《电磁现象与电磁场》课件

电磁现象与电磁场探索电磁现象的奥秘课程介绍课程目标掌握电磁场基本理论学习内容概述电磁理论与应用探索先修知识要求电磁学发展历史古代观察1琥珀摩擦引力现象记录重要发现时期2法拉第、安培等科学贡献理论统一3电荷与电场基础电荷概念库仑定律电场强度物质电性的基本单元点电荷间相互作用力规律高斯定律数学表达物理意义闭合曲面通量等于内部电荷电场源于电荷的本质揭示应用实例计算高度对称电场分布电势与电势能电势定义电势能概念等势面单位电荷的电势能电荷在电场中具有的能量电势相等的空间点集电场力做功的负值与位置相关的标量量与电场线正交导体与电容器电容器原理储存电荷产生电场导体电学性质自由电子移动形成电流常见电容器板式、柱式及球式电容静电场中的介质介质的极化电场作用下分子排列电位移矢量描述总电场效应边界条件界面处场量连续性静电场的能量₀1/2εE²100%能量密度公式能量密度表达式能量守恒电场能量分布系数与电场强度平方成正比电场能量转化不会丢失恒定电流电流密度单位面积通过的电流大小欧姆定律电流与电压成正比关系焦耳定律电能转化为热能规律磁场基础磁场定义能对运动电荷施力的区域磁感应强度描述磁场强弱的物理量磁力线指示磁场方向的虚线毕奥萨伐尔定律-数学表达dB=μ₀/4π×Idl×r/r³物理意义电流元产生的磁场贡献应用实例环形电流磁场计算安培环路定理安培环路定理闭合回路磁场线积分等于回路内电流物理意义电流是磁场的源与高斯定律对比结构相似，描述不同场磁场中的磁介质磁场强度考虑介质后的磁场描述磁介质磁化分子磁矩定向排列磁导率描述介质对磁场影响程度磁场的能量电磁感应现象法拉第定律楞次定律自感与互感感应电动势与磁通量变化率成正比感应电流方向阻碍磁通量变化电流变化产生感应电动势位移电流概念提出麦克斯韦发现电场变化产生磁场安培定律修正加入位移电流项完善理论重要性统一理论基础，预测电磁波麦克斯韦方程组∮E·dS=q/ε₀∮B·dS=0∮E·dl=-dΦ/dt∮B·dl=μ₀I+μ₀ε₀dΦ/dt积分形式微分形式12描述有限区域场量关系描述局部点场量关系物理意义3电磁场基本规律完整描述电磁波的产生电磁波本质振荡电路赫兹实验电场与磁场的相互激发传播LC电路产生高频电磁振荡首次实验验证电磁波存在不需要介质的波动能量电场磁场交替转换证实麦克斯韦理论正确性电磁波的传播波动方程平面电磁波∇²E=μ₀ε₀∂²E/∂t²电场磁场垂直传播方向传播速度c=1/√μ₀ε₀电磁波的能量S P∂W/∂t坡印廷矢量辐射压强能量守恒E×H表示能量流方向电磁波对物体产生的压力场能量变化率等于流入功率电磁波的极化线性极化电场矢量在固定方向振动圆极化电场矢量绕传播方向旋转，幅值恒定椭圆极化电场矢量绕传播方向旋转，幅值变化电磁波的反射与折射反射定律入射角等于反射角折射定律n₁sinθ₁=n₂sinθ₂全反射现象超过临界角光无法透射电磁波的干涉干涉条件相干波源，固定相位差双缝干涉两束波叠加形成明暗条纹薄膜干涉表面反射波与内部反射波叠加电磁波的衍射惠更斯菲涅耳原理-波前每点都是新波源单缝衍射光通过窄缝扩展到几何阴影区圆孔衍射形成中央亮斑和环形暗区电磁波谱射电波波长最长，通信应用微波雷达与烹饪应用红外线热成像与遥控应用电磁波谱（续）可见光紫外线射线和射线Xγ人眼可见彩虹七色波段消毒与材料分析应用医学成像与材料穿透电磁场的静态近似静电场近似静磁场近似准静态近似忽略磁场影响忽略电场变化低频情况下简化适用于电荷静止情况适用于恒定电流情况忽略延迟效应电磁场的边界条件电场边界条件磁场边界条件应用切向分量连续，法向分量跃变法向分量连续，切向分量跃变分析多介质界面场分布电磁场的数值计算方法有限元法区域划分求解复杂结构有限差分法用差分近似微分方程矩量法积分方程求解散射问题电磁兼容性电磁防护屏蔽与滤波技术电磁干扰辐射与传导干扰接地技术降低干扰传播途径天线基础基本原理常见类型关键参数电磁波发射与接收转换器偶极、八木、抛物面天线增益、方向性、带宽、阻抗传输线理论波导矩形波导圆柱波导应用常用于微波信号传输支持TE和TM模式传播雷达系统与通信链路谐振腔值Q能量存储与损耗比例工作原理电磁波多次反射形成驻波应用微波滤波与频率标准电磁场与相对论洛伦兹变换1不同参考系中坐标变换关系相对论性电动力学2高速运动下电磁场规律四维时空3时间与空间统一描述电磁学与量子力学光电效应光子能量激发电子逸出康普顿效应光子与电子散射能量变化量子电动力学场与粒子相互作用理论等离子体物理定义性质工业应用高度电离气体第四态准电中性，集体行为，德拜屏蔽等离子切割，核聚变研究超导电磁学超导现象零电阻，完全抗磁性迈斯纳效应超导体排斥外部磁场应用强磁场设备，磁悬浮技术电磁场在医学中的应用核磁共振成像电疗磁疗利用氢原子核自旋特性电场治疗肌肉损伤磁场改善血液循环无辐射损伤软组织成像促进组织愈合与修复缓解疼痛与炎症反应电磁场在通信中的应用无线通信电磁波信息传输光纤通信光波导高速传输卫星通信太空中继站覆盖广电磁场在能源领域的应用发电机原理机械能转电能电磁感应变压器原理电磁感应改变电压电流无线电能传输共振耦合高效率能量传递电磁场在交通领域的应用磁悬浮列车电动汽车超导体排斥磁场实现悬浮电磁驱动高效无污染感应充电无线电能传输便捷安全电磁场在工业生产中的应用电磁加热感应电流产生热量电磁搅拌无接触金属液体混合电磁成型磁场力塑造金属工件电磁场在环境保护中的应用净化技术电磁分离废水处理污染监测电磁场强度检测分析气象观测雷达监测风云变化电磁场在军事领域的应用雷达技术电子对抗隐身技术目标探测跟踪识别干扰敌方电磁设备降低雷达反射截面电磁场与纳米技术1-100nm SPR纳米天线表面等离子体共振光学天线操控亚波长光场金属表面电子集体振荡⁻⁹10纳米光子学亚波长尺度光场调控电磁场与人工智能场仿真优化机器学习加速电磁仿真智能材料设计人工智能预测材料电磁性能电磁感知技术智能系统电磁环境感知电磁场与新能源技术电磁场安全与防护辐射标准个人防护限制电磁辐射暴露水平屏蔽材料与防护装备屏蔽技术法拉第笼与吸波材料电磁场测量技术电场强度测量磁场强度测量功率测量电场探头与电位计霍尔元件与磁通门功率计与频谱分析仪电磁材料电介质材料高介电常数，高击穿强度导磁材料1高磁导率，低损耗复合材料多功能电磁性能设计电磁场可视化技术电场线可视化电力线分布模拟磁力线可视化铁屑排列显示电磁波传播波前推进动态模拟电磁场建模与仿真方法有限元分析FDTD时域有限差分波动分析复杂几何结构场分布计算商业软件HFSS,CST,COMSOL等工具电磁场与大数据数据分析电磁环境大数据处理预测模型电磁兼容性问题预警信号处理电磁信号提取与识别前沿研究方向超材料研究人工设计电磁特性新材料量子电磁学量子尺度电磁交互研究拓扑电磁学拓扑保护电磁态应用电磁学的未来发展通信太赫兹技术光子集成6G太赫兹频段高速通信填补微波与红外技术空白超高速信息处理平台课程总结重点难点矢量分析与场分布计算主要概念1电磁场基本理论体系学习方法理论结合实验与应用习题与思考典型例题静电场与磁场计算分析课后作业电磁波理论与应用题目思考题前沿技术应用探讨参考资料与延伸阅读教材推荐学术论文网络资源《电磁场理论》郭庆来IEEE电磁学相关期刊麻省理工开放课程《电磁学》（费曼物理学讲义）中国电子学会学报国家自然科学基金委资源。