《電磁學(xué)原理與應(yīng)用》課件

電磁學(xué)原理與應(yīng)用電磁學(xué)是物理學(xué)重要分支，研究電場、磁場及其相互作用本課程涵蓋基礎(chǔ)理論與現(xiàn)代應(yīng)用，深入淺出地探索電磁現(xiàn)象課程概述電磁學(xué)的重要性現(xiàn)代技術(shù)基礎(chǔ)課程內(nèi)容安排理論基礎(chǔ)到實(shí)際應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握核心概念和解決問題能力電磁學(xué)簡史1古代認(rèn)知古希臘琥珀現(xiàn)象218-19世紀(jì)突破法拉第、安培重大發(fā)現(xiàn)320世紀(jì)完善量子電動(dòng)力學(xué)建立電荷與庫侖定律電荷基本性質(zhì)正負(fù)相互作用庫侖定律數(shù)學(xué)表達(dá)F=k|q?q?|/r2應(yīng)用實(shí)例靜電吸引與排斥電場概念電場定義電荷周圍的力場電場強(qiáng)度計(jì)算E=F/q電場線特點(diǎn)從正電荷指向負(fù)電荷高斯定律物理意義表示電荷與電場的關(guān)系高斯面選擇利用對(duì)稱性簡化計(jì)算數(shù)學(xué)表達(dá)∮E·dA=Q/ε?電勢能與電勢靜電場中的勢能保守場中的功與位置U=qV電勢定義和計(jì)算單位電荷的電勢能V=U/q等勢面概念電勢相等的點(diǎn)構(gòu)成的面與電場線垂直導(dǎo)體與靜電平衡導(dǎo)體中電荷分布表面分布，內(nèi)部場強(qiáng)為零靜電屏蔽現(xiàn)象金屬殼內(nèi)無外電場影響尖端放電效應(yīng)尖端處電場強(qiáng)度大電容器工作原理儲(chǔ)存電荷和電場能量常見類型平行板、圓柱、球形串并聯(lián)串聯(lián)1/C=Σ(1/C?)，并聯(lián)C=ΣC?介質(zhì)中的靜電場極化現(xiàn)象分子偶極矩排列電位移矢量D=ε?E+P介質(zhì)中高斯定律∮D·dA=Qf靜電場的能量1應(yīng)用電容儲(chǔ)能，靜電馬達(dá)2總能量系統(tǒng)中電荷的總勢能3能量密度u=?ε?E2恒定電流1電流密度和歐姆定律j=σE，I=U/R2電源和電動(dòng)勢提供能量維持電流3基爾霍夫定律電流和電壓的守恒磁場概念磁場定義和性質(zhì)運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生的場沒有磁單極子磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量B表示方向和大小單位：特斯拉(T)磁力線特點(diǎn)閉合曲線從N極出，S極入畢奧-薩伐爾定律定律表示電流元產(chǎn)生的磁場：dB=(μ?/4π)·(Idl×r?)/r2適用于計(jì)算各種形狀導(dǎo)線的磁場安培環(huán)路定理物理意義電流與環(huán)路磁場的關(guān)系應(yīng)用條件高對(duì)稱性問題數(shù)學(xué)表達(dá)∮B·dl=μ?I磁場中的力洛倫茲力F=qv×B電流受力F=IL×B霍爾效應(yīng)UH=RHIxBy/d磁場力總是垂直于運(yùn)動(dòng)方向可用右手定則確定力的方向磁偶極矩定義電流環(huán)的磁效應(yīng)磁場中行為受力矩，趨于平行磁場應(yīng)用實(shí)例指南針，電動(dòng)機(jī)磁介質(zhì)順磁性微弱吸引，μr略大于11抗磁性微弱排斥，μr略小于12鐵磁性強(qiáng)烈吸引，μr遠(yuǎn)大于13磁滯現(xiàn)象磁化曲線不重合4電磁感應(yīng)1831發(fā)現(xiàn)年份法拉第實(shí)驗(yàn)dΦ/dt感應(yīng)電動(dòng)勢磁通量變化率-LdI/dt自感電動(dòng)勢阻礙電流變化自感和互感自感系數(shù)L=Φ/I單位：亨利(H)互感系數(shù)M=Φ??/I?M=M??=M??變壓器原理U?/U?=N?/N?能量轉(zhuǎn)換裝置磁場能量磁場能量密度u=B2/2μ?電感儲(chǔ)能W=?LI2磁場能量應(yīng)用電感器，磁懸浮位移電流位移電流概念變化電場產(chǎn)生的"電流"麥克斯韋修正補(bǔ)充安培定理電磁場統(tǒng)一電場磁場相互轉(zhuǎn)化麥克斯韋方程組高斯電場定律?·E=ρ/ε?高斯磁場定律?·B=0法拉第定律?×E=-?B/?t安培-麥克斯韋定律?×B=μ?j+μ?ε??E/?t電磁波1應(yīng)用通信，醫(yī)療，雷達(dá)2傳播特性橫波，c=1/√(μ?ε?)3產(chǎn)生方式加速電荷輻射電磁波的能量和動(dòng)量坡印廷矢量S=E×H輻射壓強(qiáng)p=u(1+R)能量守恒能流密度與強(qiáng)度關(guān)系電磁波的反射和折射入射角(°)反射率透射率電磁波的干涉和衍射楊氏雙縫干涉明暗相間條紋菲涅耳衍射近場衍射現(xiàn)象夫瑯禾費(fèi)衍射遠(yuǎn)場衍射圖樣電磁波的極化線偏振光電場在一個(gè)平面振動(dòng)圓偏振光電場矢量做圓周運(yùn)動(dòng)橢圓偏振光電場矢量做橢圓運(yùn)動(dòng)電磁場與相對(duì)論1洛倫茲變換坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換關(guān)系2相對(duì)論性電動(dòng)力學(xué)高速帶電粒子行為3四維時(shí)空電磁張量統(tǒng)一表述靜電學(xué)應(yīng)用靜電復(fù)印光導(dǎo)體成像靜電噴涂均勻涂層技術(shù)靜電除塵器工業(yè)廢氣處理電容器應(yīng)用濾波平滑電壓波動(dòng)存儲(chǔ)DRAM存儲(chǔ)單元超級(jí)電容大容量能量存儲(chǔ)觸摸屏電容式感應(yīng)技術(shù)磁學(xué)應(yīng)用：磁記錄磁帶順序存儲(chǔ)介質(zhì)硬盤高密度隨機(jī)存儲(chǔ)磁條卡信用卡、門禁卡磁懸浮列車電磁懸浮和推進(jìn)電磁感應(yīng)應(yīng)用發(fā)電機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)電能感應(yīng)加熱電磁爐原理無線充電電磁耦合能量傳輸變壓器及其應(yīng)用電力傳輸升壓降損耗，降壓保安全電子變壓器小型化高頻設(shè)計(jì)儀器儀表電流電壓變換與隔離電動(dòng)機(jī)原理與應(yīng)用直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速易控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定維護(hù)成本低特種電機(jī)步進(jìn)電機(jī)：精確定位伺服電機(jī)：精準(zhǔn)控制電磁波通信無線電原理調(diào)制解調(diào)技術(shù)移動(dòng)通信蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)衛(wèi)星通信全球覆蓋系統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)最大探測距離(km)分辨率(m)電磁波在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用X射線成像骨骼和組織密度顯影核磁共振成像軟組織清晰顯示微波治療熱效應(yīng)治療腫瘤光纖通信光纖原理全反射光傳輸光源與檢測器激光器與光電二極管通信系統(tǒng)大容量長距離傳輸傳感應(yīng)用溫度、壓力、變形測量電磁兼容性1電磁干擾設(shè)備間相互影響2屏蔽技術(shù)金屬外殼、特殊涂層3EMC測試輻射與抗擾度標(biāo)準(zhǔn)天線技術(shù)微波技術(shù)微波傳輸線同軸線、波導(dǎo)管阻抗匹配關(guān)鍵微波元器件環(huán)行器、分配器濾波器、混頻器微波爐原理諧振腔增強(qiáng)場強(qiáng)水分子振動(dòng)生熱等離子體物理10?K典型溫度高溫電離狀態(tài)99%宇宙物質(zhì)占比恒星內(nèi)部形態(tài)102?/m3聚變堆密度磁約束技術(shù)超導(dǎo)電磁學(xué)應(yīng)用強(qiáng)磁場、磁懸浮邁斯納效應(yīng)完全抗磁性零電阻臨界溫度下無損耗電磁波與材料相互作用金屬穿透深度(mm)介質(zhì)穿透深度(m)光電效應(yīng)及其應(yīng)用光電效應(yīng)原理光子能量大于功函數(shù)光電池技術(shù)光能直接轉(zhuǎn)電能光電傳感器光強(qiáng)測量、自動(dòng)控制磁共振技術(shù)核磁共振原子核自旋能級(jí)躍遷電子自旋共振電子在磁場中能級(jí)分裂波譜儀分子結(jié)構(gòu)分析電磁場數(shù)值模擬有限差分時(shí)域法時(shí)間步進(jìn)算法適合寬頻帶分析有限元法空間離散化適合復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)矩量法積分方程求解適合大尺度開放問題電磁超材料負(fù)折射率材料人工設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)電磁隱身技術(shù)控制電磁波傳播路徑超材料天線小型化高增益設(shè)計(jì)量子電動(dòng)力學(xué)量子化電磁場光子作為場量子光與物質(zhì)相互作用受激輻射與吸收卡西米爾效應(yīng)真空漲落產(chǎn)生力電磁學(xué)在粒子物理中的應(yīng)用粒子加速器電磁場加速帶電粒子粒子探測器電離輻射測量同步輻射光源高亮度X射線源太陽電磁活動(dòng)地球磁場起源外核流體發(fā)電機(jī)效應(yīng)變化磁極移動(dòng)，強(qiáng)度波動(dòng)生物影響遷徙動(dòng)物導(dǎo)航機(jī)制電磁導(dǎo)航技術(shù)GPS原理衛(wèi)星信號(hào)時(shí)間差定位慣性導(dǎo)航加速度積分得位置電磁羅盤地磁場方向感應(yīng)電磁發(fā)射技術(shù)2500m/s電磁炮速度洛倫茲力加速300G彈射加速度航母起飛系統(tǒng)100kW電磁制動(dòng)功率高速列車減速系統(tǒng)電磁聲學(xué)轉(zhuǎn)換揚(yáng)聲器原理電流磁場產(chǎn)生振動(dòng)聲音信號(hào)重放麥克風(fēng)技術(shù)聲波引起電磁感應(yīng)動(dòng)圈、電容、壓電式超聲換能器高頻聲波轉(zhuǎn)換醫(yī)學(xué)成像、無損檢測電磁無損檢測渦流檢測導(dǎo)電材料缺陷檢查磁粉探傷表面與近表面裂紋檢測電磁超聲檢測無需耦合劑的聲波檢測電磁學(xué)