電機(jī)學(xué)電磁場概論資料

1、1第一頁，共44頁。n 課程課程(kchng)簡介簡介n電磁場應(yīng)用電磁場應(yīng)用2第二頁，共44頁。電磁場研究(ynji)內(nèi)容n“電磁場電磁場”（electromagnetic field）的研究內(nèi)容是）的研究內(nèi)容是電荷電荷(dinh)在靜止或者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電磁作用。在靜止或者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電磁作用。n研究內(nèi)容分為三類：研究內(nèi)容分為三類：n靜電場：靜止電荷靜電場：靜止電荷(dinh)產(chǎn)生的電場；產(chǎn)生的電場；n靜磁場：穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)電荷靜磁場：穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)電荷(dinh)（直流）產(chǎn)生的磁場；（直流）產(chǎn)生的磁場；n動(dòng)態(tài)場：運(yùn)動(dòng)電荷動(dòng)態(tài)場：運(yùn)動(dòng)電荷(dinh)（非直流）產(chǎn)生的電磁場。（非直流）產(chǎn)生的電磁場。3第三頁，共

2、44頁。課程(kchng)簡介n復(fù)習(xí)場論、相量等概念；復(fù)習(xí)場論、相量等概念；n靜電場基礎(chǔ)（靜電場基礎(chǔ)（Electrostatics）；）；n靜磁場靜磁場(cchng)基礎(chǔ)（基礎(chǔ)（Magnetostatics）；）；n電磁場電磁場(cchng)邊值問題（邊值問題（Boundary Value Problems）nMaxwell方程（方程（Maxwells Equations）；）；4第四頁，共44頁。課程(kchng)的作用與任務(wù) n作用：使學(xué)生認(rèn)識(shí)基本電磁現(xiàn)象，掌握基本的分析方法，培養(yǎng)學(xué)生作用：使學(xué)生認(rèn)識(shí)基本電磁現(xiàn)象，掌握基本的分析方法，培養(yǎng)學(xué)生的基本素質(zhì)和專業(yè)素養(yǎng)。的基本素質(zhì)和專業(yè)素養(yǎng)。n任

3、務(wù)任務(wù)(rn wu)(rn wu)：在大學(xué)物理電磁學(xué)的基礎(chǔ)上，能對(duì)電氣工程中的電：在大學(xué)物理電磁學(xué)的基礎(chǔ)上，能對(duì)電氣工程中的電磁現(xiàn)象進(jìn)行初步的定性分析，并部分了解定量分析的基本方法。磁現(xiàn)象進(jìn)行初步的定性分析，并部分了解定量分析的基本方法。 5第五頁，共44頁。課程與其它(qt)課程的關(guān)系質(zhì)量(zhling)、能量守恒標(biāo)量(bioling)泊松方程電的歐姆定理電的基爾霍夫定理矢量泊松方程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(jī)、低頻電子學(xué)等射頻與微波、光波電子學(xué)麥克斯韋方程組靜電場恒定磁場時(shí)變場物質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系庫侖定理與 高斯定理磁通連續(xù)原理或磁的高斯定理安培全電流定

4、理法拉弟電磁 感應(yīng)定理6第六頁，共44頁。電磁場課程(kchng)難點(diǎn)？n電磁現(xiàn)象復(fù)雜性電磁現(xiàn)象復(fù)雜性理解相對(duì)困難；理解相對(duì)困難；n非直觀性非直觀性各種電磁現(xiàn)象一般只能間接觀各種電磁現(xiàn)象一般只能間接觀察；察；n描述描述(mio sh)電磁場數(shù)學(xué)工具的復(fù)雜電磁場數(shù)學(xué)工具的復(fù)雜性性場論、復(fù)變函數(shù)、線性代數(shù)、泛函等；場論、復(fù)變函數(shù)、線性代數(shù)、泛函等；7第七頁，共44頁。分析(fnx)軟件n課程內(nèi)容比較抽象，希望同學(xué)在充分理解課程內(nèi)容比較抽象，希望同學(xué)在充分理解(lji)基本概念的基礎(chǔ)上，利用工具軟件模基本概念的基礎(chǔ)上，利用工具軟件模擬仿真電磁場分布，使其直觀和形象化。擬仿真電磁場分布，使其直觀和形象

5、化。n推薦軟件：推薦軟件：nMatlab or Mathematica 各種矢量各種矢量的微積分運(yùn)算，繪制場圖等。的微積分運(yùn)算，繪制場圖等。nAnsys or Ansoft 基于有限元方法基于有限元方法,通用電磁場仿真軟件。通用電磁場仿真軟件。8第八頁，共44頁。Matlab 繪制繪制(huzh)場圖示例場圖示例9第九頁，共44頁。Matlab 繪制繪制(huzh)場圖示例源碼場圖示例源碼clear;clf;q=2e-6; k=9e9;a=1.5; b=-1.5;x=-6:0.6:6; y=x;X,Y=meshgrid(x,y); %設(shè)置坐標(biāo)網(wǎng)點(diǎn)rp=sqrt(X-a).2+(Y-b).2);

6、rm=sqrt(X+a).2+(Y+b).2);V=q*k*(1./rp-1./rm); %計(jì)算電勢(shì)Ex,Ey=gradient(-V);%計(jì)算場強(qiáng)AE=sqrt(Ex.2+Ey.2);Ex=Ex./AE;Ey=Ey./AE; %場強(qiáng)歸一化，使箭頭等長cv=linspace(min(min(V),max(max(V),49); %產(chǎn)生49個(gè)電位值contourf(X,Y,V,cv,k-)%用黑實(shí)線畫填色等位(dn wi)線圖axis(square)%在Notebook中，此指令不用title(fontsize18偶極子的場),hold onquiver(X,Y,Ex,Ey,0.7) %宗量0.

7、7使場強(qiáng)箭頭長短適中。plot(a,b,wo,a,b,w+) %用白線畫正電荷位置plot(-a,-b,wo,-a,-b,w-) %用白線畫負(fù)電荷位置xlabel(fontsize18x);ylabel(fontsize18y),hold off 10第十頁，共44頁。ANSYS 示例示例(shl) (1/4計(jì)算體）計(jì)算體）11第十一頁，共44頁。n電磁場電磁場知識(shí)結(jié)構(gòu)綜述知識(shí)結(jié)構(gòu)綜述(zngsh)n 電磁場問題分析方法電磁場問題分析方法知識(shí)結(jié)構(gòu)與分析方法12第十二頁，共44頁。Maxwell方程方程(fngchng)課程課程(kchng)知識(shí)主知識(shí)主線線13第十三頁，共44頁。靜電場靜電場

8、(electrostatics)令令 Maxwell方程方程(fngchng)中中 /t , J, H 和和 B 為零，可得靜電場基本方程為零，可得靜電場基本方程(fngchng)14第十四頁，共44頁。定義電位定義電位(din wi)函數(shù)函數(shù) f如下：如下：靜電場電位靜電場電位(din wi)在均勻媒質(zhì)中，根據(jù)靜電場散度方程，靜電場在均勻媒質(zhì)中，根據(jù)靜電場散度方程，靜電場電位電位(din wi)滿足如下方程滿足如下方程15第十五頁，共44頁。泊松方程泊松方程(fngchng)（Poisson equation）若若 r = 0, 泊松方程泊松方程(fngchng)簡化為簡化為拉普拉斯方程拉普

9、拉斯方程(fngchng)（ Laplace equation）靜電場電位靜電場電位(din wi)方程方程16第十六頁，共44頁。穩(wěn)恒電流穩(wěn)恒電流(dinli)產(chǎn)生靜磁場，令產(chǎn)生靜磁場，令 Maxwell方程中方程中 /t = 0，則，則靜磁場靜磁場(cchng)（magnetostatic ）17第十七頁，共44頁。定義定義(dngy)矢量磁位如下：矢量磁位如下：矢量矢量(shling)磁位及方程磁位及方程根據(jù)亥姆霍茨定理，選擇根據(jù)亥姆霍茨定理，選擇(xunz)矢量磁位的散矢量磁位的散度：度：則靜磁場的矢量位方程為則靜磁場的矢量位方程為18第十八頁，共44頁。時(shí)變時(shí)變(sh bin)電磁場

10、電磁場(低頻低頻場場)低頻低頻(dpn)場場（slowly varying fields） 位移電流可以忽略位移電流可以忽略Maxwell方程方程(fngchng) 簡化為簡化為19第十九頁，共44頁。時(shí)變時(shí)變(sh bin)(sh bin)電磁場電磁場( (高頻高頻場場) )高頻場高頻場(fast-varying field) 位移電流不能位移電流不能忽略，此時(shí)應(yīng)采用忽略，此時(shí)應(yīng)采用(ciyng)完整的完整的Maxwell方程組。方程組。20第二十頁，共44頁。電磁波波動(dòng)電磁波波動(dòng)(bdng)方方程程21第二十一頁，共44頁。波動(dòng)方程波動(dòng)方程(fngchng)的電磁的電磁位方程位方程(fng

11、chng)位對(duì)位對(duì)Lorenz規(guī)范規(guī)范(gufn)電磁位波動(dòng)方程電磁位波動(dòng)方程22第二十二頁，共44頁。靜電場靜電場n靜電場：相對(duì)觀察者靜止且量值不隨靜電場：相對(duì)觀察者靜止且量值不隨時(shí)間變化的電荷所產(chǎn)生的電場。時(shí)間變化的電荷所產(chǎn)生的電場。n本章任務(wù)：闡述靜電荷與電場之間的本章任務(wù)：闡述靜電荷與電場之間的關(guān)系，在已知電荷或電位關(guān)系，在已知電荷或電位(din wi)的情況下求解電場的各種計(jì)算方法。的情況下求解電場的各種計(jì)算方法。n靜電場知識(shí)結(jié)構(gòu)框圖靜電場知識(shí)結(jié)構(gòu)框圖23第二十三頁，共44頁。靜電場知識(shí)靜電場知識(shí)(zh shi)(zh shi)結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖基本基本(jbn)(jbn)實(shí)驗(yàn)定律（庫侖定

12、實(shí)驗(yàn)定律（庫侖定律）律）基本基本(jbn)(jbn)物理量（電場強(qiáng)物理量（電場強(qiáng)度）度）E EE E 的旋度的旋度E 的散度的散度基本方程基本方程微分方程微分方程邊值問題邊值問題唯一性定理唯一性定理分界面銜接條件分界面銜接條件邊界條件邊界條件數(shù)值法數(shù)值法有限差分法有限差分法解析法解析法直接積分法直接積分法分離變量法分離變量法鏡像法鏡像法, ,電軸法電軸法靜電參數(shù)靜電參數(shù)( (電容及部分電容電容及部分電容) )靜電能量與力靜電能量與力電位（電位（ ）定義層定義層應(yīng)用層應(yīng)用層求解層求解層24第二十四頁，共44頁。n導(dǎo)體導(dǎo)體(dot)中有恒定電流通過時(shí)，在導(dǎo)體中有恒定電流通過時(shí)，在導(dǎo)體(dot)內(nèi)部

13、和內(nèi)部和它周圍的媒質(zhì)中它周圍的媒質(zhì)中 ，不僅有電場效應(yīng)，不僅有電場效應(yīng) ，同時(shí)還有的磁場效，同時(shí)還有的磁場效應(yīng)應(yīng) ，簡稱，簡稱 恒定磁場（恒定磁場（Magnetostatic Field）。）。n 恒定磁場和靜電場是性質(zhì)完全不同的兩種場，但在分恒定磁場和靜電場是性質(zhì)完全不同的兩種場，但在分析方法上卻有許多共同之處。學(xué)習(xí)本章時(shí)，注意類比方法析方法上卻有許多共同之處。學(xué)習(xí)本章時(shí)，注意類比方法的應(yīng)用的應(yīng)用n 恒定磁場的知識(shí)結(jié)構(gòu)框圖恒定磁場的知識(shí)結(jié)構(gòu)框圖恒定恒定(hngdng)磁場磁場25第二十五頁，共44頁。恒定磁場恒定磁場(cchng)知識(shí)結(jié)構(gòu)框知識(shí)結(jié)構(gòu)框圖圖磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度(qingd)（B

14、）（畢奧）（畢奧沙伐爾定律）沙伐爾定律）H 的旋度的旋度B 的散度的散度基本基本(jbn)方程方程磁標(biāo)位（磁標(biāo)位（J = 0）分界面上銜接條件分界面上銜接條件磁矢位（磁矢位（A）邊值問題邊值問題數(shù)值法數(shù)值法解析法解析法分離變量法分離變量法鏡像法鏡像法有限元法有限元法有限差分法有限差分法電感的計(jì)算電感的計(jì)算磁場能量及力磁場能量及力磁路及其計(jì)算磁路及其計(jì)算基本實(shí)驗(yàn)定律基本實(shí)驗(yàn)定律 （安培力定律）（安培力定律）應(yīng)用層應(yīng)用層求解層求解層定義層定義層26第二十六頁，共44頁。電磁場問題電磁場問題(wnt)求解求解方法綜述方法綜述 電磁場問題電磁場問題(wnt)的數(shù)學(xué)方程是一組微的數(shù)學(xué)方程是一組微分方程或

15、積分方程，求解時(shí)必須根據(jù)邊界條分方程或積分方程，求解時(shí)必須根據(jù)邊界條件來確定解答，稱其為邊值問題件來確定解答，稱其為邊值問題(wnt)。 電磁場的邊值問題電磁場的邊值問題(wnt)求解歸納起來求解歸納起來有兩種方法：第一種是解析計(jì)算方法；第二有兩種方法：第一種是解析計(jì)算方法；第二種是數(shù)值計(jì)算方法。種是數(shù)值計(jì)算方法。 27第二十七頁，共44頁。電磁問題(wnt)分析求解解析計(jì)算解析計(jì)算數(shù)值方法數(shù)值方法積分方程積分方程微分方程微分方程邊界元邊界元有限差分有限差分有限元有限元標(biāo)量位標(biāo)量位矢量位矢量位H分量法分量法電磁場問題分析電磁場問題分析(fnx)求解方法求解方法適用(shyng)于線性媒質(zhì)靜電場

16、問題2D 靜磁場2D 渦流場3D 靜磁場3D 渦流場28第二十八頁，共44頁。解析解析(ji x)計(jì)算方法計(jì)算方法 解析計(jì)算方法：嚴(yán)格求解偏微分方程或積分解析計(jì)算方法：嚴(yán)格求解偏微分方程或積分方程得到場的解答。方程得到場的解答。 優(yōu)點(diǎn)：可得到場的精確結(jié)果，可觀察到問題優(yōu)點(diǎn)：可得到場的精確結(jié)果，可觀察到問題的內(nèi)在聯(lián)系和各參數(shù)對(duì)結(jié)果所起的作用的內(nèi)在聯(lián)系和各參數(shù)對(duì)結(jié)果所起的作用(zuyng)。 缺點(diǎn)：僅能用于解決很少量幾何形狀規(guī)則的缺點(diǎn)：僅能用于解決很少量幾何形狀規(guī)則的問題。問題。29第二十九頁，共44頁。 數(shù)值方法是將描述場的微分方程(wi fn fn chn)或積分方程轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的代數(shù)方程組，通

17、過求解代數(shù)方程組得到場的解答。 優(yōu)點(diǎn)：能解決解析方法所不能解決的問題；可求解具有復(fù)雜幾何形狀的電磁場邊值問題。 缺點(diǎn)：所求得的解答無一般性。數(shù)值數(shù)值(shz)計(jì)算方法計(jì)算方法30第三十頁，共44頁。啟動(dòng)啟動(dòng)(qdng)初始網(wǎng)格初始網(wǎng)格計(jì)算場計(jì)算場誤差分析誤差分析是否達(dá)到是否達(dá)到準(zhǔn)確度要求準(zhǔn)確度要求細(xì)分網(wǎng)格細(xì)分網(wǎng)格(wn )否否計(jì)算計(jì)算(j sun)完成完成是是數(shù)值分析方法一般流程數(shù)值分析方法一般流程31第三十一頁，共44頁。n電機(jī)電機(jī)(dinj)電磁場分析電磁場分析n計(jì)算生物電磁學(xué)計(jì)算生物電磁學(xué)n實(shí)際生活中用到的電磁場實(shí)際生活中用到的電磁場32第三十二頁，共44頁。電機(jī)(dinj)電磁場分析定

18、子定子(dngz)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子(zhun z)33第三十三頁，共44頁。電機(jī)(dinj)電磁場分析34第三十四頁，共44頁。電機(jī)中磁場(cchng)分布35第三十五頁，共44頁。生物(shngw)電磁學(xué)n生物電磁學(xué)研究生物體（特別是人體生物電磁學(xué)研究生物體（特別是人體(rnt)）的）的電磁過程及其與生命活動(dòng)的關(guān)系和外界電磁場對(duì)生電磁過程及其與生命活動(dòng)的關(guān)系和外界電磁場對(duì)生物體的作用。例如，生物體表有電位分布，據(jù)此，物體的作用。例如，生物體表有電位分布，據(jù)此，有腦電和心電問題。有腦電和心電問題。36第三十六頁，共44頁。腦電電磁計(jì)算腦電電磁計(jì)算(j sun)(j sun)逆問逆問題題高分辨高分辨(fnbin)腦電計(jì)算軟件腦電計(jì)算軟件頭皮頭皮(tup)皮層皮層37第三十七頁，共44頁。真實(shí)頭模型真實(shí)頭模型(mxng)(mxng)剖分網(wǎng)格剖分網(wǎng)格 38第三十八頁，共44頁。實(shí)際實(shí)際(shj)(shj)生活中用到的電生活中用到的電磁場磁場n防靜電措施防靜電措施避雷針；避雷針；n電視天線（阻抗、極化匹配）電視天線（阻抗、極化匹配）n室內(nèi)天線室內(nèi)天線n公用天線公用天線n在移動(dòng)通信上的應(yīng)用在移動(dòng)通信上的應(yīng)用n互聯(lián)網(wǎng)無線接入互聯(lián)網(wǎng)無線接入n藍(lán)牙技術(shù)藍(lán)牙技術(shù)nRF/MMIC技術(shù)技術(shù)n手機(jī)輻射對(duì)人體影響