電荷分布發(fā)生變化，產(chǎn)生極化現(xiàn)象。靜電場中導(dǎo)體與介質(zhì)特性靜電平衡狀態(tài)下的介質(zhì)利用導(dǎo)體或介質(zhì)的特點，使電場對某一區(qū)域或物體不產(chǎn)生影響的現(xiàn)象。靜電屏蔽描述介質(zhì)在電場中的極化程度，與介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。介電常數(shù)導(dǎo)體內(nèi)部場強為零，電荷分布在導(dǎo)體表面，且表面電荷密度與形狀有關(guān)。靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體描述電場在不同介質(zhì)或?qū)w表面上的連續(xù)性和突變性。邊界條件利用邊界條件和唯一性定理求解電場分布的一種方法，特別適用于求解導(dǎo)體表面電場問題。鏡像法在給定邊界條件和電荷分布的情況下，電場分布是唯一的。唯一性定理求解電勢或電場強度分布的一種方法，通過將多變量函數(shù)分離為單變量函數(shù)來簡化計算。分離變量法邊界條件及唯一性定理03恒定磁場分析CHAPTER畢奧-薩伐爾定律描述電流元Idl在空間任意點P處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度dB大小與電流元Idl成正比，與距離r的平方成反比，還與電流元Idl與矢徑r間的夾角θ的正弦成正比。畢奧-薩伐爾定律應(yīng)用通過計算電流元在空間產(chǎn)生的磁場，疊加得到復(fù)雜電流分布產(chǎn)生的磁場，如通電導(dǎo)線、圓線圈、螺線管等磁場分布。畢奧-薩伐爾定律及應(yīng)用磁場強度H描述磁場性質(zhì)的物理量，單位正電磁荷在磁場中所受的力，反映磁場對磁荷的作用力。磁通量Φ描述磁場在某一面積上的貫穿情況，等于磁感應(yīng)強度B與有效面積S的乘積，反映磁場對某一面積的穿過程度。磁場強度與磁通量概念安培環(huán)路定理內(nèi)容在穩(wěn)恒磁場中，磁感應(yīng)強度B沿任何閉合路徑的線積分，等于這閉合路徑所包圍的各個電流的代數(shù)和乘以磁導(dǎo)率。磁場方向判斷安培環(huán)路定理與磁場方向判斷根據(jù)安培環(huán)路定理，可以判斷磁場方向，電流產(chǎn)生的磁場在閉合路徑上環(huán)繞方向符合右手螺旋法則。0102當(dāng)穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化時，電路中會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)。電磁感應(yīng)現(xiàn)象在電解過程中，電極上通過的電量與電極反應(yīng)物重量成正比，即電解過程中物質(zhì)的質(zhì)量變化與通過的電量成正比。法拉第定律內(nèi)容電磁感應(yīng)與法拉第定律04時變電磁場分析CHAPTER描述電場、磁場與電荷密度、電流密度之間關(guān)系的偏微分方程。麥克斯韋方程組定義包括高斯定律、高斯磁定律、麥克斯韋-安培定律和法拉第感應(yīng)定律。方程組構(gòu)成推導(dǎo)出電磁波在真空中以光速傳播，并推測光是電磁波的一種。方程組意義麥克斯韋方程組簡介010203電磁波在不同介質(zhì)中傳播速度不同，且都小于真空中的光速。傳播速度電磁波在介質(zhì)中傳播時，其傳播方向垂直于電場、磁場和波的傳播方向構(gòu)成的平面。傳播方向電磁波在介質(zhì)中傳播時，其能量會隨傳播距離的增加而逐漸衰減。衰減特性電磁波在介質(zhì)中傳播特性反射、折射與散射現(xiàn)象反射現(xiàn)象電磁波遇到介質(zhì)界面時，一部分電磁波會反射回原介質(zhì)，遵循反射定律。折射現(xiàn)象散射現(xiàn)象電磁波從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時，其傳播方向會發(fā)生改變，即發(fā)生折射現(xiàn)象，折射角度與兩種介質(zhì)的折射率有關(guān)。電磁波在介質(zhì)中傳播時，遇到障礙物或介質(zhì)不均勻時，會發(fā)生散射現(xiàn)象，導(dǎo)致電磁波傳播方向改變。電磁屏蔽利用導(dǎo)電材料或磁性材料制成屏蔽層，阻止電磁波的傳播，以減少電磁干擾。電磁屏蔽與電磁兼容性電磁兼容性指電子設(shè)備在電磁環(huán)境中能夠正常工作，且不對其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾的能力。包括電磁干擾抑制和電磁敏感度測試兩個方面。電磁屏蔽與電磁兼容性的應(yīng)用在電子設(shè)備設(shè)計、電磁輻射防護和電磁環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。05電磁場數(shù)值計算方法CHAPTER有限差分法應(yīng)用廣泛應(yīng)用于求解電磁場的數(shù)值問題，如FDTD（時域有限差分）方法用于電磁波傳播、散射等問題的計算。有限差分法特點簡單直觀，易于編程實現(xiàn)，但穩(wěn)定性和精度受網(wǎng)格劃分和數(shù)值色散等因素影響。有限差分法基本原理基于微分方程的離散化方法，用差商代替微商，將連續(xù)的微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程。有限差分法原理及應(yīng)用有限元法基本概念將求解區(qū)域劃分為許多小的單元，通過求解每個單元的解來逼近整體解。有限元法應(yīng)用適用于復(fù)雜的電磁場問題，如三維電磁場、高頻電磁場等，是電磁場數(shù)值計算的主流方法之一。有限元法特點求解精度高，適用于復(fù)雜邊界和介質(zhì)分布，但計算量較大，需要高性能計算機支持。有限元方法簡介矩量法基本原理通過將連續(xù)方程離散化為代數(shù)方程組，求解電磁場問題的數(shù)值方法。矩量法應(yīng)用廣泛應(yīng)用于天線設(shè)計、微波電路分析等領(lǐng)域，能夠處理復(fù)雜輻射和散射問題。邊界元法基本概念只在定義域的邊界上劃分單元，通過求解邊界上的未知量來得到整個區(qū)域的解。邊界元法應(yīng)用適用于求解具有開放邊界或無限域的電磁場問題，如輻射、散射等。矩量法與邊界元法有限元法求解精度高，適用于復(fù)雜邊界和介質(zhì)分布，但計算量較大，需要高性能計算機支持。邊界元法適用于求解具有開放邊界或無限域的電磁場問題，但計算量較大，且對邊界條件要求較高。矩量法適用于求解輻射和散射問題，能夠處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)，但計算量較大，且需要較高的數(shù)學(xué)和編程能力。有限差分法實現(xiàn)簡單，計算速度快，但精度和穩(wěn)定性受網(wǎng)格劃分和數(shù)值色散等因素影響較大。各種方法優(yōu)缺點比較06實驗環(huán)節(jié)與課程設(shè)計建議CHAPTER靜電場測量實驗實驗?zāi)康臏y量靜電場分布，加深對靜電場理論的理解。實驗方法使用靜電計或電位差計測量靜電場中的電位差，繪制等位線。實驗注意事項防止靜電放電，保持實驗環(huán)境干燥；注意儀器的正確使用和量程選擇。實驗數(shù)據(jù)處理記錄測量數(shù)據(jù)，計算電場強度，繪制電場分布圖。磁強計、磁通計、恒流源等。實驗儀器測量不同位置的磁場強度，繪制磁場分布圖。實驗內(nèi)容01020304掌握恒定磁場測量方法，了解磁場分布規(guī)律。實驗?zāi)康挠涗洔y量數(shù)據(jù)，計算磁場強度，分析磁場分布規(guī)律。實驗數(shù)據(jù)處理恒定磁場測量實驗電磁波傳播與接收實驗實驗?zāi)康牧私怆姶挪▊鞑ヌ匦?，掌握電磁波接收方法?2040301實驗儀器無線電波發(fā)生器、示波器、天線等。實驗內(nèi)容測量電磁波的頻率、波長、振幅等參數(shù)，觀察電磁波傳播現(xiàn)象。