《電磁學(xué)概要》課件

電磁學(xué)概要物理學(xué)核心分支電與磁相互關(guān)系探索技術(shù)進(jìn)步的理論基礎(chǔ)課程簡(jiǎn)介基礎(chǔ)理論掌握靜電場(chǎng)、恒定電流、磁場(chǎng)、電磁感應(yīng)計(jì)算能力培養(yǎng)電磁場(chǎng)分布、力的計(jì)算、能量分析實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練驗(yàn)證電磁規(guī)律、培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)思維電磁學(xué)的重要性1技術(shù)創(chuàng)新基礎(chǔ)現(xiàn)代電子設(shè)備發(fā)展核心2工業(yè)生產(chǎn)支柱電力系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵理論3物理學(xué)里程碑統(tǒng)一電與磁的基本理論課程內(nèi)容概覽1靜電學(xué)基礎(chǔ)電荷、電場(chǎng)、電勢(shì)2恒定電流電流密度、歐姆定律3磁場(chǎng)磁感應(yīng)、安培定律4電磁感應(yīng)法拉第定律、自感互感5麥克斯韋方程組場(chǎng)論統(tǒng)一表述6電磁波性質(zhì)、傳播、應(yīng)用7工程應(yīng)用電機(jī)、變壓器、屏蔽第一章：靜電學(xué)基礎(chǔ)電荷性質(zhì)正負(fù)電荷、守恒定律庫(kù)侖力電荷間相互作用電場(chǎng)理論場(chǎng)強(qiáng)、電勢(shì)、能量實(shí)際應(yīng)用電容器、電介質(zhì)電荷的基本性質(zhì)電荷量子化電荷總是基本電荷的整數(shù)倍e=1.602×10^-19庫(kù)侖電荷守恒孤立系統(tǒng)中電荷總量保持不變創(chuàng)生與湮滅成對(duì)出現(xiàn)電荷疊加性多個(gè)電荷的合力等于單個(gè)力的矢量和適用于庫(kù)侖力與電場(chǎng)庫(kù)侖定律1點(diǎn)電荷間相互作用力F=k|q?q?|/r22比例關(guān)系力與電荷乘積成正比、與距離平方成反比3庫(kù)侖常數(shù)k=9×10?N·m2/C2電場(chǎng)的概念場(chǎng)概念引入空間每點(diǎn)具有特定電場(chǎng)強(qiáng)度1超距作用解釋電荷通過(guò)場(chǎng)傳遞力2電場(chǎng)線表示指示電場(chǎng)方向和強(qiáng)度3場(chǎng)源為電荷場(chǎng)強(qiáng)與源電荷成正比4電場(chǎng)強(qiáng)度F/q定義公式單位正電荷所受電場(chǎng)力N/C單位牛頓/庫(kù)侖kq/r2點(diǎn)電荷電場(chǎng)與距離平方成反比電場(chǎng)線正電荷出發(fā)從正電荷出發(fā)指向負(fù)電荷電場(chǎng)線走向遵循力線概念切線方向任一點(diǎn)切線方向即電場(chǎng)方向線密度表示場(chǎng)強(qiáng)大小基本特性電場(chǎng)線不相交始于正電荷或無(wú)窮遠(yuǎn)終于負(fù)電荷或無(wú)窮遠(yuǎn)高斯定理電通量定義Φ=∮E·dS1內(nèi)部電荷與通量關(guān)系Φ=Q/ε?2高斯面選擇利用對(duì)稱性簡(jiǎn)化計(jì)算3應(yīng)用范圍球、柱、平面對(duì)稱電場(chǎng)4電勢(shì)能和電勢(shì)電場(chǎng)力做功W=-∫F·dr電勢(shì)能Ep=qV電勢(shì)V=-∫E·dr等勢(shì)面電勢(shì)相等的點(diǎn)組成的面靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體靜電平衡條件導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)為零表面電荷分布電荷只分布在導(dǎo)體表面法拉第籠效應(yīng)內(nèi)部無(wú)外電場(chǎng)影響等勢(shì)體導(dǎo)體各點(diǎn)電勢(shì)相等電容器靜電場(chǎng)中的電介質(zhì)介質(zhì)極化分子偶極矩定向排列相對(duì)介電常數(shù)表示介質(zhì)削弱電場(chǎng)能力增大電容C=εC?儲(chǔ)能作用電場(chǎng)能量增加第二章：恒定電流電流和電流密度電流定義單位時(shí)間通過(guò)橫截面電荷量I=dq/dt單位：安培(A)電流密度單位面積上的電流j=I/S單位：A/m2微觀解釋電荷載流子定向移動(dòng)j=nqvdn為載流子密度，vd為漂移速度歐姆定律微觀歐姆定律j=σE電流密度與電場(chǎng)成正比宏觀歐姆定律I=U/R電流與電壓成正比，與電阻成反比電阻因素R=ρL/S與材料、長(zhǎng)度、截面積有關(guān)電源電動(dòng)勢(shì)非靜電力做功能力內(nèi)阻電源內(nèi)部電阻端電壓U=E-Ir最大輸出功率當(dāng)外阻等于內(nèi)阻基爾霍夫定律基爾霍夫電流定律(KCL)節(jié)點(diǎn)電流代數(shù)和為零∑I=0體現(xiàn)電荷守恒基爾霍夫電壓定律(KVL)閉合回路電壓代數(shù)和為零∑U=0體現(xiàn)能量守恒電路分析方法支路電流法以支路電流為未知量回路電流法以閉合回路電流為未知量節(jié)點(diǎn)電壓法以節(jié)點(diǎn)電壓為未知量疊加原理多電源電路分析焦耳定律I2R電阻功率公式電流平方與電阻乘積UI電壓電流公式電壓與電流乘積U2/R電壓形式電壓平方與電阻比值第三章：磁場(chǎng)磁場(chǎng)源電流、磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)磁場(chǎng)檢測(cè)羅盤、霍爾元件磁場(chǎng)線閉合曲線表示磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度方向、大小描述磁場(chǎng)磁場(chǎng)的概念磁場(chǎng)定義電流或運(yùn)動(dòng)電荷周圍空間狀態(tài)能對(duì)其他電流或運(yùn)動(dòng)電荷施力磁場(chǎng)特性矢量場(chǎng)磁力線閉合無(wú)磁單極存在磁場(chǎng)源電流是磁場(chǎng)源永磁體內(nèi)部微觀電流運(yùn)動(dòng)電荷磁感應(yīng)強(qiáng)度1物理量定義描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱方向的矢量2單位特斯拉(T)3磁力線密度單位面積穿過(guò)磁力線條數(shù)畢奧-薩伐爾定律基本表達(dá)式dB=(μ?/4π)·(Idl×r)/r3直線電流磁場(chǎng)B=(μ?I)/(2πr)圓形電流磁場(chǎng)圓心B=μ?I/(2R)螺線管磁場(chǎng)內(nèi)部B=μ?nI安培環(huán)路定理數(shù)學(xué)表述∮B·dl=μ?I直線電流應(yīng)用簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程螺線管內(nèi)場(chǎng)B=μ?nI磁場(chǎng)中的電流受力電流元受力dF=Idl×B右手定則判斷力的方向直線電流受力F=ILBsinθ閉合電流受力矩M=NIAB×B帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)圓周運(yùn)動(dòng)螺旋運(yùn)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)霍爾效應(yīng)物理原理電流在磁場(chǎng)中產(chǎn)生橫向電壓載流子偏轉(zhuǎn)積累霍爾電壓UH=(BI)/(neD)與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比應(yīng)用磁場(chǎng)傳感器電流測(cè)量載流子類型判定第四章：電磁感應(yīng)磁通量變化Φ=B·S·cosθ2感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=-dΦ/dt感應(yīng)電流I=E/R能量轉(zhuǎn)換機(jī)械能→電能法拉第電磁感應(yīng)定律楞次定律1234感應(yīng)電流方向阻礙引起感應(yīng)的磁通變化能量守恒體現(xiàn)必須做功克服阻礙作用磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化外部能量→電能→熱能判斷方法右手定則反向應(yīng)用自感和互感自感線圈電流變化自感電動(dòng)勢(shì)E=-L(dI/dt)自感系數(shù)L與線圈結(jié)構(gòu)有關(guān)互感一線圈電流變化感應(yīng)另一線圈E?=-M(dI?/dt)互感系數(shù)M與兩線圈位置有關(guān)電感元件儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量電路中阻止電流突變相當(dāng)于磁場(chǎng)"慣性"磁場(chǎng)能量?LI2電感儲(chǔ)能與電流平方成正比B2/2μ?磁場(chǎng)能量密度每單位體積儲(chǔ)存能量J能量單位焦耳渦流1發(fā)熱效應(yīng)電能轉(zhuǎn)化為熱能2阻尼效應(yīng)磁懸浮列車剎車3趨膚效應(yīng)高頻電流集中于表面位移電流概念引入麥克斯韋假設(shè)電場(chǎng)變化產(chǎn)生Id=ε?(dE/dt)·S電流連續(xù)性保證全電流概念完整電磁波存在依據(jù)驗(yàn)證麥克斯韋理論第五章：麥克斯韋方程組1電磁理論統(tǒng)一四個(gè)方程完整描述電磁現(xiàn)象場(chǎng)論觀點(diǎn)以電磁場(chǎng)作為物質(zhì)存在形式電磁波預(yù)言理論導(dǎo)出電磁波傳播速度麥克斯韋方程組的物理意義1高斯電場(chǎng)定律電荷產(chǎn)生電場(chǎng)2高斯磁場(chǎng)定律磁力線閉合無(wú)磁單極3法拉第感應(yīng)定律變化磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)4安培-麥克斯韋定律電流與變化電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)高斯電場(chǎng)定律積分形式∮E·dS=q/ε?微分形式?·E=ρ/ε?物理含義電荷是電場(chǎng)源通量解釋穿出閉合面通量與內(nèi)電荷成比例高斯磁場(chǎng)定律積分形式∮B·dS=0閉合面磁通量恒為零微分形式?·B=0磁場(chǎng)無(wú)散度物理含義不存在磁單極磁力線總是閉合曲線法拉第感應(yīng)定律積分形式∮E·dl=-dΦ/dt微分形式?×E=-?B/?t物理含義變化磁場(chǎng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量變化率成正比安培-麥克斯韋定律積分形式∮B·dl=μ?I+μ?ε?(dΦ?/dt)閉合環(huán)路磁場(chǎng)與內(nèi)部電流和位移電流有關(guān)微分形式?×B=μ?j+μ?ε?(?E/?t)磁場(chǎng)旋度與電流密度和電場(chǎng)變化率有關(guān)物理含義電流和變化電場(chǎng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)麥克斯韋對(duì)經(jīng)典安培定律的修正麥克斯韋方程組的統(tǒng)一性電磁場(chǎng)統(tǒng)一電場(chǎng)磁場(chǎng)相互轉(zhuǎn)化波動(dòng)方程推導(dǎo)解出電磁波速度與相對(duì)論聯(lián)系電磁理論推動(dòng)相對(duì)論發(fā)展第六章：電磁波波動(dòng)性質(zhì)振動(dòng)電磁場(chǎng)傳播1傳播速度真空中等于光速2波譜分類無(wú)線電波至伽馬射線3能量傳輸不需介質(zhì)的能量傳播形式4電磁波的產(chǎn)生加速電荷產(chǎn)生電磁波基本機(jī)制振蕩電流天線中高頻振蕩電流原子躍遷電子軌道能級(jí)變化帶電粒子減速如軔致輻射、同步輻射電磁波的性質(zhì)1電磁場(chǎng)垂直振蕩電場(chǎng)磁場(chǎng)相互垂直2橫波特性振動(dòng)方向垂直于傳播方向3能量傳輸坡印廷矢量S=E×H4波動(dòng)現(xiàn)象反射、折射、干涉、衍射、極化電磁波譜電磁波的傳播1真空傳播速度c=1/√(μ?ε?)2介質(zhì)中傳播速度v=c/√ε?3導(dǎo)體邊界條件反射與透射定律電磁波的應(yīng)用第七章：電磁學(xué)在工程中的應(yīng)用動(dòng)力系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)能量傳輸變壓器、電力網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)電磁傳感器信息通信天線、電磁波傳輸醫(yī)療設(shè)備MRI、射線成像電動(dòng)機(jī)原理電磁力產(chǎn)生F=ILB轉(zhuǎn)矩形成閉合電流與磁場(chǎng)相互作用換向機(jī)制保持轉(zhuǎn)矩方向一致效率提高減少能量損耗方法發(fā)電機(jī)原理電磁感應(yīng)現(xiàn)象線圈在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生正弦交變電壓直流發(fā)電機(jī)換向器整流作用變壓器原理電磁感應(yīng)基礎(chǔ)互感現(xiàn)象閉合磁路耦合原、副邊線圈變壓比關(guān)系N?/N?=V?/V?=I?/I?電壓與匝數(shù)比例、電流反比能量轉(zhuǎn)換輸入功率≈輸出功率損耗：鐵損、銅損電磁屏蔽1法拉第籠效應(yīng)金屬外殼阻隔電場(chǎng)2渦流屏蔽變化磁場(chǎng)在導(dǎo)體中產(chǎn)生反向磁場(chǎng)3高頻屏蔽趨膚效應(yīng)與反射電磁兼容性電磁干擾(EMI)設(shè)備產(chǎn)生的雜散電磁能量傳導(dǎo)干擾與輻射干擾電磁敏感性(EMS)設(shè)備對(duì)外部干擾的敏感程度抗干擾能力測(cè)試EMC設(shè)計(jì)濾波、屏蔽、接地技術(shù)PCB布局與布線優(yōu)化第八章：前沿課題和未來(lái)展望量子電動(dòng)力學(xué)微觀電磁相互作用量子理論新型電磁材料超導(dǎo)體、磁性材料研究電磁波新應(yīng)用太赫茲技術(shù)、光子學(xué)能量收集技術(shù)電磁能量捕獲與轉(zhuǎn)換電磁學(xué)的最新研究進(jìn)展10nm納米電磁