《清华大学电磁学》课件

清华大学电磁学清华大学电磁学课程将带领您探索电磁现象的奥秘，学习相关的基本理论和应用课程简介课程名称课程目标《清华大学电磁学》学习电磁学的基本理论，掌握电磁场的基本概念和基本规律课程内容教学方式涵盖静电场、恒定电流场、磁场、电磁感应、电磁波等基础内课堂讲授、课后练习、实验教学相结合容电磁学的重要性现代科技基础深刻影响人类生活12电磁学是现代科技的基础，电磁学推动了人类社会发展从电力、通信到医疗设备，，改变了人们的生活方式，都离不开电磁学原理带来了前所未有的便利推动科学进步未来发展方向34电磁学的研究不断深化，推电磁学将继续发挥重要作用动着科学技术的发展，开拓，在能源、材料、信息等领了新的领域域引领新的突破电磁学在工程中的应用电力系统无线通信医疗设备电子工程电磁学原理用于电力系统的电磁波是无线通信的基础磁共振成像（）和核磁共电磁学原理用于电子元件的MRI设计和运行，包括发电、输天线的性能取决于电磁学原振（）等医疗设备利用设计和制造，例如电阻、电NMR电、配电和用电电磁感应理，而无线通信系统的设计电磁场来诊断疾病此外，容、电感、晶体管等电磁是发电机的核心原理，而电需要考虑电磁波的传播特性电磁学原理还用于医疗仪器场理论用于分析电路中的电磁场理论用于分析输电线的设计，例如心电图和脑电图磁干扰电磁干扰本课程的学习目标理解电磁场基本概念掌握电磁场方程掌握电场、磁场的基本理论和规律熟练运用方程组解决电磁场问题Maxwell掌握电磁场应用培养电磁场分析能力了解电磁场在工程技术中的应用能够运用所学知识解决实际问题电场电场是由于电荷的存在而产生的空间区域，其表现为对其他电荷施加力的作用电场是由电荷产生的，电荷的存在会使周围空间产生电场，从而对其他电荷产生作用力电场是无形的，但可以用电场线来描述和可视化静电场的性质保守性叠加原理电势电场线静电场力是保守力，与路径多个点电荷产生的静电场强静电场中某点电势是该点电静电场中，电场线从正电荷无关电势能仅取决于电度，等于各个点电荷单独产荷具有的电势能与电荷量的出发，终止于负电荷，方向荷在电场中的位置生的场强矢量叠加比值电势是标量指向电场强度方向电场线不能相交电场求解方法库仑定律适用于点电荷产生的电场，通过直接计算电荷产生的电场力来求解高斯定理利用高斯定理，可以计算对称电荷分布产生的电场叠加原理将复杂电荷分布分解为多个简单电荷分布，分别求解各个简单电荷分布产生的电场，最后将它们叠加起来电势通过求解电势来求解电场，此方法适用于静电场分布电荷的电场电荷分布叠加原理电荷可以以不同的方式分布，分布电荷的电场可以通过将每例如线性分布、表面分布和体个微小电荷产生的电场叠加得积分布到积分计算电场线对于连续分布的电荷，需要使电场线可以用来形象地描述电用积分计算来求解电场强度场分布，它们从正电荷开始，终止于负电荷电势电势是描述电场能量性质的重要物理量它反映了单位正电荷在电场中从某一点移动到另一点的电势能变化电势的概念在电磁学理论中具有重要的应用价值，例如在电场计算、电路分析和电磁波传播等领域电势能和电势差电势能电势差电场中电荷所具有的能量，与电荷电场中两点之间的电势差，表示电的电量和它所在的位置有关它决场力将单位正电荷从一点移动到另定了电荷在电场中运动时的能量变一点所做的功化导体电场分析静电屏蔽电荷分布静电感应静电屏蔽是指在导体内部，静电场为零导体表面电荷分布均匀，且电荷集中在当带电体靠近导体时，导体内部的自由，即不受外界电场的影响导体尖端电荷会重新分布，形成感应电荷电感和电容电感电容12电感是储存磁能的元件，它电容是储存电能的元件，它由线圈组成，电流通过线圈由两块金属板构成，两板之时会产生磁场，从而储存能间充满绝缘材料，当电压施量加到两板之间时，电容会储存电荷电路中的作用应用34电感和电容在电路中扮演着电感和电容在电子设备中广重要的角色，它们可以滤除泛应用，例如电源滤波器、噪声、平滑电压、调谐电路谐振电路、定时电路等等电介质中的电场电介质的极化电介质对电场的影響当电介质处于电场中时，其内部的电荷电介质的存在会影响电场强度，使电场会发生重新分布，形成电偶极矩这种强度减弱现象被称为极化电介质的极化会产生一个反向电场，抵极化可以分为三种类型电子极化，离消了外部电场的一部分子极化和取向极化电流电荷的定向移动形成电流电流的大小表示电荷移动的速率，方向与正电荷移动方向一致电流密度和电阻电流密度电阻欧姆定律电流密度表示单位面积上的电流强度，电阻是导体对电流的阻碍作用，由材料欧姆定律描述了电流、电压和电阻之间反映电流的集中程度性质和几何形状决定的关系，是电路分析的重要基础电路方程基尔霍夫定律1基尔霍夫电压定律和电流定律是电路分析中最重要的基础•电压定律闭合回路中，各元件电压代数和为零•电流定律节点处，所有流入电流代数和等于所有流出电流代数和电路方程建立2将基尔霍夫定律应用于电路，建立包含电流、电压、电阻、电容、电感等参数的方程组方程组的解即为电路中各元件的电流和电压电路分析3通过求解电路方程，可以分析电路的特性，例如功率、能量、响应时间等电路方程的应用范围广泛，从简单的直流电路到复杂的交流电路，甚至到数字电路磁场磁场是由运动电荷或电流产生的它是一种无形的力场，对运动电荷或电流施加力磁通和磁感应强度磁通量磁感应强度磁通量表示穿过某一曲面的磁力线总量磁感应强度表示磁场对运动电荷作用力的强弱磁通量的大小与磁场强度和曲面的面积磁感应强度的大小与磁通量密度有关，有关是磁场的重要特征量安培环路定理磁场环路电流强度安培环路定理描述了磁场强度定理指出，磁场强度沿闭合路沿闭合路径的积分与穿过该路径的积分等于穿过该路径的电径的电流之间的关系流的总和应用场景该定理广泛应用于电磁场理论，用于计算磁场强度，特别是在电流分布复杂的情况下法拉第电磁感应定律磁通量变化当穿过闭合电路的磁通量发生变化时，电路中将产生感应电动势感应电流感应电动势的方向由楞次定律确定，即感应电流的方向总是阻碍引起它的磁通量的变化电磁感应现象法拉第电磁感应定律是电磁学中重要的基本定律，它揭示了电场和磁场之间的密切联系电磁波电磁波是交变电场和交变磁场在空间中以光速传播的能量形式电磁波具有波粒二象性，可以表现出波动性，如衍射和干涉，也可以表现出粒子性，如光电效应方程组Maxwell高斯定理高斯磁定理

1.

2.12描述电场和电荷之间的关系描述磁场和磁单极子的关系法拉第电磁感应定律安培麦克斯韦定律

3.

4.-34描述变化的磁场如何产生电场描述电流和变化的电场如何产生磁场电磁波的传播性质波长和频率偏振电磁波的传播速度为光速，但电磁波的电场和磁场方向垂直波长和频率不同频率越高，于传播方向，电场方向决定了波长越短偏振方向干涉和衍射多普勒效应电磁波可以发生干涉和衍射，当电磁波源和接收器之间有相证明了波的特性对运动时，接收到的频率会发生变化电磁波在工程中的应用通信雷达无线通信、广播电视、卫星通信、移动通信军事、气象、航空、航海等领域的探测、导等航医疗能源医学影像、医疗器械、治疗等太阳能利用、新能源开发等微波技术微波辐射微波辐射，频率范围在到之间，具有波长300MHz300GHz短、穿透性强的特点微波技术广泛应用于通信、雷达、医疗等领域光学与激光技术生物医学成像工业制造光纤通信激光扫描激光显微镜技术，如共聚焦激光切割和焊接技术在制造激光在光纤通信中发挥着至激光扫描仪可用于三维扫描显微镜，可以提供细胞和组业中得到了广泛应用，提高关重要的作用，实现高速率、地形测绘和安全防范等领织的高分辨率图像了效率和精度、大容量的信息传输域当前热点研究方向

1.超材料

2.电磁超表面12超材料是指具有天然材料所不具备的奇异电磁特性的材料，电磁超表面是一种二维人工结构，可实现对电磁波的调控，在隐形技术、超灵敏传感等领域具有广阔的应用前景在光学器件、天线设计等领域具有重要意义

3.高频电磁场

4.计算电磁学34高频电磁场在无线通信、雷达探测、医疗诊断等领域具有广计算电磁学是利用数值方法求解电磁场问题，在复杂电磁环泛应用，其研究重点包括电磁波传播、天线设计、生物效应境分析、新型器件设计等领域具有重要应用价值等结论与展望电磁学是物理学的重要分支它在现代科技发展中发挥着至关重要的作用未来，电磁学将继续在以下领域取得重大进展纳米尺度电磁现象•新型电磁材料•电磁波应用•。