《电磁学概要》课件

电磁学概要物理学核心分支电与磁相互关系探索技术进步的理论基础课程简介基础理论掌握静电场、恒定电流、磁场、电磁感应计算能力培养电磁场分布、力的计算、能量分析实验技能训练验证电磁规律、培养实验思维电磁学的重要性1技术创新基础现代电子设备发展核心2工业生产支柱电力系统、通信网络关键理论3物理学里程碑统一电与磁的基本理论课程内容概览1静电学基础电荷、电场、电势2恒定电流电流密度、欧姆定律3磁场磁感应、安培定律4电磁感应法拉第定律、自感互感5麦克斯韦方程组场论统一表述6电磁波性质、传播、应用7工程应用电机、变压器、屏蔽第一章：静电学基础电荷性质正负电荷、守恒定律库仑力电荷间相互作用电场理论场强、电势、能量实际应用电容器、电介质电荷的基本性质电荷量子化电荷总是基本电荷的整数倍e=1.602×10^-19库仑电荷守恒孤立系统中电荷总量保持不变创生与湮灭成对出现电荷叠加性多个电荷的合力等于单个力的矢量和适用于库仑力与电场库仑定律1点电荷间相互作用力F=k|q₁q₂|/r²2比例关系力与电荷乘积成正比、与距离平方成反比3库仑常数k=9×10⁹N·m²/C²电场的概念场概念引入空间每点具有特定电场强度1超距作用解释电荷通过场传递力2电场线表示指示电场方向和强度3场源为电荷场强与源电荷成正比4电场强度F/q定义公式单位正电荷所受电场力N/C单位牛顿/库仑kq/r²点电荷电场与距离平方成反比电场线正电荷出发从正电荷出发指向负电荷电场线走向遵循力线概念切线方向任一点切线方向即电场方向线密度表示场强大小基本特性电场线不相交始于正电荷或无穷远终于负电荷或无穷远高斯定理电通量定义Φ=∮E·dS1内部电荷与通量关系Φ=Q/ε₀2高斯面选择利用对称性简化计算3应用范围球、柱、平面对称电场4电势能和电势电场力做功W=-∫F·dr电势能Ep=qV电势V=-∫E·dr等势面电势相等的点组成的面静电场中的导体静电平衡条件导体内部电场为零表面电荷分布电荷只分布在导体表面法拉第笼效应内部无外电场影响等势体导体各点电势相等电容器静电场中的电介质介质极化分子偶极矩定向排列相对介电常数表示介质削弱电场能力增大电容C=εC₀储能作用电场能量增加第二章：恒定电流电流和电流密度电流定义单位时间通过横截面电荷量I=dq/dt单位：安培(A)电流密度单位面积上的电流j=I/S单位：A/m²微观解释电荷载流子定向移动j=nqvdn为载流子密度，vd为漂移速度欧姆定律微观欧姆定律j=σE电流密度与电场成正比宏观欧姆定律I=U/R电流与电压成正比，与电阻成反比电阻因素R=ρL/S与材料、长度、截面积有关电源电动势非静电力做功能力内阻电源内部电阻端电压U=E-Ir最大输出功率当外阻等于内阻基尔霍夫定律基尔霍夫电流定律(KCL)节点电流代数和为零∑I=0体现电荷守恒基尔霍夫电压定律(KVL)闭合回路电压代数和为零∑U=0体现能量守恒电路分析方法支路电流法以支路电流为未知量回路电流法以闭合回路电流为未知量节点电压法以节点电压为未知量叠加原理多电源电路分析焦耳定律I²R电阻功率公式电流平方与电阻乘积UI电压电流公式电压与电流乘积U²/R电压形式电压平方与电阻比值第三章：磁场磁场源电流、磁铁产生磁场磁场检测罗盘、霍尔元件磁场线闭合曲线表示磁场磁感应强度方向、大小描述磁场磁场的概念磁场定义电流或运动电荷周围空间状态能对其他电流或运动电荷施力磁场特性矢量场磁力线闭合无磁单极存在磁场源电流是磁场源永磁体内部微观电流运动电荷磁感应强度1物理量定义描述磁场强弱方向的矢量2单位特斯拉(T)3磁力线密度单位面积穿过磁力线条数毕奥-萨伐尔定律基本表达式dB=(μ₀/4π)·(Idl×r)/r³直线电流磁场B=(μ₀I)/(2πr)圆形电流磁场圆心B=μ₀I/(2R)螺线管磁场内部B=μ₀nI安培环路定理数学表述∮B·dl=μ₀I直线电流应用简化计算过程螺线管内场B=μ₀nI磁场中的电流受力电流元受力dF=Idl×B右手定则判断力的方向直线电流受力F=ILBsinθ闭合电流受力矩M=NIAB×B带电粒子在磁场中的运动圆周运动螺旋运动直线运动漂移运动霍尔效应物理原理电流在磁场中产生横向电压载流子偏转积累霍尔电压UH=(BI)/(neD)与磁场强度成正比应用磁场传感器电流测量载流子类型判定第四章：电磁感应磁通量变化Φ=B·S·cosθ2感应电动势E=-dΦ/dt感应电流I=E/R能量转换机械能→电能法拉第电磁感应定律楞次定律1234感应电流方向阻碍引起感应的磁通变化能量守恒体现必须做功克服阻碍作用磁场能量转化外部能量→电能→热能判断方法右手定则反向应用自感和互感自感线圈电流变化自感电动势E=-L(dI/dt)自感系数L与线圈结构有关互感一线圈电流变化感应另一线圈E₂=-M(dI₁/dt)互感系数M与两线圈位置有关电感元件储存磁场能量电路中阻止电流突变相当于磁场"惯性"磁场能量½LI²电感储能与电流平方成正比B²/2μ₀磁场能量密度每单位体积储存能量J能量单位焦耳涡流1发热效应电能转化为热能2阻尼效应磁悬浮列车刹车3趋肤效应高频电流集中于表面位移电流概念引入麦克斯韦假设电场变化产生Id=ε₀(dE/dt)·S电流连续性保证全电流概念完整电磁波存在依据验证麦克斯韦理论第五章：麦克斯韦方程组1电磁理论统一四个方程完整描述电磁现象场论观点以电磁场作为物质存在形式电磁波预言理论导出电磁波传播速度麦克斯韦方程组的物理意义1高斯电场定律电荷产生电场2高斯磁场定律磁力线闭合无磁单极3法拉第感应定律变化磁场产生电场4安培-麦克斯韦定律电流与变化电场产生磁场高斯电场定律积分形式∮E·dS=q/ε₀微分形式∇·E=ρ/ε₀物理含义电荷是电场源通量解释穿出闭合面通量与内电荷成比例高斯磁场定律积分形式∮B·dS=0闭合面磁通量恒为零微分形式∇·B=0磁场无散度物理含义不存在磁单极磁力线总是闭合曲线法拉第感应定律积分形式∮E·dl=-dΦ/dt微分形式∇×E=-∂B/∂t物理含义变化磁场产生旋转电场感应电动势与磁通量变化率成正比安培-麦克斯韦定律积分形式∮B·dl=μ₀I+μ₀ε₀(dΦₑ/dt)闭合环路磁场与内部电流和位移电流有关微分形式∇×B=μ₀j+μ₀ε₀(∂E/∂t)磁场旋度与电流密度和电场变化率有关物理含义电流和变化电场产生旋转磁场麦克斯韦对经典安培定律的修正麦克斯韦方程组的统一性电磁场统一电场磁场相互转化波动方程推导解出电磁波速度与相对论联系电磁理论推动相对论发展第六章：电磁波波动性质振动电磁场传播1传播速度真空中等于光速2波谱分类无线电波至伽马射线3能量传输不需介质的能量传播形式4电磁波的产生加速电荷产生电磁波基本机制振荡电流天线中高频振荡电流原子跃迁电子轨道能级变化带电粒子减速如轫致辐射、同步辐射电磁波的性质1电磁场垂直振荡电场磁场相互垂直2横波特性振动方向垂直于传播方向3能量传输坡印廷矢量S=E×H4波动现象反射、折射、干涉、衍射、极化电磁波谱电磁波的传播1真空传播速度c=1/√(μ₀ε₀)2介质中传播速度v=c/√εᵣ3导体边界条件反射与透射定律电磁波的应用第七章：电磁学在工程中的应用动力系统电动机、发电机能量传输变压器、电力网络传感技术电磁传感器信息通信天线、电磁波传输医疗设备MRI、射线成像电动机原理电磁力产生F=ILB转矩形成闭合电流与磁场相互作用换向机制保持转矩方向一致效率提高减少能量损耗方法发电机原理电磁感应现象线圈在磁场中旋转交流发电机产生正弦交变电压直流发电机换向器整流作用变压器原理电磁感应基础互感现象闭合磁路耦合原、副边线圈变压比关系N₂/N₁=V₂/V₁=I₁/I₂电压与匝数比例、电流反比能量转换输入功率≈输出功率损耗：铁损、铜损电磁屏蔽1法拉第笼效应金属外壳阻隔电场2涡流屏蔽变化磁场在导体中产生反向磁场3高频屏蔽趋肤效应与反射电磁兼容性电磁干扰(EMI)设备产生的杂散电磁能量传导干扰与辐射干扰电磁敏感性(EMS)设备对外部干扰的敏感程度抗干扰能力测试EMC设计滤波、屏蔽、接地技术PCB布局与布线优化第八章：前沿课题和未来展望量子电动力学微观电磁相互作用量子理论新型电磁材料超导体、磁性材料研究电磁波新应用太赫兹技术、光子学能量收集技术电磁能量捕获与转换电磁学的最新研究进展10nm纳米电磁