第1講課程簡介及漫談 -無動畫版

1、 秋季學(xué)期第01講 電磁場基礎(chǔ) Fundamental of Electromagnetic Field鄒 軍 Jun Zou教授 Professor, Ph.D.清華大學(xué)電機系I區(qū)302 Section I-302Department of Electrical Engineering Tsinghua UniversityTel：+86-10-627-81211E-mail: 1 西主樓 1區(qū)301,302 內(nèi)容提要課程簡介（WWW）What is the course really about? Why to study the course?h

2、oW to learn the course?電磁場應(yīng)用舉例Some interesting applications（不講） Field 場n 【物理學(xué)】 場：具有物理性質(zhì)(如引力、電磁力或 液壓)的空間區(qū)域，在此區(qū)域中每一點都有確定值。n Physics Field: A region of space characterized bya physical property, such as gravitational or electromagnetic force or fluid pressure, having adeterminable value at every point

3、in the region.4 物理場的三個屬性n 空間性（spatial property）物理量在規(guī)定的區(qū)域中如何分布？n 時間性（temporalproperty）物理量隨時間如何變化？性（eventproperty）一個場與另一個場之間如何發(fā)生關(guān)聯(lián)？5 電磁場研究內(nèi)容n “電磁場”（electromagnetic field）研究電荷在靜止或者運動狀態(tài)下在確定空間中產(chǎn)生的電磁作用 (electromagnetic effects)。 運動狀態(tài)介質(zhì)屬性場屬性n 研究內(nèi)容：電荷在 電介質(zhì)中（絕緣體）電場；靜電場：靜止 電流場：勻速運動靜磁場：勻速運動電荷（直流）在 導(dǎo)電介質(zhì)（導(dǎo)體）電荷（直

4、流）在 磁介質(zhì)（導(dǎo)磁體）電場； 磁場 電場和磁場。動態(tài)場：運動電荷（非直流）在 空間任意介質(zhì)中6 Subjects involved電磁物理現(xiàn)象 電磁場 介質(zhì)電磁特性數(shù)學(xué)工具材料科學(xué)電磁屬性 場論 描述場特征 電磁學(xué) 描述物理現(xiàn)象 程要解決問題1.2.3.起點：工程問題抽象后的電磁場模型 工具：微分方程或者積分方程 特點：定量求解規(guī)定區(qū)域中的電磁場量8電磁規(guī)律場模型數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)分析求解變量結(jié)果電磁場課物理抽象工程近似實際工程給予物理解釋 Not because it is easy, but because it is hardwhy to study EM?1962年9月12日，肯尼迪總統(tǒng)在

5、Rice University(Houston TX)公開發(fā)表了“我們選擇登月”的演講，指出“美國要在這10年間登月”。9 We choose to go to the moon in this decade and do the other things, not because they are easy, but because they are hard, because that goal will serve to organize and measure the best of our energies and skills, because that challenge is

6、one that we are willing to accept, one we are unwilling to postpone, and onewhich we intend to win, and the others, too.Many years ago the great British explorer George Mallory, who was to die on Mount Everest, was asked why did he want to climb it. He said, Because it is there.“Well, space is there

7、, and were going to climb it, and the moon and the planets are there, and new hopes for knowledge and peace are there.10 why to study EM?n 電磁場理論是宏觀電磁現(xiàn)象最本質(zhì)的描述，是電氣工程領(lǐng)域“登堂入室”的鑰匙； n 也是探索新領(lǐng)域新應(yīng)用的工具； 一、 能量轉(zhuǎn)換 二、 信息傳遞 三能量和信息輸送 四、 目標探測 五、疾病的診斷和治療 六、交通運輸與推進 七、介質(zhì)加熱 （工業(yè)與生活） why to study EM?n 電磁場理論是宏觀電磁現(xiàn)象最本質(zhì)的描述，是

8、電氣工程領(lǐng)域“登堂入室”的鑰匙；也是探索新領(lǐng)域新應(yīng)用的工具； n 電磁場是后續(xù)專業(yè)課高電壓工程、電機類等課程的 基礎(chǔ)，幫助理解電路課程的相關(guān)概念。 19Source : /grad/areaiv.html#announcementsMIT : Undergraduate Preparation:Students in Area IV, Energy and Electromagnetic Systems, should have a strong background in electromagnetics. Those who attended M

9、IT as an undergraduate would have taken 6.013 “Electromagnetics and Applications” and one or more other electives from the Electrodynamics and Energy Systems Concentration. Other students should have a fundamental understanding of quasistatic and dynamic solutions to Maxwells equations, media, waves

10、, radiation, diffraction, coupling to structures, guided and unguided waves, resonance, forces, power and energy.電磁場與其它課程之間的關(guān)系圖 質(zhì)量、能量守恒安培全電流定理庫侖定理與高斯定理 磁通連續(xù)原理或磁的高斯定理 法拉弟電磁 感應(yīng)定理 材料的電磁性質(zhì)麥克斯韋方程組（電磁作用規(guī)律+材料電磁特性）電的歐姆定理電的基爾霍夫定理磁的歐姆定理磁的基爾霍夫定理天線諧振器波導(dǎo)傳輸線理論電路、高電壓、電機、電子學(xué)等 （研究電磁能量的分布，不涉及能量的輻射）射頻與微波、光波電子學(xué) （電磁能量的空

11、間傳播） 時變場恒定磁場靜電場,電流場 1. 提取其它課程所需要的模型參數(shù)2. 研究電磁能量（或信號）的傳播方式電路：電感 電磁波波電機動學(xué)方程22.22%電磁波 電路：電阻不能用電路描述 11.11%18.52%電路：動態(tài)過程電磁暫態(tài) 場論復(fù)習(xí)7.41%靜電場3.7%電流場37.04%靜磁場電路：電容 動態(tài)場高電壓工程準靜態(tài)場 課程難點和對策n 電磁現(xiàn)象復(fù)雜性； n 描述電磁場數(shù)學(xué)工具抽象； n 電磁現(xiàn)象一般只能間接觀察； n 同學(xué)目前階段 “直接” 應(yīng)用電磁場理論和方法的機會不多。 What is More?及時答疑理解公式物理含義； 適量練習(xí)； 重視仿真； 工程電磁場應(yīng)用：結(jié) 合已學(xué)過的

12、課程學(xué)習(xí)。Asking for help isnt a sign of weakness, its a sign of strength because it shows you have the courage to admit when you dont know something.Ask them to help you stay on track to meet your goals.- President Obamas Message for Americas Students， Sept.09，200292 軟件數(shù)值計算軟件 以矩陣為基本操作 涉及諸多工程領(lǐng)域，各種工具包數(shù)值積分

13、、畫場圖、求解場方程 23 課程考核方法平時作業(yè)（15%）：計最好的10次成績。仿真作業(yè)（15%）:用Matlab期中綜合（5%）：第8周左右進行，練習(xí)。實驗（5）：在后半學(xué)期； 期末考試（60%）：考試采用半開卷方式。24 關(guān)于作業(yè)和實驗n 第2-14周，約每周1次作業(yè)。作業(yè)取10次最好成績。 n 獨立完成作業(yè)，無論抄與被抄的作業(yè)，一律0分。 (Be Responsible when making decision )n 作業(yè)包括課后作業(yè)和數(shù)值仿真作業(yè)。 數(shù)值仿真作業(yè)每次有一定數(shù)量的同學(xué)被抽查。 n 每周二交上周作業(yè)，同時取回上周作業(yè)。 n 實驗：第8周后進行，共3個實驗 25 1.教材、參

14、考書、課堂教學(xué)的關(guān)系2.教材與參考書目電磁學(xué)，電磁場，電磁波，電動力學(xué)？馮慈璋、馬西奎，工程電磁場導(dǎo)論，高，2000（西安交通大學(xué)） 等教育雷銀照，電磁場，高等教育2010（北航） ， 26 知識結(jié)構(gòu)與分析方法n 電磁場基礎(chǔ)知識結(jié)構(gòu)綜述電磁場問題分析方法簡介27 了解歷史的變化是了解這門科學(xué)的一個步驟陳省身電氣發(fā)展史大事概述 1865年麥克斯韋提出完整的電磁場理 論，他提出了“有旋電場”和“位移電流” 假設(shè)，了電磁波的存在，計算出電磁波的速度。 1888 年赫茲的實驗證實了他的,麥克斯韋理論奠定了經(jīng)典電動力學(xué)的基礎(chǔ)。 電磁場理論與應(yīng)用為無線電技術(shù)和現(xiàn)代電子通訊技術(shù)發(fā)展開辟了廣闊前景.J. C.

15、 Maxwell Oliver Heaviside (18 May 1850 3 February1925) was a self-taught English electrical engineer, mathematician, and physicist.He adapted complex numbers to the study of electrical circuits, invented mathematical techniques to the solution of differential equations (later found to be equivalent

16、to Laplace transforms), reformulated Maxwells field equations in terms of electric and magnetic forces and energy flux, andindependently co-formulated vector analysis.Oliver HeavisideAlthough at odds with the scientific establishment for most of his life, Heaviside changed the face of mathematics an

17、d science for years to come. Maxwell方程說明見黑板 Nabla 電導(dǎo)率 31位移電流密度 靜電場(electrostatics)令 Maxwell方程中 /t , J, H和 B 為零，得靜電場基本方程第一章第二章內(nèi)容32r=0Er D = rrrD = eE 靜磁場（magnetostatic ） 穩(wěn)恒電流產(chǎn)生靜磁場，令 Maxwell方程中 /t = 0則第三章內(nèi)容33 第五章內(nèi)容時變電磁場(低頻場)低頻場（slowly varying fields） 位移電流可以忽略 34 時變電磁場(高頻場)高頻場(fast-varying field) 位移電流不

18、能忽略，此時應(yīng)采用完整的Maxwell方程組。 第六章內(nèi)容35 電磁波波動方程時間二階導(dǎo)數(shù)-描述波動現(xiàn)象?？臻g二階導(dǎo)數(shù)-描述場的分布 場量時間和空間的變化是電磁場的源 36 知識結(jié)構(gòu)與分析方法n 電磁場基礎(chǔ)知識結(jié)構(gòu)綜述電磁場問題分析方法簡介37 求解方法概述電磁場問題求解在給定區(qū)域上的微分方程或積分方程，求解時必須根據(jù)方程和邊界條件來確定解答，稱這樣規(guī)定的問題為邊值問題。（Boundary Value Problem）。 BVP = 區(qū)域+方程+邊界電磁場的邊值問題求解歸納起來有兩種方法：1、解析方法； 2、數(shù)值方法。推導(dǎo)見黑板38 解析計算方法解析方法：采用解析方法求解微分方程或積分方程，得到場的解答的方法。 優(yōu)點：場的解答是該模型規(guī)定下的精確結(jié)果，可分 析電磁場問題的各參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系和各參數(shù)對場所起的作用。 缺點：1. 求解困難； 2. 只有少量幾