电磁场数值计算基本原理

1、电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理1 电磁场数值计算 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理2 电磁场电磁场 电动力学电动力学 电磁理论电磁理论 电磁学电磁学 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理3 Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806) 库仑库仑 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课

2、教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理4 Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806), a military civil engineer, retired from the French army because of ill health after years in the West Indies. Forced from Paris by the disturbances of the revolution, he began working at his family estate and discovere

3、d that the torsion characteristics of long fibers made them ideal for the sensitive measurement of magnetic and electric forces. He was familiar with Newtons inverse-square law and in the period 1785-1791 he succeeded in showing that electrostatic forces obey the same rule. 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师

4、：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理5 Andr-Marie Ampre (1775-1836) 安培安培 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理6 Andr-Marie Ampre (1775-1836) was a child prodigy whose early life was marred by tragedy: Ampres father was beheaded in his presence during the Revolution and, late

5、r, his wife died four years after their marriage. As a scientist, Ampre had flashes of inspiration which he would pursue to their conclusion. When he learned of rsteds discovery in 1820 that a magnetic needle is deflected by a varying nearby current, he prepared within a week the first of several pa

6、pers on the theory of this phenomenon, formulating the law of electromagnetism (Ampres law) that describes mathematically the magnetic force between two circuits. 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理7 Michael Faraday (1791-1867) 法拉第法拉第 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月1

7、0日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理8 Michael Faraday (1791-1867) was born in a village near London. His father was a migrant blacksmith often ill and incapable of providing for his four children. Faradays great opportunity came when he was offered a ticket to attend chemical lectures by Sir Humphrey Davy in Lo

8、ndon. Faraday went and sent a bound copy of his notes to Davy asking for employment. Faraday began as Davys laboratory assistant. It has been said that Faraday was Davys greatest discovery. Faraday became the greatest experimentalist in electricity and magnetism of the 19th century. He produced an a

9、pparatus that was the first electric motor and in 1831 he succeeded in showing that a magnet could induce electricity. Queen Victoria rewarded his lifetime of achievement by granting him the use of a house at Hampton Court and a knighthood. Faraday accepted the cottage but rejected the knighthood. 电

10、电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理9 James Clerk Maxwell (1831-1879) 麦克斯韦麦克斯韦 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理10 James Clerk Maxwell (1831-1879) came from a middle class Edinburgh family. He is ranked with Newton and Einstein for the fundamenta

11、l nature of his many contributions to physics. Most importantly, he originated the concept of electromagnetic radiation and his field equations (1873) led to Einsteins special theory of relativity, It is ironic that when in 1860 the University of Aberdeen was formed by a merger between Kings College

12、 and Marischal College where he held a post, Maxwell was redundant. He applied at the University of Edinburgh, but was turned down in favor of another. He found it necessary to move to Londons Kings College. In 1871, Maxwell was appointed the first Cavendish professor of experimental physics at Camb

13、ridge. Maxwell died at forty- nine after a short illness. He was buried in Scotland in the family plot; there were no public honors at his passing. 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理11 Heinrich Rudolf Hertz (1847-1894) 赫兹赫兹 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基

14、本原理电磁场数值计算基本原理12 Heinrich Rudolf Hertz (1847-1894) was the first to broadcast and receive radio waves. Maxwells theory had been based on unusual mechanical ideas about the ether and had not been universally accepted. In 1884, Hertz rederived Maxwells equations by a new method, casting them in modern

15、 form. Then, between 1885 and 1889, as a professor of physics at Karlsruhe Polytechnic, he produced electromagnetic waves in the laboratory and measured their wavelength and velocity. He showed that the nature of their reflection and refraction was the same as those of light, confirming that light w

16、aves are electromagnetic radiation obeying the Maxwell equations. 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理13 Albert Einstein (1879-1955) 爱因斯坦爱因斯坦 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理14 Albert Einstein (1879-1955), one of the great geniuses of physics,

17、grew up in Munich where his father and his uncle had a small electrical plant and engineering works. Einsteins special theory of relativity, first printed in 1905 with the title On the Electrodynamics of Moving Bodies had its beginnings in an essay Einstein wrote at age sixteen. The special theory i

18、s often regarded as the capstone of classical electrodynamic theory. 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理15 Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) 基尔霍夫基尔霍夫 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理16 Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887), German physicist,an

19、nounced the laws which allow calculation of the currents, voltages, and resistances of electrical networks in 1845 when he was only twenty-one. In further studies he demonstrated that current flows through a conductor at the speed of light. His other work established the technique of spectrum analys

20、is which he applied to determine the composition of the Sun. 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理17 电磁场的工程应用领域 1、机电能量转换 发电机、电动机、变压器 2、电力系统 传输线参数、 线路结构、杆塔、绝缘子等 3、通信 电磁波辐射、波导、微波，散射 4、生物电磁学 辐射对人体影响、生物影响、治疗 5、电磁兼容 6、信息 计算机存储、磁带记录 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基

21、本原理电磁场数值计算基本原理18 地磁场、太阳耀斑、磁暴地磁场、太阳耀斑、磁暴 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理19 雷电雷电 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理20 汽轮发电机汽轮发电机 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理21 水轮发电机水轮发电机 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月1

22、0日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理22 变压器变压器 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理23 变电站变电站 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理24 雷达雷达 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理25 电磁波暗室（无反射）电磁波暗室（无反射） 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月1

23、0日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理26 电场脉冲模拟器电场脉冲模拟器 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理27 开阔地试验开阔地试验 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理28 电场脉冲模拟器电场脉冲模拟器 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理29 磁悬浮分析 Ref: W.Brisley & B. S. Thornton

24、: Brit. J. Appl. Phys., v.14, p.682, 1962 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理30 Magnetic ForceReaction Field Levitation Force (mN): Theory 45.72 Lorentz 42.04 Maxwell Str 44.60 Virt Work 44.73 提升力 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理 2-D Magnetostatics (2-D

25、静磁场) 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理32 波导电磁场场分布波导电磁场场分布 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理33 HF Application example: 同轴波导上波的传播 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理34 ANSYS/Emag: 微波 Coax-to-Waveguide 同轴电缆同轴电缆 波导波导 输入

26、口输入口 输出口输出口 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理35 电磁场数值计算电磁场数值计算 一、电磁场理论基础一、电磁场理论基础 二、电磁场的边值问题二、电磁场的边值问题 三、电磁场数值计算数学基础三、电磁场数值计算数学基础 1、泛函分析、泛函分析 2、变分法、变分法 3、变分原理、变分原理 4、加权余量法、加权余量法 5、伽辽金法、伽辽金法 6、里兹法、里兹法 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理36 三、有限元法

27、三、有限元法 1、有限元的网格剖分、有限元的网格剖分 2、有限元的单元插值、有限元的单元插值 3、有限元的离散化、有限元的离散化 4、有限元方程组的求解、有限元方程组的求解 5、矢量有限元、矢量有限元 四、边界元法四、边界元法 五、有限差分法五、有限差分法 六、模拟电荷法六、模拟电荷法 七、七、ANSYS软件简介软件简介 八、工程电磁场分析八、工程电磁场分析举例 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理37 电磁场模型：电磁场模型： 1、源模型、源模型 2、媒质模型、媒质模型 3、场域模型、场域模型 电磁场问题

28、：电磁场问题： 1、正问题（内问题、外问题）、正问题（内问题、外问题） 2、逆问题、逆问题 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理38 一、电磁场理论基础一、电磁场理论基础 1、静电场的基本原理、静电场的基本原理 库仑定律库仑定律 电场强度电场强度 12 2 12 21 0 21 4 1 eF R qq E F x y z x y z q q , , , , lim t t t 0 Ee 1 4 0 2 1 q R k k k k n E e 1 4 0 2 R l R l d E e 1 4 0 2 R S

29、 R SdE e 1 4 0 2 R V R Vd 点电荷点电荷 线电荷线电荷 面电荷面电荷 体电荷体电荷 库仑扭秤实验库仑扭秤实验 试验电荷试验电荷 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理39 静电场的环路定理静电场的环路定理 高斯通量定理高斯通量定理 辅助方程辅助方程 El d0 l 0E q S SD dD DE 线性材料？线性材料？ 各向同性材料？各向同性材料？ 均匀材料？均匀材料？ 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基

30、本原理40 2、恒定电流场的基本原理 电流连续性定理 恒定电场的环路定理 辅助方程 电动势 JE J0JS d S 0 E0 l lEd T l lEd T 包括库仑电场强度包括库仑电场强度 和据外电场强度和据外电场强度 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理41 3、恒定磁场的基本原理 安培定律 1 2 12 12110 2221 d 4 dd l R I I el lF 2 12 12110 2221 d 4 ddd R I I el lF 12 2 12 12110 2221 d 4 d ll R I I el lF 电流元对电流元电流元对电流元 线圈对电流元线圈对电流元 线圈对线圈线圈对线圈 （可测量）（可测量） 电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算 任课教师：王泽忠 2021年6月10日电磁场数值计算基本原理电磁场数值计算基本原理42 磁感应强度 dd ttt FlBI B le 0 2 4 I R R l d d d B le 0 2 4 I