《電磁學原理》課件

電磁學原理課程大綱第一部分電磁場的基本概念電場和磁場庫侖定律和安培定律高斯定理和斯托克斯定理電磁場的能量和動量第二部分電磁波電磁波的產(chǎn)生和傳播電磁波的特性電磁波的應用第三部分電磁場與物質的相互作用電磁場的物質效應電磁場的物質特性電磁場與材料的相互作用第四部分電磁學應用電磁學在通信領域的應用電磁學在醫(yī)療領域的應用電磁學在能源領域的應用電磁學的研究對象電磁學是一門研究電磁現(xiàn)象的學科，其研究對象主要包括電荷、電場、磁場、電磁波等。電荷：是物質的基本屬性之一，是電磁現(xiàn)象產(chǎn)生的根源。電荷分為正電荷和負電荷，它們之間相互作用，產(chǎn)生電場和磁場。電場：由靜止的電荷或運動的電荷產(chǎn)生的力場，可以對帶電物體產(chǎn)生力的作用。磁場：由運動的電荷或磁鐵產(chǎn)生的力場，可以對運動的電荷產(chǎn)生力的作用。電磁波：電場和磁場相互耦合，以光速在真空中傳播的一種能量形式。電磁波的波長范圍很廣，包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線等。電磁學的發(fā)展歷程1現(xiàn)代電磁理論麥克斯韋方程組的建立，電磁波的發(fā)現(xiàn)2經(jīng)典電磁理論庫侖定律、安培定律、法拉第定律等3早期電磁現(xiàn)象靜電現(xiàn)象、磁石的吸引力等電磁學的發(fā)展經(jīng)歷了從古代對電磁現(xiàn)象的認識到現(xiàn)代電磁理論的建立，是一個漫長的過程。早期人類對電磁現(xiàn)象的認識僅僅停留在一些簡單的觀察，例如靜電現(xiàn)象、磁石的吸引力等。隨著科學技術的發(fā)展，人們逐漸對電磁現(xiàn)象有了更深入的認識，并建立了經(jīng)典電磁理論，例如庫侖定律、安培定律、法拉第定律等。現(xiàn)代電磁理論的建立則標志著人類對電磁現(xiàn)象的認識達到了一個新的高度，麥克斯韋方程組的建立，電磁波的發(fā)現(xiàn)等，奠定了現(xiàn)代物理學的基礎。電場概念電場的存在電場是空間中的一種力場，由靜止的電荷或變化的磁場產(chǎn)生。電場的存在可以通過它對帶電粒子的作用力來感知。電場的作用力電場會對帶電粒子施加力，方向取決于電荷的極性和電場的極性。這個力被稱為電場力。電場線電場可以用電場線來表示。電場線從正電荷出發(fā)，指向負電荷，且在任何一點上的方向與電場力方向一致。電場的強度定義描述電場對帶電粒子的作用力大小，是電場強度的量度。單位為牛頓/庫侖(N/C)。公式E=F/q，其中E是電場強度，F(xiàn)是作用力，q是電荷量。方向電場強度的方向與正電荷在電場中所受的力的方向相同。特點電場強度是一個矢量，既有大小又有方向。電場強度是電場的一個重要特性，它反映了電場對帶電粒子的作用力大小。在實際應用中，我們可以利用電場強度來計算電場對帶電粒子的作用力，進而研究電荷在電場中的運動。高斯定理1電場與封閉曲面的關系高斯定理揭示了電場與包圍它的封閉曲面的關系，它指出穿透封閉曲面的總電通量與封閉曲面內凈電荷成正比，即：ΦE=Q/ε0。2計算電場的工具高斯定理是計算電場的一種重要工具，特別是在對稱性較高的電荷分布情況下，能夠簡化計算過程。3應用范圍廣高斯定理在電學、磁學、光學等領域都有著廣泛的應用，例如計算帶電球體的電場、計算均勻帶電圓柱體的電場等等。靜電勢定義靜電勢是指電場中某一點的電勢能與單位正電荷的比值。它描述了將一個單位正電荷從無窮遠處移至該點的電場力所做的功。靜電勢是一個標量，單位是伏特(V)。公式靜電勢的計算公式為：V=W/q，其中V為靜電勢，W為將單位正電荷從無窮遠處移至該點所做的功，q為單位正電荷的電量。特點靜電勢是一個相對的概念，它相對于參考點的電勢而言。通常情況下，我們選擇無窮遠處為參考點，其電勢為零。靜電能量靜電能量是指電荷體系在電場中具有的能量，它與電荷的分布和電場強度有關。靜電能量可以用來衡量電荷體系的穩(wěn)定性，也可以用來描述電場中儲存的能量。1/2能量密度靜電場的能量密度是指單位體積的靜電場儲存的能量，它等于電場強度的平方與介電常數(shù)的乘積的一半。1/2電勢能一個電荷在電場中所具有的勢能，稱為該電荷的電勢能。電勢能的大小與電荷的電荷量和電勢差成正比。靜電能量是電磁學中的重要概念，它在許多領域都有應用，例如電容器的能量儲存、電磁波的傳播等。電介質極化電介質在外電場作用下，內部的正負電荷發(fā)生相對位移，從而產(chǎn)生電偶極矩，這種現(xiàn)象稱為極化。介電常數(shù)電介質的極化程度可以用介電常數(shù)來衡量，它是電介質的電容率與真空電容率的比值，反映了電介質儲存電能的能力。應用電介質廣泛應用于電容器、絕緣材料、光學器件等領域，例如，在電容器中，電介質可以提高電容的容量，在絕緣材料中，電介質可以阻止電流通過，在光學器件中，電介質可以控制光線的傳播路徑。電極化定義當電介質置于外電場中時，介質內部的束縛電荷會發(fā)生位移，從而產(chǎn)生電偶極矩，這種現(xiàn)象稱為電極化。類型電極化分為三種類型：電子極化、離子極化和取向極化。電子極化是由于外電場作用使原子中的電子云發(fā)生畸變而產(chǎn)生的；離子極化是由于外電場作用使離子發(fā)生相對位移而產(chǎn)生的；取向極化是由于外電場作用使極性分子發(fā)生定向排列而產(chǎn)生的。影響因素電極化的程度取決于電介質的性質、外電場強度和溫度。不同的電介質具有不同的電極化率，即電極化的難易程度。溫度越高，電極化率越低。感應電場定義感應電場是指由于磁場隨時間變化而產(chǎn)生的電場。產(chǎn)生原因當穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化時，回路中就會產(chǎn)生感應電動勢，進而導致感應電場的產(chǎn)生。法拉第電磁感應定律感應電動勢的大小等于穿過回路的磁通量變化率的負值，即E=-dΦ/dt。電流1定義電流是指電荷在導體中定向移動的現(xiàn)象，是電磁學中的重要概念。電流的大小可以用單位時間內通過導體某截面的電荷量來衡量，其單位是安培(A)。2方向電流的方向被定義為正電荷運動的方向。在實際應用中，通常將電子運動的方向作為電流的相反方向來表示。3類型電流可以分為直流電(DC)和交流電(AC)。直流電是指電流方向保持不變的電流，而交流電是指電流方向和大小隨時間周期性變化的電流。安培-馬克斯韋爾定律安培定律安培定律描述了電流產(chǎn)生磁場的規(guī)律。它指出閉合回路上的磁場強度積分等于回路包圍的電流強度。這個定律是理解電磁現(xiàn)象的基礎，它在電機、發(fā)電機等應用中發(fā)揮著關鍵作用。馬克斯韋爾修正馬克斯韋爾對安培定律進行了修正，考慮了變化的電場也會產(chǎn)生磁場。這個修正將安培定律擴展到包含變化的電場，為電磁波的發(fā)現(xiàn)提供了理論基礎。馬克斯韋爾修正后的安培定律被稱為安培-馬克斯韋爾定律。洛倫茲力磁場中的帶電粒子當帶電粒子在磁場中運動時，會受到磁場力的作用，稱為洛倫茲力。洛倫茲力的大小與磁場強度、帶電粒子的電荷量和速度成正比，方向垂直于磁場和粒子速度的方向。洛倫茲力的方向洛倫茲力的方向可以用右手定則來判斷，右手拇指指向粒子速度方向，四指指向磁場方向，則掌心所指的方向即為洛倫茲力的方向。螺旋運動當帶電粒子以一定角度進入磁場時，它將做螺旋運動。螺旋運動的半徑由粒子的動量和磁場強度決定，螺旋運動的周期由粒子的電荷量和磁場強度決定。磁場定義磁場是存在于磁體周圍的一種特殊物質，它能對運動的電荷產(chǎn)生力的作用。特征磁場具有方向性，可以用磁感線來表示，磁感線的方向為小磁針N極所指的方向。磁場強度磁場強度的大小和方向可以用磁感應強度B來描述，磁感應強度的單位是特斯拉（T）。磁矩磁偶極矩磁偶極矩是描述一個物體在磁場中產(chǎn)生的磁效應的一個物理量。它的大小等于磁偶極子的磁偶極矩，方向由磁偶極子的北極指向南極。磁矩的單位磁矩的單位是安培平方米(A·m2)或焦耳每特斯拉(J/T)。磁矩的應用磁矩在物理學和工程學中都有廣泛的應用，例如磁共振成像(MRI)、磁存儲器和磁性傳感器。磁性材料鐵磁性材料鐵磁性材料，如鐵、鈷、鎳等，具有很強的磁性。它們內部的原子磁矩可以自發(fā)地排列在一起，形成自發(fā)磁化。這些材料可以被磁化，并在磁化后保持磁性，因此被廣泛應用于各種磁性器件和設備中。順磁性材料順磁性材料，如鋁、鉑、氧氣等，在磁場作用下會被弱磁化。它們的原子磁矩在沒有外磁場的情況下是隨機排列的，在外磁場作用下會部分排列，產(chǎn)生弱磁性。這種磁性通常很弱，且在磁場消失后會消失。抗磁性材料抗磁性材料，如水、銅、金等，在磁場作用下會被弱磁化，但方向與外磁場相反。它們的原子磁矩在沒有外磁場的情況下是成對排列的，在外磁場作用下會產(chǎn)生一個與外磁場方向相反的感應磁矩，表現(xiàn)為抗磁性。電磁感應發(fā)現(xiàn)1831年，英國物理學家邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象，即變化的磁場會產(chǎn)生電場，從而在閉合導體回路中產(chǎn)生感應電流。原理電磁感應現(xiàn)象是電磁學中重要的基本規(guī)律之一，它揭示了電場和磁場之間的相互聯(lián)系，并為電磁學的進一步發(fā)展奠定了基礎。應用電磁感應現(xiàn)象在現(xiàn)代科技中有著廣泛的應用，例如發(fā)電機、電動機、變壓器等，都是利用電磁感應原理工作的。法拉第電磁感應定律11.變化的磁通量當穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化時，電路中就會產(chǎn)生感應電動勢。22.感應電動勢大小感應電動勢的大小等于穿過閉合電路的磁通量變化率的負值，即E=-dΦ/dt。33.感應電流方向感應電流的方向由楞次定律決定，即感應電流的方向總是阻礙引起它產(chǎn)生的磁通量的變化。44.應用法拉第電磁感應定律是電磁學中最重要的定律之一，它解釋了發(fā)電機、變壓器、電動機等電磁器件的工作原理。自感與互感自感當線圈中的電流發(fā)生變化時，線圈本身會產(chǎn)生感應電動勢，這種現(xiàn)象稱為自感。自感系數(shù)的大小取決于線圈的形狀、尺寸和匝數(shù)?；ジ挟攦蓚€線圈靠近放置時，其中一個線圈中的電流變化會在另一個線圈中產(chǎn)生感應電動勢，這種現(xiàn)象稱為互感?；ジ邢禂?shù)的大小取決于兩個線圈之間的距離、形狀和匝數(shù)。變壓器工作原理變壓器利用電磁感應原理，通過改變線圈的匝數(shù)比來改變電壓和電流。當交流電流流過初級線圈時，會在鐵芯中產(chǎn)生交變磁場，該磁場會感應出次級線圈中的電流。電壓變化與匝數(shù)比成正比，電流變化與匝數(shù)比成反比。類型變壓器可分為多種類型，例如降壓變壓器、升壓變壓器、自耦變壓器等。不同的類型根據(jù)其匝數(shù)比和應用場景而有所區(qū)別。例如，降壓變壓器用于將高壓交流電轉換為低壓交流電，而升壓變壓器用于將低壓交流電轉換為高壓交流電。應用變壓器是電力系統(tǒng)中不可或缺的設備，廣泛應用于電力傳輸、配電、電子設備等領域。例如，在電力傳輸中，變壓器用于將高壓電轉換為低壓電，以便在家庭和工廠中使用。在電子設備中，變壓器用于將交流電轉換為直流電，為各種電路供電。電磁場能量電場磁場電磁場能量是電場能量和磁場能量的總和。電場能量存儲在電場中，而磁場能量存儲在磁場中。電磁場能量可以被用來做功，例如，電磁場能量可以用來驅動電機，也可以用來產(chǎn)生光。電磁場能量是現(xiàn)代科技中非常重要的概念，它被應用于各種領域，例如，電力、通信、醫(yī)療等。麥克斯韋方程1統(tǒng)一電磁場麥克斯韋方程組是描述電磁場的基本方程，它將電場和磁場統(tǒng)一起來，揭示了電磁場之間的相互作用。2電磁波麥克斯韋方程組預言了電磁波的存在，并描述了電磁波的傳播規(guī)律。電磁波的發(fā)現(xiàn)證實了麥克斯韋方程組的正確性。3電磁學基礎麥克斯韋方程組是電磁學的基礎理論，它為電磁學的發(fā)展奠定了基礎，并為電磁現(xiàn)象的應用提供了理論依據(jù)。電磁波定義電磁波是由周期性變化的電場和磁場相互耦合產(chǎn)生的，以光速在真空中傳播的能量形式。特性電磁波具有波粒二象性，既表現(xiàn)出波的性質，也表現(xiàn)出粒子的性質。電磁波的傳播速度、頻率和波長之間存在著密切的關系。分類電磁波根據(jù)頻率的不同可以分為無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線等。電磁波的特性橫波電磁波是一種橫波，電場和磁場相互垂直，并且都垂直于傳播方向。光速傳播電磁波在真空中以光速傳播，速度約為每秒30萬公里。波譜范圍廣電磁波譜包括各種頻率和波長的電磁波，從無線電波到伽馬射線。光的波粒二象性光的波動性表現(xiàn)為光的干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象。光的粒子性表現(xiàn)為光電效應、康普頓效應等現(xiàn)象。電磁波的產(chǎn)生1振蕩電場當電荷在導體中作周期性振動時，會產(chǎn)生周期變化的電場，這種電場稱為振蕩電場。2振蕩磁場振蕩電場會誘發(fā)周圍空間產(chǎn)生變化的磁場，這種磁場稱為振蕩磁場。振蕩磁場的方向垂直于振蕩電場的方向。3電磁波產(chǎn)生振蕩電場和振蕩磁場互相耦合，以光速在空間中傳播，形成電磁波。電磁波的傳播方向垂直于電場和磁場的方向。電磁波的傳播1真空中傳播電磁波在真空中以光速傳播，不受介質影響。2介質中傳播電磁波在介質中傳播時，速度會減慢，并會發(fā)生折射和反射現(xiàn)象。3波的疊加多個電磁波相遇時，會發(fā)生疊加，形成干涉和衍射現(xiàn)象。電磁波的傳播是電磁場的一種波動形式，它以光速傳播，不受介質影響。電磁波在真空中以光速傳播，而在介質中傳播時，速度會減慢，并會發(fā)生折射和反射現(xiàn)象。電磁波可以穿透大部分介質，但會受到金屬的阻擋。電磁波的傳播速度與介質的性質有關。在真空中，電磁波的速度最快，約為每秒30萬公里。在介質中，電磁波的速度會減慢，例如，在水中，電磁波的速度約為每秒22萬公里。電磁波的應用無線通信從手機到互聯(lián)網(wǎng)，電磁波在無線通信中起著至關重要的作用。無線信號塔利用電磁波傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)我們日常生活中的各種通信功能。雷達探測雷達通過發(fā)射電磁波并接收反射信號，可以探測物體的位置、速度和形狀，廣泛應用于航空、航海、氣象等領域。醫(yī)學成像X射線、CT、核磁共振等醫(yī)學成像技術利用不同類型的電磁波，幫助醫(yī)生診斷疾病，對人體進行無創(chuàng)檢查。微波爐加熱微波爐利用微波輻射加熱食物，使水分子快速振動，從而產(chǎn)生熱量。干涉和衍射1干涉當兩束或多束相干波相遇時，由于波的疊加而產(chǎn)生的現(xiàn)象。干涉現(xiàn)象表明光具有波動性。2衍射當光波遇到障礙物或孔徑時，偏離直線傳播路徑而繞過障礙物或孔徑的現(xiàn)象。衍射現(xiàn)象也是光具有波動性的證明。偏振現(xiàn)象線性偏振光光波的振動方向在一個平面上，稱為線性偏振光，例如通過偏振片后獲得的偏振光。圓偏振光光波的振動方向在垂直于傳播方向的平面上作圓周運動，稱為圓偏振光，例如通過某些晶體或特定材料后獲得的偏振光。橢圓偏振光光波的振動方向在垂直于傳播方向的平面上作橢圓運動，稱為橢圓偏振光，例如通過某些晶體或特定材料后獲得的偏振光。激光激光是一種特殊形式的光，由受激輻射產(chǎn)生的高度相干、單色性、方向性良好的光束。它是20世紀60年代初出現(xiàn)的一項重大科學技術成果，自問世以來，激光技術迅速發(fā)展，并已廣泛應用于各個領域。激光具有單色性強、方向性強、亮度高、相干性好等優(yōu)點，使其成為現(xiàn)代科學技術中重要的工具。激光技術已廣泛應用于通訊、醫(yī)療、工業(yè)、科研、軍事等領域，并將在未來發(fā)揮更加重要的作用。導體中的電流電流的定義導體中的電流是指在電場的作用下，自由電荷定向移動形成的電流。電流的方向定義為正電荷定向移動的方向，因此，對于電子定向移動形成的電流，電流方向與電子定向移動方向相反。電流的大小電流的大小用電流強度表示，其定義為單位時間內通過導體橫截面的電荷量。電流強度的單位是安培（A）。電流的種類電流可分為直流電流和交流電流。直流電流是指電流方向不變的電流，交流電流是指電流方向隨時間周期性變化的電流。肖克效應定義肖克效應是指當半導體材料中的載流子濃度發(fā)生變化時，導致其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。這種效應是由于載流子濃度變化而導致電阻率變化的現(xiàn)象，也是半導體器件的基本原理之一。原理肖克效應發(fā)生在半導體材料的PN結或其他異質結附近。當PN結處于正向偏置狀態(tài)時，多數(shù)載流子從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴散，導致結區(qū)附近的載流子濃度增加，電阻率降低。反之，當PN結處于反向偏置狀態(tài)時，多數(shù)載流子被反向電場吸引，導致結區(qū)附近的載流子濃度降低，電阻率升高。應用肖克效應廣泛應用于各種半導體器件中，例如二極管、三極管、場效應管等。例如，二極管利用肖克效應實現(xiàn)單向導電，三極管利用肖克效應實現(xiàn)電流放大，場效應管利用肖克效應實現(xiàn)對電流的控制。歐姆定律定義歐姆定律描述了導體中電流與電壓和電阻之間的關系。它指出，在恒定溫度下，導體中的電流與加在它兩端的電壓成正比，與導體的電阻成反比。公式歐姆定律的數(shù)學表達式為：I=U/R，其中：

I為電流，單位為安培(A)

U為電壓，單位為伏特(V)

R為電阻，單位為歐姆(Ω)電阻1歐姆定律電阻是導體對電流阻礙作用的量度，由歐姆定律決定：電阻等于電壓除以電流。2材料性質電阻值取決于導體的材料、長度、橫截面積和溫度等因素。3單位電阻的國際單位是歐姆（Ω），1歐姆等于1伏特/安培。4種類電阻器按其結構和用途分為固定電阻器和可變電阻器，可用于限制電流、分壓、衰減信號等。電源電源是提供電能的裝置，是電子設備和電路的能量來源。常見的電源類型包括：交流電源：主要指由發(fā)電機或電網(wǎng)提供的周期性變化的電壓和電流，常見于家庭和工業(yè)應用。直流電源：提供穩(wěn)定的電壓和電流，常見于電子設備和電池。電路分析1基本概念介紹電路分析的基本概念，例如電流、電壓、電阻、功率等。闡述基爾霍夫定律（電流定律和電壓定律）在電路分析中的重要作用。2電路定理介紹常用的電路定理，例如疊加定理、戴維南定理、諾頓定理等，并通過實例說明如何運用這些定理簡化電路分析。3電路元件分析常見的電路元件，包括電阻、電容、電感、晶體管、運算放大器等，并闡述其特性及應用。4電路仿真介紹常用的電路仿真軟件，例如Multisim、PSpice等，并演示如何利用仿真軟件進行電路分析和設計。電容器電容器的基本概念電容器是一種能夠存儲電荷的電子元件，由兩塊相互絕緣的金屬板組成，這兩塊金屬板之間通常被一層電介質隔開。電容器的電容值反映了它存儲電荷的能力，單位為法拉（F）。電容器的充電和放電當電容器兩端施加電壓時，電荷會在兩塊金屬板上積累，形成電場。這個過程被稱為充電。當電壓移除時，電荷會通過電容器內部的電介質釋放，這個過程被稱為放電。電容器的應用電容器在電子電路中有著廣泛的應用，例如：儲能濾波耦合定時電感器1定義電感器是一種由導線繞制成的線圈，具有儲存磁能的特性，其儲能能力由其電感量決定。2工作原理當電流通過電感器時，會在其周圍產(chǎn)生磁場，磁場能量以磁場的形式儲存起來。當電流變化時，磁場也會隨之變化，從而產(chǎn)生感應電動勢，阻礙電流的變化。3應用電感器廣泛應用于各種電子電路中，包括濾波、能量儲存、頻率選擇、信號耦合等，例如在電源電路中用于濾除交流噪聲，在無線電電路中用于選頻，以及在信號傳輸系統(tǒng)中用于匹配阻抗。交流電定義交流電（AC）是電流方向隨時間周期性變化的電流。它通常用來描述在電力系統(tǒng)中使用的電流，例如家庭和工業(yè)用電。交流電的電壓和電流都隨時間變化，而且變化規(guī)律是正弦波。正弦波形使交流電易于生成和傳輸。優(yōu)點與直流電相比，交流電有以下優(yōu)點：交流電更容易傳輸交流電更容易變換電壓交流電更容易控制和調節(jié)應用交流電在現(xiàn)代生活中應用廣泛，例如：家庭用電工業(yè)用電交通工具通信系統(tǒng)電路分析基本概念電路分析是利用電路理論和方法來分析和計算電路的性質，例如電流、電壓、功率等。它涉及到電路元件的特性、電路定律的應用，以及電路模型的建立和求解。常用方法常用的電路分析方法包括：節(jié)點電壓法、網(wǎng)孔電流法、疊加定理、戴維寧定理、諾頓定理等。這些方法可以幫助我們解決各種復雜的電路問題。應用場景電路分析在電子工程、電力工程、通信工程等領域都有廣泛的應用。它可以幫助我們設計、優(yōu)化和調試各種電子設備和電力系統(tǒng)。電力系統(tǒng)發(fā)電電力系統(tǒng)以發(fā)電為起點，將各種能源轉化為電能。常見的發(fā)電方式包括火力發(fā)電、水力發(fā)電、核能發(fā)電、風力發(fā)電等。發(fā)電廠負責生產(chǎn)電能，并將其輸送到電網(wǎng)。輸電輸電是將發(fā)電廠產(chǎn)生的電能輸送到用戶所在地的過程。輸電系統(tǒng)由高壓輸電線路、變電站和控制系統(tǒng)組成。高壓輸電線路能夠將電能遠距離傳輸，變電站則負責降低電壓，以便滿足用戶需求。配電配電是將高壓電能分配到各個用戶的過程。配電系統(tǒng)由低壓配電線路、變壓器和控制系統(tǒng)組成。低壓配電線路將電能輸送到用戶家中，變壓器負責降低電壓，以保證用電安全。