《電磁現(xiàn)象與電磁場(chǎng)》課件

電磁現(xiàn)象與電磁場(chǎng)探索電磁現(xiàn)象的奧秘課程介紹課程目標(biāo)掌握電磁場(chǎng)基本理論學(xué)習(xí)內(nèi)容概述電磁理論與應(yīng)用探索先修知識(shí)要求電磁學(xué)發(fā)展歷史1古代觀察琥珀摩擦引力現(xiàn)象記錄2重要發(fā)現(xiàn)時(shí)期法拉第、安培等科學(xué)貢獻(xiàn)3理論統(tǒng)一電荷與電場(chǎng)基礎(chǔ)電荷概念物質(zhì)電性的基本單元庫侖定律點(diǎn)電荷間相互作用力規(guī)律電場(chǎng)強(qiáng)度高斯定律數(shù)學(xué)表達(dá)閉合曲面通量等于內(nèi)部電荷物理意義電場(chǎng)源于電荷的本質(zhì)揭示應(yīng)用實(shí)例計(jì)算高度對(duì)稱電場(chǎng)分布電勢(shì)與電勢(shì)能電勢(shì)定義單位電荷的電勢(shì)能電場(chǎng)力做功的負(fù)值電勢(shì)能概念電荷在電場(chǎng)中具有的能量與位置相關(guān)的標(biāo)量量等勢(shì)面電勢(shì)相等的空間點(diǎn)集與電場(chǎng)線正交導(dǎo)體與電容器導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)自由電子移動(dòng)形成電流電容器原理儲(chǔ)存電荷產(chǎn)生電場(chǎng)常見電容器板式、柱式及球式電容靜電場(chǎng)中的介質(zhì)介質(zhì)的極化電場(chǎng)作用下分子排列電位移矢量描述總電場(chǎng)效應(yīng)邊界條件界面處場(chǎng)量連續(xù)性靜電場(chǎng)的能量1/2能量密度公式電場(chǎng)能量分布系數(shù)ε?E2能量密度表達(dá)式與電場(chǎng)強(qiáng)度平方成正比100%能量守恒電場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化不會(huì)丟失恒定電流電流密度單位面積通過的電流大小歐姆定律電流與電壓成正比關(guān)系焦耳定律電能轉(zhuǎn)化為熱能規(guī)律磁場(chǎng)基礎(chǔ)磁場(chǎng)定義能對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷施力的區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量磁力線指示磁場(chǎng)方向的虛線畢奧-薩伐爾定律數(shù)學(xué)表達(dá)dB=(μ?/4π)×(Idl×r)/r3物理意義電流元產(chǎn)生的磁場(chǎng)貢獻(xiàn)應(yīng)用實(shí)例環(huán)形電流磁場(chǎng)計(jì)算安培環(huán)路定理安培環(huán)路定理：閉合回路磁場(chǎng)線積分等于回路內(nèi)電流物理意義：電流是磁場(chǎng)的源與高斯定律對(duì)比：結(jié)構(gòu)相似，描述不同場(chǎng)磁場(chǎng)中的磁介質(zhì)磁介質(zhì)磁化分子磁矩定向排列磁場(chǎng)強(qiáng)度考慮介質(zhì)后的磁場(chǎng)描述磁導(dǎo)率描述介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)影響程度磁場(chǎng)的能量磁場(chǎng)能量密度電場(chǎng)能量密度其他形式能量磁場(chǎng)能量密度：B2/2μ磁場(chǎng)能量計(jì)算：體積分積分與靜電場(chǎng)對(duì)比：公式結(jié)構(gòu)相似電磁感應(yīng)現(xiàn)象法拉第定律感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量變化率成正比楞次定律感應(yīng)電流方向阻礙磁通量變化自感與互感電流變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)位移電流概念提出麥克斯韋發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)變化產(chǎn)生磁場(chǎng)安培定律修正加入位移電流項(xiàng)完善理論重要性統(tǒng)一理論基礎(chǔ)，預(yù)測(cè)電磁波麥克斯韋方程組∮E·dS=q/ε?∮B·dS=0∮E·dl=-dΦ/dt∮B·dl=μ?I+μ?ε?dΦ/dt1積分形式描述有限區(qū)域場(chǎng)量關(guān)系2微分形式描述局部點(diǎn)場(chǎng)量關(guān)系3物理意義電磁場(chǎng)基本規(guī)律完整描述電磁波的產(chǎn)生電磁波本質(zhì)電場(chǎng)與磁場(chǎng)的相互激發(fā)傳播不需要介質(zhì)的波動(dòng)振蕩電路LC電路產(chǎn)生高頻電磁振蕩能量電場(chǎng)磁場(chǎng)交替轉(zhuǎn)換赫茲實(shí)驗(yàn)首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電磁波存在證實(shí)麥克斯韋理論正確性電磁波的傳播波動(dòng)方程?2E=μ?ε??2E/?t2平面電磁波電場(chǎng)磁場(chǎng)垂直傳播方向傳播速度c=1/√(μ?ε?)電磁波的能量S坡印廷矢量E×H表示能量流方向P輻射壓強(qiáng)電磁波對(duì)物體產(chǎn)生的壓力?W/?t能量守恒場(chǎng)能量變化率等于流入功率電磁波的極化線性極化：電場(chǎng)矢量在固定方向振動(dòng)圓極化：電場(chǎng)矢量繞傳播方向旋轉(zhuǎn)，幅值恒定橢圓極化：電場(chǎng)矢量繞傳播方向旋轉(zhuǎn)，幅值變化電磁波的反射與折射反射定律入射角等于反射角折射定律n?sinθ?=n?sinθ?全反射現(xiàn)象超過臨界角光無法透射電磁波的干涉干涉條件相干波源，固定相位差雙縫干涉兩束波疊加形成明暗條紋薄膜干涉表面反射波與內(nèi)部反射波疊加電磁波的衍射惠更斯-菲涅耳原理波前每點(diǎn)都是新波源單縫衍射光通過窄縫擴(kuò)展到幾何陰影區(qū)圓孔衍射形成中央亮斑和環(huán)形暗區(qū)電磁波譜射電波波長最長，通信應(yīng)用微波雷達(dá)與烹飪應(yīng)用紅外線熱成像與遙控應(yīng)用電磁波譜（續(xù)）可見光人眼可見彩虹七色波段紫外線消毒與材料分析應(yīng)用X射線和γ射線醫(yī)學(xué)成像與材料穿透電磁場(chǎng)的靜態(tài)近似靜電場(chǎng)近似忽略磁場(chǎng)影響適用于電荷靜止情況靜磁場(chǎng)近似忽略電場(chǎng)變化適用于恒定電流情況準(zhǔn)靜態(tài)近似低頻情況下簡(jiǎn)化忽略延遲效應(yīng)電磁場(chǎng)的邊界條件電場(chǎng)邊界條件切向分量連續(xù)，法向分量躍變磁場(chǎng)邊界條件法向分量連續(xù)，切向分量躍變應(yīng)用分析多介質(zhì)界面場(chǎng)分布電磁場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算方法有限差分法用差分近似微分方程有限元法區(qū)域劃分求解復(fù)雜結(jié)構(gòu)矩量法積分方程求解散射問題電磁兼容性電磁防護(hù)屏蔽與濾波技術(shù)電磁干擾輻射與傳導(dǎo)干擾接地技術(shù)降低干擾傳播途徑天線基礎(chǔ)基本原理電磁波發(fā)射與接收轉(zhuǎn)換器常見類型偶極、八木、拋物面天線關(guān)鍵參數(shù)增益、方向性、帶寬、阻抗傳輸線理論傳輸線方程：描述電壓電流沿線分布特性阻抗：傳輸線固有參數(shù)駐波：入射波與反射波疊加形成波導(dǎo)矩形波導(dǎo)常用于微波信號(hào)傳輸圓柱波導(dǎo)支持TE和TM模式傳播應(yīng)用雷達(dá)系統(tǒng)與通信鏈路諧振腔工作原理電磁波多次反射形成駐波Q值能量存儲(chǔ)與損耗比例應(yīng)用微波濾波與頻率標(biāo)準(zhǔn)電磁場(chǎng)與相對(duì)論1洛倫茲變換不同參考系中坐標(biāo)變換關(guān)系2相對(duì)論性電動(dòng)力學(xué)高速運(yùn)動(dòng)下電磁場(chǎng)規(guī)律3四維時(shí)空時(shí)間與空間統(tǒng)一描述電磁學(xué)與量子力學(xué)光電效應(yīng)光子能量激發(fā)電子逸出康普頓效應(yīng)光子與電子散射能量變化量子電動(dòng)力學(xué)場(chǎng)與粒子相互作用理論等離子體物理定義高度電離氣體第四態(tài)性質(zhì)準(zhǔn)電中性，集體行為，德拜屏蔽工業(yè)應(yīng)用等離子切割，核聚變研究超導(dǎo)電磁學(xué)超導(dǎo)現(xiàn)象零電阻，完全抗磁性邁斯納效應(yīng)超導(dǎo)體排斥外部磁場(chǎng)應(yīng)用強(qiáng)磁場(chǎng)設(shè)備，磁懸浮技術(shù)電磁場(chǎng)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用核磁共振成像利用氫原子核自旋特性無輻射損傷軟組織成像電療電場(chǎng)治療肌肉損傷促進(jìn)組織愈合與修復(fù)磁療磁場(chǎng)改善血液循環(huán)緩解疼痛與炎癥反應(yīng)電磁場(chǎng)在通信中的應(yīng)用無線通信：電磁波信息傳輸光纖通信：光波導(dǎo)高速傳輸衛(wèi)星通信：太空中繼站覆蓋廣電磁場(chǎng)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)電機(jī)原理機(jī)械能轉(zhuǎn)電能電磁感應(yīng)變壓器原理電磁感應(yīng)改變電壓電流無線電能傳輸共振耦合高效率能量傳遞電磁場(chǎng)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用磁懸浮列車超導(dǎo)體排斥磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)懸浮電動(dòng)汽車電磁驅(qū)動(dòng)高效無污染感應(yīng)充電無線電能傳輸便捷安全電磁場(chǎng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用電磁加熱感應(yīng)電流產(chǎn)生熱量電磁攪拌無接觸金屬液體混合電磁成型磁場(chǎng)力塑造金屬工件電磁場(chǎng)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用污染監(jiān)測(cè)電磁場(chǎng)強(qiáng)度檢測(cè)分析凈化技術(shù)電磁分離廢水處理氣象觀測(cè)雷達(dá)監(jiān)測(cè)風(fēng)云變化電磁場(chǎng)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用雷達(dá)技術(shù)目標(biāo)探測(cè)跟蹤識(shí)別電子對(duì)抗干擾敵方電磁設(shè)備隱身技術(shù)降低雷達(dá)反射截面電磁場(chǎng)與納米技術(shù)1-100nm納米天線光學(xué)天線操控亞波長光場(chǎng)SPR表面等離子體共振金屬表面電子集體振蕩10??納米光子學(xué)亞波長尺度光場(chǎng)調(diào)控電磁場(chǎng)與人工智能場(chǎng)仿真優(yōu)化機(jī)器學(xué)習(xí)加速電磁仿真智能材料設(shè)計(jì)人工智能預(yù)測(cè)材料電磁性能電磁感知技術(shù)智能系統(tǒng)電磁環(huán)境感知電磁場(chǎng)與新能源技術(shù)太陽能光伏：光電效應(yīng)能量轉(zhuǎn)換風(fēng)力發(fā)電：電磁感應(yīng)發(fā)電原理核聚變：強(qiáng)磁場(chǎng)等離子體約束電磁場(chǎng)安全與防護(hù)輻射標(biāo)準(zhǔn)限制電磁輻射暴露水平個(gè)人防護(hù)屏蔽材料與防護(hù)裝備屏蔽技術(shù)法拉第籠與吸波材料電磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量電場(chǎng)探頭與電位計(jì)磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量霍爾元件與磁通門功率測(cè)量功率計(jì)與頻譜分析儀電磁材料導(dǎo)磁材料高磁導(dǎo)率，低損耗1電介質(zhì)材料高介電常數(shù)，高擊穿強(qiáng)度復(fù)合材料多功能電磁性能設(shè)計(jì)電磁場(chǎng)可視化技術(shù)電場(chǎng)線可視化：電力線分布模擬磁力線可視化：鐵屑排列顯示電磁波傳播：波前推進(jìn)動(dòng)態(tài)模擬電磁場(chǎng)建模與仿真FDTD方法時(shí)域有限差分波動(dòng)分析有限元分析復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)場(chǎng)分布計(jì)算商業(yè)軟件HFSS,CST,COMSOL等工具電磁場(chǎng)與大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)分析電磁環(huán)境大數(shù)據(jù)處理預(yù)測(cè)模型電磁兼容性問題預(yù)警信號(hào)處理電磁信號(hào)提取與識(shí)別前沿研究方向超材料研究人工設(shè)計(jì)電磁特性新材料量子電磁學(xué)量子尺度電磁交互研究拓?fù)潆姶艑W(xué)拓?fù)浔Ｗo(hù)電磁態(tài)應(yīng)用電磁學(xué)的未來發(fā)展6G通信太赫茲頻段高速通信太赫茲技術(shù)填補(bǔ)微波與紅外技術(shù)空白光子集成超高速信息處理平臺(tái)課程總結(jié)主要概念電磁場(chǎng)基本理