《电磁场理论的基础概念》课件

电磁场理论的基础概念课程概述理论重要性现是代物理基石实际应用疗广泛用于通信、医、能源学习目标第一章矢量分析基础矢量定义矢量表示场的概念标场势具有大小和方向的物理量分量表示法x,y,z量温度、电单用箭头表示方向和大小位矢量i,j,k矢量运算矢量加法则几何表示平行四边形法数代表示分量相加矢量减法A-B=A+-B反向矢量加法点积（数量积）A·B=|A||B|cosθ结标果是量叉积（矢量积）A×B=|A||B|sinθn坐标系统柱坐标系轴对称问题适合直角坐标系球坐标系ρ,φ,z轴对称问题三个相互垂直适合球x,y,z梯度、散度和旋度梯度散度grad fdiv A标场场量变化最快的方向矢量的源密度产场产标场生矢量生量旋度curl A场转矢量的旋强度第二章静电场电荷质物的基本属性电荷密度线体密度、面密度、密度库仑定律点电荷间的作用力电场概念产电荷生的作用空间电场强度单位顿库仑牛/N/C计算方法E=F/q=kQ/r²电力线线场切方向即方向电力线特性线场密度表示强大小高斯定律积分形式微分形式物理意义₀₀场∮E·dS=q/ε∇·E=ρ/ε电源是电荷场内₀场₀场关电通量等于面电荷/ε电散度等于电荷密度/ε描述电与电荷系电势定义单穷远位正电荷从无移至某点的功计算方法V=kQ/r与电场关系E=-∇V等势面势电相等的点集导体和电介质导体特性电介质特性电位移矢量₀自由电荷可移动无自由电荷D=εE+P内场为现场应部电强度零分子极化象描述总电效产电荷分布于表面生极化电荷边界条件切向电场₁₂ₜₜE=E法向电位移₁₂ₙₙD-D=σ电势连续性₁₂V=V导体边界₀E切=0，E法=σ/ε静电场的能量点电荷系统能量连续分布能量场能量密度ᵢᵢW=1/2∑qV W=1/2∫ρVdv w=1/2εE²第三章恒定电流电流定义电流密度欧姆定律单时过单积位间通的电荷量位面上的电流局部形式J=σE积I=dq/dt J=σE分形式I=V/R基尔霍夫定律1节点电流定律（KCL）∑I=0回路电压定律（）KVL∑V=0电流连续性方程∇·J=0计算方法节压点电法、回路电流法焦耳定律电功率焦耳热P=IV P=I²R单位瓦特W与电流平方成正比能量守恒转为热电能化能热时量=电能×间第四章静磁场磁场概念产电流生的作用空间磁感应强度B单位特斯拉T毕奥萨伐尔定律-产场电流元生的磁安培环路定理积分形式微分形式₀₀2∮B·dl=μI∇×B=μJ应用物理意义计对称场场算分布磁电流是磁的源磁矢势定义计算方法库仑规₀B=∇×A A=μ/4π∫J/rdv∇·A=0产场静势计简计选择旋度运算生磁类似电算化算的磁偶极子定义磁偶极矩环微小电流矢量，方向垂直于电流面为积磁矩m=IA大小电流×面磁偶极场距离r处B∝m/r³库仑场衰减快于磁介质磁化过程场质产外磁使物生磁化磁化强度M单积位体磁矩磁导率μ₀B=μH=μH+M磁化率χmM=χmH磁路磁通量磁阻磁路定律Φ=∫B·dS Rm=l/μSΦ=F/Rm复杂磁路类比电路分析方法第五章电磁感应法拉第电磁感应定律感应电动势产势ε=-dΦ/dt磁通变化生电动楞次定律应感电流方向阻碍磁通变化自感和互感自感系数自感电动势互感系数₁₂₂L=Φ/Iε=-LdI/dt M=Φ/I单线位亨利H阻碍电流变化两圈间的耦合涡流产生原理导应闭体中的感电流形成合回路损耗产热生量，能量耗散减少方法结叠片构、使用高电阻材料应用应热涡感加、流制动位移电流麦克斯韦修正论完善安培定律，统一电磁理位移电流密度2₀Jd=ε∂E/∂t全电流定理∇×H=J+∂D/∂t第六章麦克斯韦方程组积分形式微分形式物理意义₀₀产场∮E·dS=q/ε∇·E=ρ/ε电荷生电单∮B·dS=0∇·B=0无磁极子场产场∮E·dl=-dΦ/dt∇×E=-∂B/∂t变化磁生电场产场∮H·dl=I+dΨ/dt∇×H=J+∂D/∂t电流和变化电生磁电磁波方程波动方程推导电磁波特性₀₀传₀₀∇²E=με∂²E/∂t²播速度c=1/√με₀₀场场∇²B=με∂²B/∂t²电与磁垂直传场播方向垂直于坡印廷定理能量守恒场转换电磁能量定律坡印廷矢量S=E×H能量流密度单积过位面通的功率边界条件电场边界磁场边界完美导体边界₁₂₁₂切向分量E t=E t切向分量H t-H t=K×n E切=0₁₂₁₂法向分量D n-D n=σ法向分量B n=B nB法=0第七章平面电磁波平面波定义波动方程解1为₀等相位面平面E=E e^jωt-k·r波长与频率电磁场关系λ=2π/|k|=c/f H=1/ηk×E电磁波的极化线性极化场荡电矢量在固定方向振圆极化场绕传转电矢量播方向旋椭圆极化场绕椭圆轨电矢量迹运动极化状态转换过现通相位控制实电磁波在介质中的传播色散关系相速度群速度k=ω√μεvp=ω/k=1/√μεvg=dω/dk数频关传传波与率的系等相位面播速度能量播速度电磁波的反射和折射斯涅尔定律菲涅耳方程₁₁₂₂数₂₁₂₁n sinθ=n sinθ反射系r=Z-Z/Z+Z关数₂₂₁入射角与折射角系透射系t=2Z/Z+Z极化相关性TE波s偏振与TM波p偏振不同极化有不同反射率全反射临界角₂₁θc=arcsinn/n全反射条件₁₂nn且θθc倏逝波3传衰减的非播波电磁波的能量1/21/2电场能量系数磁场能量系数we=ε|E|²/2wm=μ|H|²/2S能流密度S=E×H*第八章导行电磁波波导概念矩形波导传播特性径传横为滤限制电磁波在特定路播截面矩形的金属管高通波特性质结导频金属或介构最常用的波类型有截止率波导中的模式模式模式截止频率TE TM横横电模式磁模式fc=c/2a传场传场为导宽播方向无电分量播方向无磁分量a波度同轴线结构模TEM内导轴传2外体同主要播模式应用特性阻抗₀ᵣ广泛用于通信系统Z=60/√εlnb/a微带线结构导质体条-介-接地平面准模TEM近似TEM特性应用集成电路尺寸与阻抗宽度决定特性阻抗第九章天线基础天线定义转换电与电磁波装置天线分类线线线阵线天、面天、列天辐射原理产加速电荷生电磁波天线参数dBi增益单位对辐相于全向射体η效率辐射功率/输入功率θ°波束宽度辐半功率射角度D方向性辐辐最大射/平均射偶极子天线结构辐射特性输入阻抗线导环辐图直体，中间供电形射方向半波偶极子73Ω为约频长度通常λ/2增益

2.15dBi随长度和率变化天线阵列线性阵列平面阵列单线线维线一直排列天二平面排列天相控阵阵列因子过阵辐通相位控制波束方向描述列射特性第十章电磁兼容电磁干扰电磁屏蔽导电磁能量影响设备正常工作利用体反射和吸收电磁波传导辐干扰和射干扰屏蔽效能SE=R+A+B兼容性设计滤线波、接地、布优化辐降低射和敏感度静电放电（）ESD产生机制危害应损摩擦生电、感起电坏电子设备测试标准防护措施静人体模型、机器模型接地、防电材料电磁波的生物效应热效应非热效应安全标准组细标织吸收能量升温影响胞膜通透性IEEE/ICNIRP准频SAR:比吸收率低强度长期暴露的影响不同率有不同限值电磁场的数值计算方法有限差分时域法时FDTD域差分直接求解矩量法数MoM基于格林函有限元法杂结FEM复几何构第十一章特殊相对论基础时间膨胀长度收缩洛伦兹变换时空图标转换维时运动钟慢运动物体变短坐系间四空表示相对论电动力学四维电流密度电磁场张量协变形式麦克斯韦方程场场₀Jμ=cρ,J Fμν表示电和磁∂μFμν=μJν场̃电荷密度与电流密度统一统一描述电磁∂μFμν=0第十二章量子电动力学导论光电效应光子能量E=hν康普顿散射光子与电子碰撞波粒二象性电磁波的粒子性量子化电磁场光子概念量子化麦克斯韦方程场场场电磁的量子算符代替经典能量E=hν不确定性原理适用量子电动力学场论电磁相互作用的量子费图过曼描述程实验技术电场测量电场探头场应基于电感原理静电电压表测压量高电电场显微技术观场可视化微电分布校准方法标场准校准实验技术磁场测量霍尔效应传感器超导量子干涉仪磁通门应测场测场利用霍尔效量磁SQUID极高灵敏度量弱磁核磁共振法测高精度量应用无线通信调制技术数调AM、FM、字制解调技术2检测调同步、相干解多址接入FDMA、TDMA、CDMA信道特性4径衰减、干扰、多应用雷达系统应用医学成像磁共振成像正电子断层扫描功能性磁共振测谢显脑区利用核磁共振原理探代活动示活动辐剂无电离射利用放射性示踪基于血氧水平变化前沿研究超材料前沿研究等离子体电磁学等离子体特性态质第四物电磁波传播2色散方程不同聚变应用托卡马克装置总结与展望未来方向应用广泛术多学科交叉量子电动力学、超材料技疗领理论基石通信、医、能源等域对论与量子学、相深度融合现术础电磁学是代技基。