《電磁學概要》課件

電磁學概要物理學核心分支電與磁相互關系探索技術進步的理論基礎課程簡介基礎理論掌握靜電場、恒定電流、磁場、電磁感應計算能力培養(yǎng)電磁場分布、力的計算、能量分析實驗技能訓練驗證電磁規(guī)律、培養(yǎng)實驗思維電磁學的重要性1技術創(chuàng)新基礎現(xiàn)代電子設備發(fā)展核心2工業(yè)生產(chǎn)支柱電力系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡關鍵理論3物理學里程碑統(tǒng)一電與磁的基本理論課程內(nèi)容概覽1靜電學基礎電荷、電場、電勢2恒定電流電流密度、歐姆定律3磁場磁感應、安培定律4電磁感應法拉第定律、自感互感5麥克斯韋方程組場論統(tǒng)一表述6電磁波性質、傳播、應用7工程應用電機、變壓器、屏蔽第一章：靜電學基礎電荷性質正負電荷、守恒定律庫侖力電荷間相互作用電場理論場強、電勢、能量實際應用電容器、電介質電荷的基本性質電荷量子化電荷總是基本電荷的整數(shù)倍e=1.602×10^-19庫侖電荷守恒孤立系統(tǒng)中電荷總量保持不變創(chuàng)生與湮滅成對出現(xiàn)電荷疊加性多個電荷的合力等于單個力的矢量和適用于庫侖力與電場庫侖定律1點電荷間相互作用力F=k|q?q?|/r22比例關系力與電荷乘積成正比、與距離平方成反比3庫侖常數(shù)k=9×10?N·m2/C2電場的概念場概念引入空間每點具有特定電場強度1超距作用解釋電荷通過場傳遞力2電場線表示指示電場方向和強度3場源為電荷場強與源電荷成正比4電場強度F/q定義公式單位正電荷所受電場力N/C單位牛頓/庫侖kq/r2點電荷電場與距離平方成反比電場線正電荷出發(fā)從正電荷出發(fā)指向負電荷電場線走向遵循力線概念切線方向任一點切線方向即電場方向線密度表示場強大小基本特性電場線不相交始于正電荷或無窮遠終于負電荷或無窮遠高斯定理電通量定義Φ=∮E·dS1內(nèi)部電荷與通量關系Φ=Q/ε?2高斯面選擇利用對稱性簡化計算3應用范圍球、柱、平面對稱電場4電勢能和電勢電場力做功W=-∫F·dr電勢能Ep=qV電勢V=-∫E·dr等勢面電勢相等的點組成的面靜電場中的導體靜電平衡條件導體內(nèi)部電場為零表面電荷分布電荷只分布在導體表面法拉第籠效應內(nèi)部無外電場影響等勢體導體各點電勢相等電容器靜電場中的電介質介質極化分子偶極矩定向排列相對介電常數(shù)表示介質削弱電場能力增大電容C=εC?儲能作用電場能量增加第二章：恒定電流電流和電流密度電流定義單位時間通過橫截面電荷量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、長度、截面積有關電源電動勢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)點電壓法以節(jié)點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：磁場磁場源電流、磁鐵產(chǎn)生磁場磁場檢測羅盤、霍爾元件磁場線閉合曲線表示磁場磁感應強度方向、大小描述磁場磁場的概念磁場定義電流或運動電荷周圍空間狀態(tài)能對其他電流或運動電荷施力磁場特性矢量場磁力線閉合無磁單極存在磁場源電流是磁場源永磁體內(nèi)部微觀電流運動電荷磁感應強度1物理量定義描述磁場強弱方向的矢量2單位特斯拉(T)3磁力線密度單位面積穿過磁力線條數(shù)畢奧-薩伐爾定律基本表達式dB=(μ?/4π)·(Idl×r)/r3直線電流磁場B=(μ?I)/(2πr)圓形電流磁場圓心B=μ?I/(2R)螺線管磁場內(nèi)部B=μ?nI安培環(huán)路定理數(shù)學表述∮B·dl=μ?I直線電流應用簡化計算過程螺線管內(nèi)場B=μ?nI磁場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帶電粒子在磁場中的運動圓周運動螺旋運動直線運動漂移運動霍爾效應物理原理電流在磁場中產(chǎn)生橫向電壓載流子偏轉積累霍爾電壓UH=(BI)/(neD)與磁場強度成正比應用磁場傳感器電流測量載流子類型判定第四章：電磁感應磁通量變化Φ=B·S·cosθ2感應電動勢E=-dΦ/dt感應電流I=E/R能量轉換機械能→電能法拉第電磁感應定律楞次定律1234感應電流方向阻礙引起感應的磁通變化能量守恒體現(xiàn)必須做功克服阻礙作用磁場能量轉化外部能量→電能→熱能判斷方法右手定則反向應用自感和互感自感線圈電流變化自感電動勢E=-L(dI/dt)自感系數(shù)L與線圈結構有關互感一線圈電流變化感應另一線圈E?=-M(dI?/dt)互感系數(shù)M與兩線圈位置有關電感元件儲存磁場能量電路中阻止電流突變相當于磁場"慣性"磁場能量?LI2電感儲能與電流平方成正比B2/2μ?磁場能量密度每單位體積儲存能量J能量單位焦耳渦流1發(fā)熱效應電能轉化為熱能2阻尼效應磁懸浮列車剎車3趨膚效應高頻電流集中于表面位移電流概念引入麥克斯韋假設電場變化產(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)一四個方程完整描述電磁現(xiàn)象場論觀點以電磁場作為物質存在形式電磁波預言理論導出電磁波傳播速度麥克斯韋方程組的物理意義1高斯電場定律電荷產(chǎn)生電場2高斯磁場定律磁力線閉合無磁單極3法拉第感應定律變化磁場產(chǎn)生電場4安培-麥克斯韋定律電流與變化電場產(chǎn)生磁場高斯電場定律積分形式∮E·dS=q/ε?微分形式?·E=ρ/ε?物理含義電荷是電場源通量解釋穿出閉合面通量與內(nèi)電荷成比例高斯磁場定律積分形式∮B·dS=0閉合面磁通量恒為零微分形式?·B=0磁場無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物理含義變化磁場產(chǎn)生旋轉電場感應電動勢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)路磁場與內(nèi)部電流和位移電流有關微分形式?×B=μ?j+μ?ε?(?E/?t)磁場旋度與電流密度和電場變化率有關物理含義電流和變化電場產(chǎn)生旋轉磁場麥克斯韋對經(jīng)典安培定律的修正麥克斯韋方程組的統(tǒng)一性電磁場統(tǒng)一電場磁場相互轉化波動方程推導解出電磁波速度與相對論聯(lián)系電磁理論推動相對論發(fā)展第六章：電磁波波動性質振動電磁場傳播1傳播速度真空中等于光速2波譜分類無線電波至伽馬射線3能量傳輸不需介質的能量傳播形式4電磁波的產(chǎn)生加速電荷產(chǎn)生電磁波基本機制振蕩電流天線中高頻振蕩電流原子躍遷電子軌道能級變化帶電粒子減速如軔致輻射、同步輻射電磁波的性質1電磁場垂直振蕩電場磁場相互垂直2橫波特性振動方向垂直于傳播方向3能量傳輸坡印廷矢量S=E×H4波動現(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介質中傳播速度v=c/√ε?3導體邊界條件反射與透射定律電磁波的應用第七章：電磁學在工程中的應用動力系統(tǒng)電動機、發(fā)電機能量傳輸變壓器、電力網(wǎng)絡傳感技術電磁傳感器信息通信天線、電磁波傳輸醫(yī)療設備MRI、射線成像電動機原理電磁力產(chǎn)生F=ILB轉矩形成閉合電流與磁場相互作用換向機制保持轉矩方向一致效率提高減少能量損耗方法發(fā)電機原理電磁感應現(xiàn)象線圈在磁場中旋轉交流發(fā)電機產(chǎn)生正弦交變電壓直流發(fā)電機換向器整流作用變壓器原理電磁感應基礎互感現(xiàn)象閉合磁路耦合原、副邊線圈變壓比關系N?/N?=V?/V?=I?/I?電壓與匝數(shù)比例、電流反比能量轉換輸入功率≈輸出功率損耗：鐵損、銅損電磁屏蔽1法拉第籠效應金屬外殼阻隔電場2渦流屏蔽變化磁場在導體中產(chǎn)生反向磁場3高頻屏蔽趨膚效應與反射電磁兼容性電磁干擾(EMI)設備產(chǎn)生的雜散電磁能量傳導干擾與輻射干擾電磁敏感性(EMS)設備對外部干擾的敏感程度抗干擾能力測試EMC設計濾波、屏蔽、接地技術PCB布局與布線優(yōu)化第八章：前沿課題和未來展望量子電動力學微觀電磁相互作用量子理論新型電磁材料超導體、磁性材料研究電磁波新應用太赫茲技術、光子學能量收集技術電磁能量捕獲與轉換電磁學的最新研究進展10nm納米電磁