电磁场与电磁波报告——陈宗超.doc

电磁场与电磁波结课报告姓 名： 陈 宗 超 学 号： 2012080332075 班 级： 计算机1203B 学 院： 信 息 学 院 专 业： 计算机科学与技术 任 课 教 师： 申 功 迈 2014年04月12日一、静电场= 静电场，是指观察者与电荷相对静止时所观察到的电场。它是电荷周围空间存在的一种特殊形态的物质，其基本特征是对置于其中的静止电荷有力的作用。下面是静电场中我认为常用的一些公式：电场力： 电场强度： 电通量：(高斯定理)点电荷在高斯面外，有限长均匀带电直线：无限长均匀带电直线：均匀带电圆环轴线上：无限大均匀带电平面：垂直于带电面两平行板间两平行板外侧 平行板内的场强：板间电势差：平行板的的静电能：半径为R带电为q的均匀带电球面的电场：r R时，高斯面包围电荷q，半径为R带电量为Q 的均匀带电球体的电场：无限长均匀带电圆柱面圆柱半径为R沿轴线方向单位长度带电量为l的电场：r R时，静电场力所做的功：单位：V静电场力做功与路径无关电势零点选择方法：对于有限长带电体以无穷远为电势零点，实际问题中常选择地球电势为零；对于无限长均匀带电直线，只能选有限远点为电势零点；对无限大均匀带点平面，也只能选有限远点为电势零点。点电荷的电势：点电荷系：电荷连续分布：圆环轴线上距环心为x处点P的电势： 分类讨论均匀带电薄圆盘轴线上的电势：，（点电荷电势）均匀带电球面球面外两点间的电势差：球面内两点间的电势差：球面外任意点的电势： 球面内任意点的电势： 无限长带电直导线的电势： 令空腔内无电荷时，电荷分布在外表面，内表面无电荷空腔内有电荷+q时，空腔内表面有感应电荷-q，外表面有感应电荷Q+q孤立导体的电容：单位：F（法拉）导体球电势为：导体球电容为：电容器的电容： 电容器电容只与导体组的几何构形有关，与带电多少无关平板电容器电容： 电容正比于极板面积，反比于极板间距；与极板间介质性质有关柱形电容器单位长度的电容：球形电容器电容：电容为C，带电量为Q的电容器所存储的静电能： 二、恒定磁场恒磁场又称为静磁场，而交变磁场，脉动磁场和脉冲磁场属于动磁场。磁场的空间各处的磁场强度相等或大致相等的称为均匀磁场，否则就称为非均匀磁场。离开磁极表面越远，磁场越弱，磁场强度呈梯度变化。磁通密度表示磁场的基本物理量之一。又称磁感应强度B。B为矢量,在国际单位制中其单位为特(斯拉)(T)。根据安培的实验,电流元Idl与Idl之间的作用力与它们之间的距离平方成反比，每一个电流元上受力与所在处的磁通密度B成正比，又根据华奥-萨伐尔提出的公式，有 dF=IdlB及 式中0为真空的磁导率，r 0为由Idl指向Idl的单位矢量，r 为两电流元之间的距离。前一公式为安培力公式，后式即毕奥萨伐尔定律。 磁场性质 磁场可以用磁力线描述。若认为磁场是由电流产生的，按照毕奥-萨伐尔定律,磁力线都是闭合曲线，这一性质称为磁通连续性定理。其数学表示式为 式中S为任一闭合面,即穿出任一闭合面的磁通代数和为零。上式的微分形式是 墷B=0式中墷为散度算符。这是磁场的基本性质之一,称为无散性。 磁场中的介质磁场对在其中的磁介质产生磁化作用，即在磁场的作用下介质中出现分子电流。总的磁场由自由电流与分子电流共同产生。永磁铁本身有自发的磁化，因而不需要外界自由电流也能产生磁场。磁介质的磁化程度用磁化强度M表征。可定义磁场强度H 为 H=B/0M或 B=0H+M=H后式称为磁介质的本构方程。式中 为磁介质的磁导率。将写为0r，0为真空磁导率，r为磁介质的相对磁导率。安培环路定律表示磁场强度H沿闭合回路的积分,等于穿过该回路所限定的面上的自由电流。这里回路的方向与电流的正向按右螺旋规则选定。这一性质表示为 这就是安培环路定律。其微分形式为 墷H=J式中J 为自由电流密度。此式及上式表明，磁场属于有旋场。 磁矢位 对于有旋场，根据数学理论可以引入矢量位函数A来描述，称A为矢量磁位，它满足 B=墷A但是,由上式并不能唯一地决定A，因此对恒定磁场还时常限定墷A=0。在均匀、各向同性、线性的磁介质中有 墷2A=J根据磁场中的J和边界条件求出A和B以通过上式计算磁场。 磁场能量根据M.法拉第与J.C.麦克斯韦的理论，磁场中储存有能量,能量密度为。这个能量在磁场的建立及消失过程中将与其他能量形式发生转化或者以电磁辐射形式向外传播。三、时变电磁场 随时间变化着的电磁场。时变电磁场与静态的电场和磁场有显著的差别，出现一些由于时变而产生的效应。这些效应有重要的应用，并推动了电工技术的发展。M.法拉第提出的电磁感应定律表明，磁场的变化要产生电场。这个电场与来源于库仑定律的电场不同，它可以推动电流在闭合导体回路中流动，即其环路积分可以不为零，成为感应电动势。现代大量应用的电力设备和发电机、变压器等都与电磁感应作用有紧密联系。由于这个作用。时变场中的大块导体内将产生涡流及趋肤效应。电工中感应加热、表面淬火、电磁屏蔽等，都是这些现象的直接应用。继法拉第电磁感应定律之后，J.C.麦克斯韦提出了位移电流概念。电位移来源于电介质中的带电粒子在电场中受到电场力的作用。这些带电粒子虽然不能自由流动，但要发生原子尺度上的微小位移。麦克斯韦将这个名词推广到真空中的电场，并且认为；电位移随时间变化也要产生磁场，因而称一面积上电通量的时间变化率为位移电流,而电位移矢量D的时间导数（即D/t）为位移电流密度。它在安培环路定律中，除传导电流之外补充了位移电流的作用，从而总结出完整的电磁方程组，即著名的麦克斯韦方程组，描述了电磁场的分布变化规律。四、电磁波 电磁波频率低时，主要借由有形的导电体才能传递。原因是在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去；电磁波频率高时即可以在自由空间内传递，也可以束缚在有形的导电体内传递。在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能全部返回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。举例来说，太阳与地球之间的距离非常遥远，但在户外时，我们仍然能感受到和煦阳光的光与热，这就好比是“电磁辐射借由辐射现象传递能量”的原理一样。电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变，其强度与距离的平方成反比，波本身带动能量，任何位置之能量功率与振幅的平方成正比。其速度等于光速c（3108m/s）。在空间传播的电磁波，距离最近的电场（磁场）强度方向相同，其量值最大两点之间的距离，就是电磁波的波长，电磁每秒钟变动的次数便是频率f。三者之间的关系可通过公式c=f。电磁波的传播不需要介质，同频率的电磁波，在不同介质中的速度不同。不同频率的电磁波，在同一种介质中传播时，频率越大折射率越大，速度越小。且电磁波只有在同种均匀介质中才能沿直线传播，若同一种介质是不均匀的，电磁波在其中的折射率是不一样的，在这样的介质中是沿曲线传播的。通过不同介质时，会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等等。电磁波的传播有沿地面传播的地面波，还有从空中传播的空中波以及天波。波长越长其衰减也越少，电磁波的波长越长也越容易绕过障碍物继续传播。机械波与电磁波都能发生折射、反射、衍射、干涉，因为所有的波都具有波动性。衍射、折射、反射、干涉都属于波动性。五、电磁场理论的应用 磁疗是以磁场作用于人体治疗疾病的方法。磁场影响人体电流分布、荷电微粒的运动、膜系统的通透性和生物高分子的磁矩取向等，使组织细胞的生理、生化过程改变，产生镇痛、消肿、促进血液及淋巴循环等作用。磁疗的常用方法有：静磁疗法。用于穴位和病变局部。动磁疗法。又称旋磁和脉动磁疗法。磁化水疗法和磁针疗法等。临床常用以治疗软组织损伤、表浅血管瘤、乳腺增生、神经痛、胃肠功能紊乱等。图中介绍的是自感式传感器。由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。电感式传感器的特点是：无活动触点、可靠度高、寿命长；分辨率高；灵敏度高；线性度高、重复性好；测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；无输入时有零位输出电压，引起测量误差；对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；不适用于高频动态测量。电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。变间隙型电感传感器 这种传感器的气隙随被测量的变化而改变,从而改变磁阻（图1）。它的灵敏度和非线性都随气隙的增大而减小，因此常常要考虑