2024年度-電動力學(xué)課件3中科大劉萬東老師錄課

電動力學(xué)課件3中科大劉萬東老師錄課1CATALOGUE目錄課程介紹與背景靜電場與電勢穩(wěn)恒電流與磁場電磁波傳播與輻射等離子體物理基礎(chǔ)數(shù)值計算方法在電動力學(xué)中應(yīng)用總結(jié)回顧與拓展延伸201課程介紹與背景3電動力學(xué)是物理學(xué)的一個重要分支，主要研究電磁場的基本性質(zhì)、相互作用和變化規(guī)律。電動力學(xué)的研究對象包括電荷、電流、電場、磁場以及它們之間的相互作用。電動力學(xué)在理論物理、應(yīng)用物理、工程學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，如電磁學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)等。電動力學(xué)概述4劉萬東老師是中科大物理學(xué)院的知名教授，長期從事電動力學(xué)和等離子體物理的研究。他的研究方向包括等離子體物理、電磁波與物質(zhì)的相互作用、高能量密度物理等。劉老師在國內(nèi)外享有很高的學(xué)術(shù)聲譽(yù)，曾多次獲得國家和省級科研獎勵。劉萬東老師及其研究方向5課程內(nèi)容主要包括電磁場的基本理論、麥克斯韋方程組、電磁波的傳播和輻射、電磁場的能量和動量、電磁場與物質(zhì)的相互作用等。課程結(jié)構(gòu)安排合理，先介紹基本概念和理論，然后逐步深入，最后介紹一些前沿的研究領(lǐng)域和應(yīng)用。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握電動力學(xué)的基本知識和方法，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)和研究打下基礎(chǔ)。課程內(nèi)容與結(jié)構(gòu)安排602靜電場與電勢7靜電場中的電荷受到電場力的作用，遵循庫侖定律。靜電場具有電勢能和電勢差的概念，電勢能是電荷在電場中具有的勢能，電勢差則是單位正電荷在電場中兩點(diǎn)間的電勢能差。靜電場是由靜止電荷所產(chǎn)生的電場，其電場線不隨時間變化。靜電場基本性質(zhì)8電勢概念及計算01電勢是描述電場中某點(diǎn)電勢能的物理量，其大小等于單位正電荷在該點(diǎn)的電勢能。02電勢的計算可以通過對電場強(qiáng)度進(jìn)行線積分得到，也可以根據(jù)電勢疊加原理進(jìn)行計算。在靜電場中，電勢與電場強(qiáng)度之間存在微分關(guān)系，即電勢的梯度等于負(fù)的電場強(qiáng)度。039當(dāng)導(dǎo)體和絕緣體之間存在電勢差時，電荷會在導(dǎo)體和絕緣體之間移動，直到達(dá)到靜電平衡狀態(tài)。在靜電平衡狀態(tài)下，導(dǎo)體和絕緣體之間的電勢差保持恒定。導(dǎo)體在靜電場中內(nèi)部電場為零，電荷分布在導(dǎo)體表面，形成表面電荷分布。絕緣體在靜電場中內(nèi)部電場不為零，電荷分布在絕緣體內(nèi)部和表面。導(dǎo)體與絕緣體在靜電場中表現(xiàn)1003穩(wěn)恒電流與磁場1103歐姆定律在金屬導(dǎo)體中，電流密度與電場強(qiáng)度成正比，比例系數(shù)為導(dǎo)體的電阻率。01穩(wěn)恒電流的定義電荷的定向移動形成電流，且電流的大小和方向均不隨時間變化。02電流的連續(xù)性方程在穩(wěn)恒電流條件下，電荷不會在某處堆積或消失，即流入和流出任意封閉面的電流相等。穩(wěn)恒電流基本性質(zhì)12磁場是一種特殊形態(tài)的物質(zhì)，具有方向和大小，且對放入其中的磁體或電流有力的作用。磁場的基本性質(zhì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義畢奧-薩伐爾定律描述磁場強(qiáng)弱和方向的物理量，用B表示，單位為特斯拉（T）。計算電流元在空間中任意一點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的公式。030201磁場概念及計算13123運(yùn)動電荷在磁場中所受的力，其方向垂直于磁場方向和電荷運(yùn)動方向所構(gòu)成的平面，且符合左手定則。洛倫茲力的定義當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)的原理利用霍爾效應(yīng)可以測量磁場、電流、電壓等物理量，還可用于制作霍爾開關(guān)、位置傳感器等器件?；魻栐膽?yīng)用洛倫茲力和霍爾效應(yīng)1404電磁波傳播與輻射15麥克斯韋方程組的構(gòu)成01麥克斯韋方程組由四個方程組成，分別描述了電場和磁場的產(chǎn)生、傳播和相互作用。方程組的物理意義02麥克斯韋方程組揭示了電磁場的基本規(guī)律，包括電荷如何產(chǎn)生電場、電流如何產(chǎn)生磁場、變化的電場如何產(chǎn)生磁場、變化的磁場如何產(chǎn)生電場等。方程組在電磁學(xué)中的地位03麥克斯韋方程組是電磁學(xué)的基石，為電磁波的存在和傳播提供了理論基礎(chǔ)，同時也為電磁學(xué)與其他物理學(xué)科的交叉研究提供了橋梁。麥克斯韋方程組簡介16電磁波在真空中以光速傳播，其傳播速度不受光源和觀察者的相對運(yùn)動影響，具有相對性原理。電磁波在真空中的傳播電磁波在介質(zhì)中傳播時，其傳播速度會受到介質(zhì)性質(zhì)的影響，如介質(zhì)的折射率、介電常數(shù)等。同時，電磁波在介質(zhì)中傳播還會發(fā)生反射、折射、透射等現(xiàn)象。電磁波在介質(zhì)中的傳播電磁波具有波動性和粒子性，其波動性表現(xiàn)為干涉、衍射等現(xiàn)象，粒子性則表現(xiàn)為光電效應(yīng)等現(xiàn)象。此外，電磁波還具有偏振性、色散性等特性。電磁波的傳播特性電磁波在真空和介質(zhì)中傳播特性17輻射是指能量以電磁波的形式向外傳播的過程。輻射機(jī)制包括自發(fā)輻射和受激輻射兩種。自發(fā)輻射是原子或分子自發(fā)地從高能級向低能級躍遷并發(fā)出光子的過程；受激輻射則是在外界光場的作用下，原子或分子從高能級向低能級躍遷并發(fā)出與入射光相同的光子的過程。輻射機(jī)制輻射功率是指單位時間內(nèi)通過某一面積的電磁輻射能量。計算輻射功率需要考慮光源的發(fā)光強(qiáng)度、發(fā)光面積、發(fā)光時間等因素，以及介質(zhì)的吸收、反射、透射等特性對輻射功率的影響。常用的計算方法包括光度學(xué)方法和輻射度學(xué)方法。輻射功率計算輻射機(jī)制及輻射功率計算1805等離子體物理基礎(chǔ)19等離子體定義由帶電粒子和中性粒子組成的，表現(xiàn)出集體行為的一種物質(zhì)狀態(tài)。等離子體分類根據(jù)溫度、密度和電離度等參數(shù)，等離子體可分為高溫等離子體和低溫等離子體，其中低溫等離子體又包括熱等離子體和冷等離子體。等離子體產(chǎn)生方法包括氣體放電、燃燒、激光照射、宇宙射線等。等離子體概念及分類20波動與粒子相互作用波動可以與等離子體中的帶電粒子發(fā)生相互作用，導(dǎo)致粒子加熱、加速和擴(kuò)散等效應(yīng)。波動在等離子體中的應(yīng)用波動在等離子體診斷、加熱和控制等方面具有廣泛的應(yīng)用。等離子體波動類型等離子體中存在著豐富的波動現(xiàn)象，如電磁波、靜電波、離子聲波等。等離子體中波動現(xiàn)象21不穩(wěn)定性產(chǎn)生機(jī)制不穩(wěn)定性產(chǎn)生的根本原因是等離子體中存在著自由能和耗散機(jī)制，當(dāng)自由能超過一定閾值時，就會激發(fā)不穩(wěn)定性。不穩(wěn)定性控制方法為了控制等離子體的不穩(wěn)定性，可以采取多種方法，如改變磁場位形、加入反饋控制等。等離子體不穩(wěn)定性概念等離子體在某些條件下會偏離平衡狀態(tài)，出現(xiàn)各種不穩(wěn)定性現(xiàn)象，如熱不穩(wěn)定性、漂移不穩(wěn)定性等。等離子體不穩(wěn)定性分析2206數(shù)值計算方法在電動力學(xué)中應(yīng)用23用差商代替微商，將微分方程轉(zhuǎn)化為差分方程。差分原理構(gòu)造合適的差分格式，使得差分方程的解能夠逼近微分方程的解。差分格式分析差分格式的穩(wěn)定性與收斂性，確保計算結(jié)果的可靠性。穩(wěn)定性與收斂性有限差分法原理及實現(xiàn)過程24FDTD基本原理將麥克斯韋方程組轉(zhuǎn)化為差分方程，在時域內(nèi)進(jìn)行逐步推進(jìn)求解。數(shù)值穩(wěn)定性條件為確保計算結(jié)果的穩(wěn)定性，需滿足Courant-Friedrichs-Levy（CFL）條件。吸收邊界條件采用完美匹配層（PML）等吸收邊界條件，模擬電磁波在無限大空間中的傳播。時域有限差分法（FDTD）在電磁問題中應(yīng)用25有限元法（FEM）將連續(xù)體離散化為有限個單元，通過求解單元節(jié)點(diǎn)上的未知量得到整個連續(xù)體的解。邊界元法（BEM）將微分方程轉(zhuǎn)化為邊界積分方程，降低問題維度，提高計算效率。譜方法利用正交多項式或三角函數(shù)等基函數(shù)展開未知量，將微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程求解。其他數(shù)值計算方法簡介0302012607總結(jié)回顧與拓展延伸27電荷與電場重點(diǎn)掌握庫侖定律、高斯定理以及電場強(qiáng)度和電勢的計算方法。電流與磁場理解安培環(huán)路定律、磁感應(yīng)強(qiáng)度的概念以及磁場對電流的作用力。電磁感應(yīng)掌握法拉第電磁感應(yīng)定律、楞次定律以及自感和互感的概念。電磁波了解麥克斯韋方程組、電磁波的傳播特性以及輻射與散射的基本原理。課程重點(diǎn)內(nèi)容總結(jié)回顧28如超導(dǎo)材料、石墨烯等，在電磁學(xué)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。新型電磁材料研究電磁兼容與電磁干擾電磁場與生物醫(yī)學(xué)電磁波與通信技術(shù)隨著電子設(shè)備的普及，電磁兼容與電磁干擾問題日益突出，相關(guān)研究正在不斷深入。電磁場在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，如磁共振成像、電磁治療等，正逐漸成為研究熱點(diǎn)。5G、6G等新一代通信技術(shù)的發(fā)展，對電磁波的傳播、散射和輻射等特性提出了更高的要求。相關(guān)領(lǐng)域前沿動態(tài)介紹29電動力學(xué)與量子力學(xué)的交叉探討電動力學(xué)在量子力學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，如量