電磁場數(shù)值計算(基本原理)

電磁場數(shù)值計算

王澤忠2/6/20231華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所電磁場電動力學電磁理論電磁學2/6/20232華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所Charles-AugustindeCoulomb(1736-1806)庫侖2/6/20233華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所Charles-AugustindeCoulomb(1736-1806),amilitarycivilengineer,retiredfromtheFrencharmybecauseofillhealthafteryearsintheWestIndies.ForcedfromParisbythedisturbancesoftherevolution,hebeganworkingathisfamilyestateanddiscoveredthatthetorsioncharacteristicsoflongfibersmadethemidealforthesensitivemeasurementofmagneticandelectricforces.HewasfamiliarwithNewton'sinverse-squarelawandintheperiod1785-1791hesucceededinshowingthatelectrostaticforcesobeythesamerule.2/6/20234華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所André-MarieAmpère(1775-1836)安培2/6/20235華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所André-MarieAmpère(1775-1836)wasachildprodigywhoseearlylifewasmarredbytragedy:Ampère'sfatherwasbeheadedinhispresenceduringtheRevolutionand,later,hiswifediedfouryearsaftertheirmarriage.Asascientist,Ampèrehadflashesofinspirationwhichhewouldpursuetotheirconclusion.Whenhelearnedof?rsted'sdiscoveryin1820thatamagneticneedleisdeflectedbyavaryingnearbycurrent,hepreparedwithinaweekthefirstofseveralpapersonthetheoryofthisphenomenon,formulatingthelawofelectromagnetism(Ampère'slaw)thatdescribesmathematicallythemagneticforcebetweentwocircuits.2/6/20236華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所MichaelFaraday(1791-1867)法拉第2/6/20237華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所MichaelFaraday(1791-1867)wasborninavillagenearLondon.Hisfatherwasamigrantblacksmithoftenillandincapableofprovidingforhisfourchildren.Faraday'sgreatopportunitycamewhenhewasofferedatickettoattendchemicallecturesbySirHumphreyDavyinLondon.FaradaywentandsentaboundcopyofhisnotestoDavyaskingforemployment.FaradaybeganasDavy'slaboratoryassistant.IthasbeensaidthatFaradaywasDavy'sgreatestdiscovery.Faradaybecamethegreatestexperimentalistinelectricityandmagnetismofthe19thcentury.Heproducedanapparatusthatwasthefirstelectricmotorandin1831hesucceededinshowingthatamagnetcouldinduceelectricity.QueenVictoriarewardedhislifetimeofachievementbygrantinghimtheuseofahouseatHamptonCourtandaknighthood.Faradayacceptedthecottagebutrejectedtheknighthood.2/6/20238華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所JamesClerkMaxwell(1831-1879)麥克斯韋2/6/20239華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所JamesClerkMaxwell(1831-1879)camefromamiddleclassEdinburghfamily.HeisrankedwithNewtonandEinsteinforthefundamentalnatureofhismanycontributionstophysics.Mostimportantly,heoriginatedtheconceptofelectromagneticradiationandhisfieldequations(1873)ledtoEinstein'sspecialtheoryofrelativity,Itisironicthatwhenin1860theUniversityofAberdeenwasformedbyamergerbetweenKing'sCollegeandMarischalCollegewhereheheldapost,Maxwellwas"redundant".HeappliedattheUniversityofEdinburgh,butwasturneddowninfavorofanother.HefounditnecessarytomovetoLondon'sKing'sCollege.In1871,MaxwellwasappointedthefirstCavendishprofessorofexperimentalphysicsatCambridge.Maxwelldiedatforty-nineafterashortillness.HewasburiedinScotlandinthefamilyplot;therewerenopublichonorsathispassing.2/6/202310華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所HeinrichRudolfHertz(1847-1894)赫茲2/6/202311華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所HeinrichRudolfHertz(1847-1894)wasthefirsttobroadcastandreceiveradiowaves.Maxwell'stheoryhadbeenbasedonunusualmechanicalideasabouttheetherandhadnotbeenuniversallyaccepted.In1884,HertzrederivedMaxwell'sequationsbyanewmethod,castingtheminmodernform.Then,between1885and1889,asaprofessorofphysicsatKarlsruhePolytechnic,heproducedelectromagneticwavesinthelaboratoryandmeasuredtheirwavelengthandvelocity.Heshowedthatthenatureoftheirreflectionandrefractionwasthesameasthoseoflight,confirmingthatlightwavesareelectromagneticradiationobeyingtheMaxwellequations.2/6/202312華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所AlbertEinstein(1879-1955)愛因斯坦2/6/202313華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所AlbertEinstein(1879-1955),oneofthegreatgeniusesofphysics,grewupinMunichwherehisfatherandhisunclehadasmallelectricalplantandengineeringworks.Einstein'sspecialtheoryofrelativity,firstprintedin1905withthetitle"OntheElectrodynamicsofMovingBodies"haditsbeginningsinanessayEinsteinwroteatagesixteen.Thespecialtheoryisoftenregardedasthecapstoneofclassicalelectrodynamictheory.2/6/202314華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所GustavRobertKirchhoff(1824-1887)基爾霍夫2/6/202315華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所GustavRobertKirchhoff(1824-1887),Germanphysicist,announcedthelawswhichallowcalculationofthecurrents,voltages,andresistancesofelectricalnetworksin1845whenhewasonlytwenty-one.Infurtherstudieshedemonstratedthatcurrentflowsthroughaconductoratthespeedoflight.HisotherworkestablishedthetechniqueofspectrumanalysiswhichheappliedtodeterminethecompositionoftheSun.2/6/202316華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所電磁場的工程應(yīng)用領(lǐng)域1、機電能量轉(zhuǎn)換發(fā)電機、電動機、變壓器2、電力系統(tǒng)傳輸線參數(shù)、線路結(jié)構(gòu)、桿塔、絕緣子等3、通信電磁波輻射、波導、微波，散射4、生物電磁學輻射對人體影響、生物影響、治療5、電磁兼容6、信息計算機存儲、磁帶記錄2/6/202317華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所地磁場、太陽耀斑、磁暴2/6/202318華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所雷電2/6/202319華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所汽輪發(fā)電機2/6/202320華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所水輪發(fā)電機2/6/202321華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所變壓器2/6/202322華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所變電站2/6/202323華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所雷達2/6/202324華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所電磁波暗室（無反射）2/6/202325華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所電場脈沖模擬器2/6/202326華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所開闊地試驗2/6/202327華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所電場脈沖模擬器2/6/202328華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所磁懸浮分析For1cmlevitation:Drive: Current1320A Freq400kHzCoil: Radius1.0cm Wire0.89mmCopperBall: Diameter1cm Mass4.66gRef:W.Brisley&B.S.Thornton:Brit.J.Appl.Phys.,v.14,p.682,19622/6/202329華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所MagneticForceReactionFieldLevitationForce(mN):Theory45.72Lorentz42.04MaxwellStr44.60VirtWork44.73提升力

2/6/202330華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所2-DMagnetostatics(2-D靜磁場)

波導電磁場場分布2/6/202332華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所HFApplicationexample:

同軸波導上波的傳播2/6/202333華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所ANSYS/Emag:

微波Coax-to-Waveguide同軸電纜波導輸入口輸出口2/6/202334華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所電磁場數(shù)值計算一、電磁場理論基礎(chǔ)二、電磁場的邊值問題三、電磁場數(shù)值計算數(shù)學基礎(chǔ)1、泛函分析2、變分法3、變分原理4、加權(quán)余量法5、伽遼金法

6、里茲法2/6/202335華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所三、有限元法1、有限元的網(wǎng)格剖分2、有限元的單元插值3、有限元的離散化4、有限元方程組的求解5、矢量有限元四、邊界元法五、有限差分法六、模擬電荷法七、ANSYS軟件簡介八、工程電磁場分析舉例2/6/202336華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所電磁場模型：1、源模型2、媒質(zhì)模型3、場域模型電磁場問題：1、正問題（內(nèi)問題、外問題）2、逆問題2/6/202337華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所一、電磁場理論基礎(chǔ)1、靜電場的基本原理庫侖定律電場強度點電荷線電荷面電荷體電荷庫侖扭秤實驗試驗電荷2/6/202338華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所靜電場的環(huán)路定理高斯通量定理輔助方程線性材料？各向同性材料？均勻材料？2/6/202339華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所2、恒定電流場的基本原理電流連續(xù)性定理恒定電場的環(huán)路定理輔助方程電動勢包括庫侖電場強度和據(jù)外電場強度2/6/202340華北電力大學（北京）－電力工程系－高電壓與電磁兼容研究所3、恒定磁場的基本原理安培定律電流元對電流元線圈對電流元線圈對線圈（可測量）2/6/202341華北電力大學（北京）－電力工程系