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2024-02-03

电磁场专业选修课课件

电磁场基本理论

静电场分析

恒定电场与恒定磁场

时变电磁场分析

电磁场数值计算方法

电磁场测量技术

目录

01

电磁场基本理论

电磁场定义

电磁场是由变化的电场和磁场相互激发而在空间形成的特殊物质形态，具有能量和动量。

电磁场性质

电磁场具有物质性、波动性和矢量性等特点，遵循麦克斯韦方程组描述的基本规律。

电磁场与电磁波关系

电磁波是电磁场的一种表现形式，具有传播速度快、穿透能力强等特点。

03

泊松方程和拉普拉斯方程

在特定条件下，麦克斯韦方程组可以简化为泊松方程或拉普拉斯方程，用于求解静电场和静磁场问题。

01

麦克斯韦方程组

包括电场高斯定律、磁场高斯定律、法拉第电磁感应定律和安培环路定律，描述了电场和磁场的基本规律。

02

波动方程

由麦克斯韦方程组推导出的波动方程描述了电磁波在空间的传播特性。

电磁场能量

坡印廷矢量

电磁场动量

电磁力与电磁力矩

01

02

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04

电磁场具有能量，其大小与电场强度、磁场强度和媒质特性有关。

描述电磁场能量流动方向和大小的物理量，其方向与电磁波传播方向相同。

电磁场具有动量，与电磁波的传播方向和能量有关。

电磁场对带电粒子和电流元的作用力称为电磁力，对电流回路的作用力矩称为电磁力矩。

02

静电场分析

描述电场与空间中电荷分布的关系，是静电场的基本方程之一。

高斯定理

静电场的环路定理

泊松方程

表明静电场中电场线总是起始于正电荷，终止于负电荷，不会形成闭合环路。

描述静电场中电位与电荷分布的关系，是求解静电场问题的基本方程。

03

02

01

导体在静电场中达到静电平衡时，内部电场强度为零，电荷分布在导体表面。

导体中的静电场

介质在静电场中会发生极化现象，产生束缚电荷，影响电场的分布。

介质中的静电场

导体与介质分界面上的电场强度和电位满足一定的边界条件，是求解静电场问题的重要依据。

边界条件

静电场具有能量，其大小与电场强度和电位分布有关，可以通过电场能量密度进行描述。

静电场能量

静电场对放入其中的电荷有力的作用，该力的大小与电荷量和电场强度有关。

电场力

电场力在许多领域都有广泛的应用，如电子设备、电力工业、生物医学等。

电场力的应用

03

恒定电场与恒定磁场

1

2

3

在静电场中，穿过任一闭合曲面的电场强度通量等于该曲面所包围的电荷的代数和除以真空中的介电常数。

高斯定理

在恒定电场中，电位满足拉普拉斯方程或泊松方程，通过求解该方程可以得到电场分布。

电位方程

在恒定电场中，电流密度矢量满足电流连续性方程，即电流密度的散度等于该点电荷密度的变化率。

电流连续性方程

恒定磁场中，磁感应强度B满足磁场的高斯定理，即磁感应强度B的闭合曲面积分为零。

磁感应强度方程

在恒定磁场中，磁感应强度B沿任何闭合路径的线积分等于穿过该路径所包围的电流的代数和的μ0倍。

安培环路定律

引入磁场强度H，使得H与B之间满足一定的本构关系，进而得到磁场强度H的方程。

磁场强度方程

磁化现象

01

磁介质在磁场作用下会产生磁化现象，即磁介质内部会出现分子电流或磁畴的有序排列。

磁化强度与磁化电流

02

描述磁化现象的物理量包括磁化强度和磁化电流，它们与磁场强度H和磁感应强度B之间存在一定的关系。

磁介质中的安培环路定律

03

在磁介质中，安培环路定律需要加入磁化电流的影响，进而得到修正后的安培环路定律。

法拉第电磁感应定律

闭合电路中感应电动势等于穿过该电路的磁通量变化的负导数。

楞次定律

感应电流的方向总是要阻碍产生它的磁通量的变化。

自感与互感

自感是指导体本身电流发生变化时，在导体本身产生的电磁感应现象；互感是指两个相邻导体中，一个导体电流发生变化时，在另一个导体上产生的电磁感应现象。

04

时变电磁场分析

麦克斯韦方程组

描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程组。

随时间按正弦或余弦规律变化的电磁场。

时谐电磁场

用复数表示时谐电磁场，简化计算和分析过程。

复数表示法

描述时谐电磁场的重要参数，相位表示波形的偏移，振幅表示波形的幅度。

相位和振幅

电磁波传播

电磁波在媒质中的传播特性，包括传播速度、衰减等。

电磁辐射

电磁波由源向空间传播的过程，包括辐射功率、辐射方向图等。

天线原理

天线作为电磁波辐射和接收的装置，其工作原理和性能参数。

05

电磁场数值计算方法

有限差分法是一种数值求解偏微分方程的方法，它将连续的求解区域用有限个离散点构成的网格来代替，将微分问题转化为差分问题，通过求解差分方程组来逼近微分方程的解。

原理

有限差分法在电磁场计算中广泛应用于求解各种电磁场问题，如静电场、恒定电场、时变电磁场等。它可以处理复杂边界和媒质分布问题，具有较高的计算精度和效率。

应用

有限元法是一种基于变分原理和剖分插