《电磁场理论传播》课件

电磁场理论传播本课件将深入探讨电磁场理论传播的本质，并结合实际应用场景，帮助您更好地理解电磁波的传播规律和应用课程目标掌握基本概念培养分析能力拓展应用领域理解电磁场的基本概念、定律和公式，通过对典型电磁场问题的分析和计算，了解电磁场理论在无线通信、雷达、医以及这些概念在实际应用中的意义培养解决实际问题的分析能力和解决问疗器械、能源技术等领域的应用题的能力电磁场基本概念电场磁场电磁场电场是由电荷产生的力场电场力作用于磁场是由运动电荷产生的力场磁场力作电场和磁场相互关联，构成电磁场带电粒子用于运动电荷静电场理论电荷1静电场是由静止电荷产生的电场库仑定律2描述了两个点电荷之间相互作用力的规律电场强度3表示电场对电荷的作用力大小电势4描述电场中各点的电势能静电场的基本规律库仑定律高斯定理电场强度叠加原理电势描述了点电荷之间相互作用力电场通量与封闭曲面内的总电多个电荷产生的电场强度矢量电势差与电荷在电场中移动的的规律荷量成正比叠加功成正比静电场的边界条件电位连续电场强度分量变化12导体表面电位相等，边界两侧法向分量连续，切向分量变化电位相等电通量守恒3边界两侧电通量相等，保证电场线不会中断静电场的量测电场强度计1测量电场强度的大小和方向静电计2测量电势的大小和极性电容计3测量电容的大小静电势能势能定义公式计算电荷在电场中具有的能量W=qU计算将电荷从参考点移至该点的功电流与磁场的关系电流产生磁场磁场对电流的作用力12电流在导线中流动时会产生磁磁场会对处于其中的电流产生场，磁场方向与电流方向垂直作用力，力的大小和方向取决于电流大小、磁场强度和电流方向右手定则3右手定则可以帮助我们判断电流方向和磁场方向之间的关系磁场的基本规律磁场是由运动电荷或电流产生的，磁磁场对放入其中的磁性物质有力的作场的方向由右手螺旋定则确定用，使磁性物质沿着磁力线的方向运动磁场可以用磁感应强度来描述，磁感应强度的方向是磁力线的方向磁场边界条件切向边界条件法向边界条件磁场强度矢量的切向分量在边界磁感应强度矢量的法向分量在边两侧连续界两侧连续应用场景应用于电磁场分析，例如计算磁场分布，设计磁场控制系统电磁感应定律法拉第定律1变化磁场产生电场楞次定律2感应电流方向阻止磁通量变化涡流3导体中感应电流形成环状自感与互感自感互感当电流在导体线圈中变化时，它会在自身的线圈中产生感应电动势当一个线圈中的电流变化时，它会在附近的另一个线圈中产生感应，这种现象称为自感电动势，这种现象称为互感电磁振荡振荡电路振荡频率阻尼振荡受迫振荡LC电容和电感组成的电路，能够振荡频率由电容和电感决定，由于电阻的存在，电磁振荡的在外部激励作用下，LC振荡产生周期性的电磁振荡与电路中的电阻有关振幅会随着时间逐渐减小电路可以产生稳定的受迫振荡电磁波基本性质横波性质自传播速度恒定电磁波的电场和磁场方向都垂直于波的传播电磁波不需要介质就可以在真空中传播，依电磁波在真空中传播速度恒定，约为光速方向，因此是横波靠电磁场的相互作用电磁波的频谱电磁波在自由空间的传播无损传播电磁波在自由空间中传播时，不会遇到介质的阻碍，能量不会损失直线传播电磁波在自由空间中以直线形式传播，其方向由发射源决定速度恒定电磁波在自由空间中的传播速度恒定，约为每秒30万公里波动性电磁波具有波动性，表现为波长、频率和波速之间的关系电磁波在介质中的传播介质极化电磁波在介质中传播时，介质中的分子会发生极化波速变化由于介质极化，电磁波的传播速度会发生改变衰减介质对电磁波的吸收会导致波的能量衰减反射当电磁波从一种介质传播到另一种介质时，会发生部分反射电磁波在金属中的传播表面电流1金属表面的自由电子在电磁波的作用下产生感应电流，从而影响电磁波的传播衰减2由于表面电流的存在，电磁波的能量会被吸收，导致波幅逐渐衰减反射3金属表面会反射一部分电磁波能量，反射波的方向取决于入射角和金属的性质天线基础电磁波辐射电磁波接收12天线是将导线中的电磁能转换天线也可以用来接收自由空间成自由空间电磁波的装置的电磁波，并将电磁波转换成导线中的电磁能天线参数3天线参数描述了天线的性能，包括增益、方向性、带宽和效率等天线分类按工作频率分类按辐射方向分类按结构分类低频天线、中频天线、高频天线、超高频全向天线、方向性天线、定向天线偶极天线、单极天线、环形天线、螺旋天天线、微波天线线、微带天线、喇叭天线天线参数增益波束宽度衡量天线将输入功率集中到指定方向天线辐射功率集中在空间的范围的能力极化阻抗描述天线发射的电磁波的电场方向天线与馈线之间的匹配程度天线的辐射机理振荡电流电磁波辐射能量传输天线上的振荡电流产生变化的电磁场变化的电磁场以电磁波的形式向外传播电磁波携带能量，通过空间传播到接收天线波导基础定义优势原理波导是一种用于传输高频电磁波的金属导与传统的同轴电缆相比，波导具有更高的波导通过限制电磁波在导波管内部的传播波管，通常应用于微波领域传输效率和更低的损耗，实现高效的能量传输波导电磁参数截止频率特性阻抗12波导中能够传播的电磁波的频波导的特性阻抗是波导中电磁率有一个下限，称为截止频率波的电压与电流之比，它决定低于截止频率的电磁波无法了波导中能量的传输效率在波导中传播波导模式3波导中可以存在多种传播模式，每种模式都有不同的电磁场分布和传播特性波导模式解析横向电磁波横向电波TEM TE电场和磁场都垂直于波导传播方向电场垂直于波导传播方向，磁场部分平行横向磁波TM磁场垂直于波导传播方向，电场部分平行波导匹配阻抗匹配1确保能量顺利传输反射系数2量化能量损失匹配技术3实现无反射传输微波器件基础频率范围应用领域微波器件通常用于300MHz至它们广泛应用于通信、雷达、卫300GHz的频率范围星、医疗成像等领域器件类型常见的微波器件包括微波放大器、微波滤波器、微波混合器、微波天线等微波整流器二极管整流肖特基二极管微波功率检测利用二极管的单向导电特性将微波信号转换具有低正向电压降和高频率响应的二极管，通过整流将微波功率转换为直流电压，用于为直流电适用于高频微波整流测量微波信号的功率大小微波振荡器二极管二极管晶体管振荡器Gunn IMPATT利用负阻效应产生微波振荡通过冲击电离产生微波振荡使用微波晶体管作为放大元件小结与展望课程总结未来展望本课程深入浅出地讲解了电磁场理论和电磁波传播的基本知识电磁场理论在无线通信、雷达技术等领域有着广泛的应用前景。