电磁波与天线仿真与实践（上篇共上中下3篇）

《电磁波与天线仿真及实践》课件第二岗位生产管理产品销售售后服务综合测试辅助设计第一岗位

调试

装配检验维修电磁波及天线相关基本知识微波器件及天线相关安装和调试能力电波与天线为什么学本门课程？无线网卡天线PC机通过无线网卡以无线方式传送资料，共享网络资源。

电磁波与天线和生活密切相关手机天线手机天线RFID天线射频识别（RFID）系统中，识读器和标签通过RFID天线发出的无线电波接收读取数据。汽车天线很多汽车都有天线，用于听收音机、GPRS等。电磁波与天线和生活密切相关微波炉中不能用金属器皿，为什么？视频信号为什么一般用同轴电缆传输？一段导线如何传输信号？短波收音机晚上收到的台多，为什么？你能回答这些问题吗？电磁波与天线和生活密切相关（续）电磁辐射对人体有影响吗？飞机为什么会隐身？F117俯视图电磁波与天线和生活密切相关（续）天气对信号传输有影响吗？什么是天线？电磁波与天线和生活密切相关（续）电视接收天线为什么水平放置？——极化什么是回波损耗？——对匹配传输有何影响？远距离通信是靠什么？什么是电磁波？序号

教学内容1绪论2电磁场：电场/磁场/电磁场/电磁波特点及传播3传输线：常见传输线/传输线技术指标4微波器件：常见微波器件/微波器件技术指标5天线：天线作用/分类/基本参数/常见天线6仿真和实验7机动教学内容课程考核方法

过程考核期末考核40%20%40%实验考核考核中强调：主动参与教学环节、分析与解决问题的能力以及对学生职业素质的考核。

课程考核方法考核内容平时综合表现自制天线及小组答辩实验情况仿真设计文件期末考试合计比例20%小组长和老师一起给分10%小组长和老师一起给分10%根据报告10%根据表现10%老师当场打分40%100%说明：1、自制天线和答辩PPT要求每个小组都交，平面波及天线的HFSS仿真设计要求每个人都完成；2、平时综合表现根据平时及网上学习情况；3、实验报告在实验上完后每个人最迟一周后由课代表统一交到老师办公室，老师给分；4、每个小组都要交自制天线，每组答辩当天老师会问每组的每位学生所做工作，由小组长和老师一起给分；答辩小组由各小组长组成。小组专题讲座要求每个小组要制作一个课程相关“十万个为什么”或“军事或生活中的电磁波或天线”PPT，并上台讲解。预计每次课讲一组。课程最后答辩PPT要求说明：1、PPT要求是关于自制天线的详细介绍，包括该天线相关基本概念、仿真模型截图、仿真结果（性能参数）、该天线实物图片、测量结果、特点等，答辩当天将ppt和仿真设计文件拷到讲台电脑桌面上；2、PPT要求：大纲结构正确且各部分内容表达正确除了达到以上要求，还包含图片等，文字无错误、整体感觉舒适除了达到以上要求,文字经过推敲，语句通畅、准确仿真自制对称振子天线的要求仿真实验任务的具体要求：每一组（按组长学号大小定组号）仿真自制对称振子天线或其它天线，若是同种天线，要求天线中心频率不一样，例如，具体如下第1组对称振子天线的中心频率为400MHz；第2组对称振子天线的中心频率为500MHz；第3组对称振子天线的中心频率为600MHz；第4组对称振子天线的中心频率为700MHz；第5组对称振子天线的中心频率为800MHz；第6组对称振子天线的中心频率为900MHz；第7组对称振子天线的中心频率为1000MHz。如何得到不同中心频率的对称振子天线？先根据相关理论得到天线仿真模型变量初值再通过仿真软件对天线仿真模型变量进行参数扫描，找到变化规律，得到恰当变量值。答辩方法答辩小组由各小组长组成。答辩小组成员每人提1-2个问题，时间一般为5—10分钟，侧重课题关键内容提问，内容可包括：PPT内容所涉及的问题，有关基本理论、基本知识和基本技能方面的问题，例如：天线增益的定义是什么。实验报告要求报告内容（要求手写）实验一、用网络分析仪测量滤波器参数实验二、用网络分析仪测量功分器参数实验三、用网络分析仪测量自制天线回波损耗实验四、天线方向性的测量

课程特点专业基础课，能开阔视野，锻炼思维，提高专业素质内容新，内涵广，需要有一定的空间概念。(高等数学，空间解析几何，物理)

课程要求强调基本概念，基本知识，物理意义，训练不多，技巧不多，多思考课前预习；课后及时复习，自己做作业。

电磁技术的发展简史1820

奥斯特发现电流可使磁针偏转…1864：麦克斯韦提出电磁波的存在/麦克斯韦方程1885-1889：赫兹实验证明电磁波的存在，并发现了无线电波1895年马克尼和波波夫分别进行了最初的无线电通信1920年世界上的第一座广播电台建立20世纪30年代：微波点对点通信，横跨英吉利海峡微波中继通信•20世纪二次世界大战：雷达20世纪60年代：卫星通信（基于50年代火箭技术的进步）20世纪70年代：雷达，简易卫星通信，微波中继接力通信20世纪80年代，尤其进入90年代后，互联网、移动通信

赫兹实验将一小段导线弯成圆形，线的两端点间留有小缝隙。因电磁波应在此小线圈上产生感应电压，而使小缝隙间产生火花。电磁波的特点电磁波是客观存在的一种物质形式，通过专门设备可以感觉到它的存在。

传播速度快

f=v波长λ有关波的几个概念（1）振幅A波源偏离平衡位置的最大距离振幅A（2）波长λ两相临波峰（或波谷）之间的距离振动强弱波在一个周期T内传播的距离（3）周期T波源振动一次所需时间（4）频率f波源1s钟振动的次数T＝1f波长λ波在一个周期T内传播的距离设波的传播速度为V有V＝λTV＝λf或振动快慢电磁波的特性（2）电磁波能在真空中传播，其传播速度等于光速：c＝3×108m/s不同频率的电磁波真空中的传播速度相同（1）电磁波是在空间传播的周期性变化的电磁场电磁波的波粒二象性（2）粒子性：在量子物理中把电磁波看成是由静止质量为零的光子组成。（1）波动性：时变电磁场在空间呈现波动性，电磁波的波动性还表现在它具有偏振、折射、反射、绕射、衍射等特征。电磁波谱按照频率或波长的顺序把这些电磁波排列成图表，称之为电磁波谱图10241018101610141010106f(Hz)λ（m）电磁波谱fλ微波宇宙射线

射线X射线紫外线可见光红外线微波毫米波厘米波分米波超短波短波中波长波无线电波电磁波谱电磁波谱包括:γ射线、X射线、光波（包括紫外线、可见光和红外线）微波和无线电波等特点：频率高的波长短无线电波频率

，波长

。低长γ射线频率

，波长

。高短无线波段的划分波段名称波段范围频率范围频段名称甚长波长波中波短波超短波(米波)10000～l00000m1000～10000ml00～1000m10～100m1～10m3～30kHz30~300kHz0.3～3MHz3～30MHz30～300MHz甚低频VLF低频LF中频MF高频HF甚高频VHF

微波

分米波厘米波毫米波亚毫米波10～100cm1～10cm1～10mm0.1～1mm0.3～3GHz3～30GHz30～300GHz300～3000GHz特高频UHF超高频SHF极高频EHF超极高频波段代号频率范围波长范围L1~2GHz30~15cmS2~4GHz15~7.5cmC4~8GHz7.5~3.75cmX8~12GHz3.75~2.5cmKu12~18GHz2.5~1.67cmK18~28GHz1.67~1.07cmKa28~40GHz1.07~0.75cm表

雷达波段的划分收音机利用无线电波传递信息电磁波与通信提问：电磁波仅用于无线通信，对吗？总结●电磁技术的发展●电磁波的频率、波长和速度●电磁波的波粒二象性●电磁波谱图●电磁波的波段划分和应用《电磁波与天线仿真及实践》课件

1.标量与矢量标量(scalar)--------

一个仅用大小就能够完整地描述的物理量

如：电压、温度、时间、质量、电荷等矢量(vector)--------

一个有大小和方向的物理量

如：力、速度、力矩等什么是矢量？什么是标量？(1)矢量的表示矢量的一般表示

空矢(nullvector)或零矢(zerovector)长度为零的矢量是零矢量矢量的大小（模）代表矢量的方向,称为单位矢量

单位矢（量）：大小为1的矢量。

是单位向量吗？矢量的表示方法：写作业时：用带箭头的字母表示矢量书中用黑体字母（例如A）来表示矢量在空间用一有向线段来表示空间直角坐标系：

（2）矢量的坐标表示法AxAzzxyAAyαβγ求矢量的模练习求矢量的模

(3)矢量的代数运算

加法和减法矢量的乘积1.矢量的加法和减法矢量的加减运算同向量的加减，符合平行四边形法则。

矢量的代数运算矢量的加减运算两矢量之和在几何上是以这两矢量为邻边的平行四边形的对角线矢量的加减符合交换律和结合律平行四边形法则；

三角形法则

多边形法则练习求矢量的加减

2.矢量的乘积(1)点积(dotproduct)AB

也称为标量积(scalarproduct)。它等于一个矢量在另外一个矢量上投影与该矢量大小之乘积。

（一）标量积如果两个不为零的矢量的点积等于零，则这两个矢量必然相互垂直。在直角坐标系中练习求矢量的标量积

(2)叉积(crossproduct)任意两个矢量的叉积是一个矢量，故也称为矢量积。方向垂直于矢量A与B组成的平面，且A、B与C成右手螺旋关系AB

C大小等于两个矢量的大小与它们的夹角的正弦之乘积(2)叉积（续）

结论

在直角坐标系中

如果两个不为零的矢量的叉积等于零，则这两个矢量必然相互平行。(2)叉积（续）

在直角坐标系中，叉积还可以表示为练习求矢量的叉积

结论矢量的加减运算同向量的加减，符合平行四边形法则。任意两个矢量的点积是一个标量，任意两个矢量的叉积是一个矢量如果两个不为零的矢量的点积等于零，则这两个矢量必然相互垂直。如果两个不为零的矢量的叉积等于零，则这两个矢量必然相互平行。练习已知某一矢量

和另一矢量，求：·＝？×＝？《电磁波与天线仿真及实践》课件复习上次课内容●电磁技术概述●矢量与标量●矢量的基本运算

电磁场的基本理论

电磁场是电场和磁场的统称。电磁场向四周传播，形成电磁波场的概念场物质与实体物质（媒质）：同：具有物质性客观实在有能量能观察不同点？

场是物质的一种表现形式，场的生成需要场源，场的特性由源和媒质共同决定。用网上flash复习高中电场相关知识

电场和电场的源电场的源1、电荷：静止，运动（电流）点电荷；面电荷；线电荷；体电荷

2、时变的磁场哪些会产生电场？一

、电场力和库伦定律库仑定律

矢量表示N(牛顿)真空介电常数任意均匀介质介电常数在均匀介质中和两个点电荷之间的相互作用力的方向沿着着两个点电荷的连线，同号电荷相斥，异号电荷相吸，作用力的大小与电量q1和q2的乘积成正比。而与两个点间的距离的平方成反比什么是介电常数？介电常数电介质包括瓷器(陶器)，云母，玻璃，塑料等绝缘材料。有些液体和气体可以作为好的电介质材料。干空气是良好的电介质。介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为介电常数(permitivity)。介电常数是相对介电常数与真空中绝对介电常数乘积。

真空的介电常数

蒸馏水如果保持没有杂质的话是好的电介质，其相对介电常数约为80。

常见介质的相对介电常数εr

相对介电常数（relativedielectricconstant），表征介质材料的介电性质或极化性质的物理参数

空气—1

石英—3.8；绝缘陶瓷—6.0；

耐热玻璃—3.8至3.9;纸—2至4

PE—2.3；PVC—3.8

有机玻璃—3.4

对比静电力常量真空中均匀介质中介电常数介电常数带来的影响当一个电介质材料放在两个电荷之间，它会减少作用在它们之间的力，就像它们被移远了一样。如果有高介电常数的材料放在电场中，场的强度会在电介质内有可观的下降。当电磁波穿过电介质，波的速度被减小，有更小的波长。电场力和库伦定律

两个可视为点电荷的带电体之间相互作用力;

无限大真空情况(式中可推广到无限大各向同性均匀介质中F/m)提示：电场力符合矢量叠加原理适用条件当真空中引入第三个点电荷q3时，试问q1受到的作用力改变吗？二、电场强度E（ElectricFieldIntensity

）

定义：E=F/q0单位正电荷在电场中所受到的力。单位：伏特/米（V/m）物理含义：全面、准确描绘了电场的强弱（大小）程度电场强度的叠加原理:点电荷组产生的电场在某点的场强等于各点电荷单独存在时所产生的电场在该点场强的矢量叠加

例：点电荷的电场强度

EFQr图点电荷周围的电场

例：如图所示带电体系，由两个点电荷＋q和－q组成，两者相距l，求P和Q两点的电场强度。解：P点的电场强度。Q点的电场强度。

电力线

方向

疏密Ea

aEb

bEc

c图电力线电场线的基本性质在静电场中电力线不形成闭合曲线；电场线起源于正电荷，终止于负电荷，或延伸到无穷远处，但不会在没有电荷处中断；在没有电荷处，两条电力线不会相交，因为电场中每一点的场强只能有一个确定的方向。电位移矢量D

相同的场源电荷当周围是不同电介质时，在同样距离的同一点电场强度一样吗？答：是不一样的定义：电通密度D，又叫做电位移矢量

相同的场源电荷当周围是不同电介质时，在同样距离的同一点电位移矢量D一样吗？答：是一样的。电位移矢量D是与电介质的介电常数无关的物理量电通量Φe与高斯定理电场中面元的电通量为研究表明：均匀介质中电场中任意一个闭合曲面的电通量等于该曲面内电荷的代数和除以介电常数ε，即：

这就是高斯定理。因D=εE，故

=q电通量Φe与高斯定理静电场环路定理

设点电荷从静电场中的一点沿某一曲线运动至另一点，则电场力所做的功为：静电场环路定理：静电场沿任一闭合曲线的环路积分为零。电场力所做的功只取决于运动电荷的始末位置而与路径无关。等势面（又叫等位面）电场中电势相等的点组成的曲面叫等势面，等势面处处与电场线垂直。场强较大处等势面较密，反之较疏，因此，等势面的疏密程度可以反映场强的大小。规定：单位正电荷从某点移动到参考点时电场力所做的功，叫做点的电势（电位），记作U孤立带电导体表面的电场分布对于孤立的带电导体来说，一般情况下，导体向外突出的地方（曲率为正且较大）电荷较密；比较平坦的地方（曲率为正且较小）电荷较疏；向里凹进的地方（曲率为负）电荷最疏。Aab如图是验证尖端电荷密度大的一个演示实验。尖端放电尖端放电提前放电避雷针由于尖端附近场强较大，该处的空气可能被电离成导体而出现尖端放电现象。夜间看到的高压电线周围笼罩着的一层绿色光晕（电晕），就是一种微弱的尖端放电形式。尖端放电导致高压线及高压电极上电荷的丢失，尖端放电也可以利用。静电平衡当电子不作宏观有规则的运动时，我们说导体处于静电平衡状态。导体处于静电平衡状态时，其内部各点的场强为零。处于静电平衡状态的导体内部是没有电荷，电荷只能分布在导体表面。处于静电平衡状态的导体是等势体，其表面是等势面，所以在导体外，紧靠导体表面的场强方向与导体表面垂直。封闭导体壳内外的电场分布封闭导体壳（不论接地与否）内部电场不受壳外电荷的影响；接地封闭金属壳外部电场不受壳内电荷的影响，这种现象叫做静电屏蔽。1.中空导体外部有一个正电荷，位于中空部位处的电场强度是多少？为什么？2.接地中空导体的中空部位有一个正电荷，位于导体外部1米处的电场强度是多少？为什么？静电屏蔽导体壳不接地时壳外电场不为零导体壳接地时壳外电场为零静电屏蔽屏蔽使金属导体壳内的仪器或工作环境不受外部电场影响，也不对外部电场产生影响。有些电子器件或测量设备为了免除干扰，都要实行静电屏蔽静电屏蔽在电工和电子技术中有广泛的应用，比如高压电力设备安装金属栅网，电子仪器的整体或部分用接电金属外壳等都是静电屏蔽应用的例子。概念辨析电场的能量若电容器内为均匀电介质，则板间E和E为常量，电能在电容器内应均匀分布，所以电能的密度为：上式虽然是从电容这一特例推出，但理论研究表明，它对一般情况也成立，如果求不均匀电场的能量，则可对上式进行积分。总结●电场和电场的源●电场力和库伦定律●电场强度与电位移矢量D●电力线●电通量与高斯定理●静电场环路定理●等势面●尖端放电●静电屏蔽、静电平衡、静电感应●电场的能量《电磁波与天线仿真及实践》课件01电磁场是矢量场04导体与电介质02电荷与电场03电场强度与电力线复习上次课相关知识磁场本次授课内容高中知识复习归纳94磁源（磁铁、电流）磁感线磁场对电流的作用安培力：F=BIL左手定则磁场对运动电荷的作用洛仑兹力:f洛=Bqv左手定则磁铁电流（三种）磁场B安培定则(磁现象电本质)(B与I垂直)磁通量带电粒子在磁场的运动本次课内容95二、磁场的源一、对磁现象的一般认识三、磁场的对外表现四、磁感应强度B五、磁场强度六、磁力线七、磁通量及相关定理八、磁场的能量一、对磁现象的一般认识96天然磁石、人工磁铁、磁性、磁极（N极、S极）图磁铁和指南针SN一、对磁现象的一般认识97地磁场特点：地磁场的N极在地球南极附近，S极在地球北极附近。二、磁场的源98天然磁石、人工磁铁、流动的电荷（电流）：恒稳磁场 时变磁场时变的电场时变磁场二、磁场的源99三、磁场对外的表现100（2）磁场对引入磁场中的其它运动电荷或载流导体有磁力作用；（2）载流导体在磁场中移动时，磁场的作用力将对载流导体做功。这些说明了磁场的物质性。

三、磁场对外的表现101磁场对引入磁场中的其它运动电荷或载流导体有磁力作用102左手定则磁场对引入磁场中的其它运动电荷或载流导体有磁力作用103练习104答案：C四、磁感应强度B105电流元是产生磁场的最基本的单元

电场强度曾被理解为单位正电荷所受到的电场力，则磁感应强度B也可以理解为单位电流元所受到的最大磁场力。单位：特斯拉（Tesla），国际代号为T

106磁场的方向一般是用小磁针来确定的。约定，在磁场中任一点，小磁针北极（N极）受力的方向，亦即小磁针静止时北极（N极）所指的方向，就是那一点的磁场方向。四、磁感应强度B107(1)通电直导线：用右手握住通电直导线，让大拇指指向电流的方向，那么四指的指向就是磁感线的环绕方向；

(2)通电螺线管：用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。

(3)磁感线方向判断：在磁体外部磁感线由N极指向S极，在磁体内部由S极指向N极。

四、磁感应强度B也可以按右手螺旋法则来确定。右手螺旋法则表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则，也叫安培定则。右手安培定则108右手安培定则109毕奥—萨伐尔定律110描述了电流产生磁场的基本规律。毕萨定律任一电流元Idl在给定点所产生的磁感应强度dB的大小与电流元Idl的大小成正比，与电流元和由电流元到点的矢径间的夹角的正弦成正比，而与电流元到点的距离r的平方成反比。磁感应强度的方向垂直于电流元Idl和矢径所组成的平面。毕奥—萨伐尔定律111图中，

x是场点的位置矢量，r是电流元到场点的距离，是这方向的单位矢量.

——图中，P点的dB沿什么方向？毕奥—萨伐尔定律112任意形状的载流导线在给定点产生的磁场，等于各段电流元在该点产生的磁场的矢量和而长为L的载流直导体在P点所产生的磁场无限长直线电流周围所产生的磁场呢？五、磁场强度113在同一导体中通以相同的电流时，那么在相同位置点不同媒质（磁导率不一样）中的磁感应强度B一样吗？答：是不一样的在研究磁场的基本性质时，也需要找出一个与媒质磁导率无关的量，这就是磁场强度H。它是一个矢量，其单位为安／米（A/m）。它与磁感应强度之间有如下的关系：

式中μ称为媒质的磁导率五、磁场强度114磁导率大、磁感应强度B也大，即它和媒质磁导率成正比。磁场强度H和电场中的电位移矢量D一样，均与媒质的性质无关。真空磁导率μ0=4π×10-7亨利/米（H/m）。其它媒质的磁导率与真空磁导率之比定义为相对磁导率，其值等于相对磁导率可用来评估一种导磁材料其磁化容易的成度，例如钢(steel)相对磁导率约介於2000～6000之间，空气的磁导率与真空几乎是相同的。五、磁场强度115(1)顺磁性物质。如铝、铂、铬、氮等。这类物质在外磁场的作用下，原分子的磁效应会有些改变，不完全抵消，对外呈现微弱的磁性，其附加磁场的方向随与原磁场相同，但量值极小，其相对磁导率约在μr≈1＋a×10-6。(2)逆磁性物质。如铜、银、金、铋、氢等。这类物质在外磁场的作用下，部分分子磁效应不能抵消，也会呈现微弱的磁性，但其附加磁场的方向和外磁场相反，其相对磁导率μr≈1－a×10-6。表1中列举了几种顺磁和逆磁材料的相对磁导率。表1顺磁性和逆磁性材料116表1顺磁性和逆磁性材料117（3）铁磁性物质。如铁、镍、钴、及其合金。这类物质在外磁场作用下，磁感应强度得到明显的增加，所以铁磁性物质具有很高的磁导率，其相对磁导率μr>>1。居里发现：当温度高到一定程度后，铁磁质转变成低磁导率的顺磁性物质，这一转变温度称为居里温度。（4）铁氧体。其基本化学式为MFe2O4，其中M代表铁、锰、镍、钴等二价金属原子。铁氧体是一种黑褐色陶瓷材料，它的特点是电阻率高，ρ＝108～1010Ω·m，铁磁损耗小。磁导率稍低于铁磁性材料，但也远大于1。当对铁氧体施加恒定磁场后，会变成各向异性，它在无线电领域获得广泛应用。表2几种常用铁磁性物质的相对磁导率118六、磁力线119至于如何表示磁场的强弱，我们规定：通过磁场中某点处垂直于B矢量单位面积的磁感应线数等于该点B矢量量值。磁感应线又简称为磁力线,是为了形象地描述磁场而引入的假想的曲线，实际上是不存在的。磁力线有以下几个特点：1、磁感线的密疏程度表示磁场的强弱。2、磁感线上任一点的切线方向都跟该点的磁场方向一致。3、任何两条磁感线都不相交。4、磁感线是闭合曲线。六、磁力线120几种不同形状的电流所产生的磁场的磁感应线如图所示。图磁场的磁感应线电流磁场的截面图121××××····I·II·······×××××××××I××××····直线电流环形电流通电螺线管七、磁通量

122通过一给定曲面的总磁感应线数，称为通过该曲面的磁通量，用Φm或Φ表示。

磁通量的单位为韦伯（Weber），国际代号为Wb。对闭合曲面来说，一般规定取相外的指向为正法线的指向。

在曲面上取面积元dS，dS的法线方向与该点处磁感应强度方向之间的夹角为θ，这样，通过面积元dS的磁通量

dΦm＝BcosθdS＝B●dS

磁场中的高斯定理

123通过任一闭合曲面的总磁通量必然是零

静电学中的高斯定理

安培环路定理124真空中磁感应强度B沿任意闭合环路L积分，等于穿过这个环路的所有电流强度的代数和I的μ0倍。安培环路定理125八、磁场的能量126如果通电螺线管产生磁场的磁能密度（即单位体积内的磁能）为

这里H为环形螺线管中心线上的磁场强度值。若磁能Wm的单位为焦耳（J），则磁能密度wm的单位为焦耳／米3（J／m3）。该公式虽然是从特例得出的，但可以证明它对任何磁场均实用。对于非均匀磁场，可在整个磁场对上式进行积分求得：

总结127磁场的源、电流与磁场磁场的对外表现磁感应强度与磁场强度磁介质与磁导率磁力线磁通量与磁场中的定理磁场的能量练习题128【例题1】关于磁场和磁感线的描述，下列哪些是错误的？

A.磁感线的箭头指向就是磁场的方向；

B.磁感线从磁体的N极出发到磁体的S极终止；

C.两条磁感线的空隙处不存在磁场；

D.两条磁感线不可能相交。【答案】ABCThanks

课程完毕《电磁波与天线仿真及实践》课件复习上次课相关知识●电流与磁场●磁感应强度与磁场强度●磁力线与磁场中的定理●磁介质与磁导率内容提要

法拉第电磁感应定律

楞次定律

1831年英国法拉第发现电磁感应现象建立电磁感应定律探究活动（观察实验现象）法拉第电磁感应定律闭合回路中有感应电流产生时，说明回路中存在着某种电动势，这种因穿过导体回路的磁感应通量发生变化而出现的电动势叫做感应电动势。问题1根据电路知识可知：若要使电路中有电流，则电路中必须有电源。而在电磁感应时,电路中也有感应电流,那么此电路中是否也存在电动势（电源）呢？

法拉第电磁感应定律当穿过闭合线圈的磁通量改变时，线圈中出现电流。这个现象叫电磁感应。电磁感应中出现的电流叫感应电流，它和其它电流没有本质的区别。要在闭合电路中维持电流必须接入电源。单位电荷从电源一端经电源内部移至另一端时非静电力做的功就是电源的电动势。感应电流的产生说明在闭合的电路中一定存在着感应电动势。大量实验表明，电路中的感应电动势ue与穿过电路的磁通量的变化率成正比：当感应电动势ue的单位为伏特，磁通量的单位为韦伯，时间的单位为秒时，k=1。ue

法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律说明，只要闭合电路的磁通量发生变化，电路中就有感应电动势产生，并没有说明这种变化起于什么原因。因为磁通量是磁感应强度对某个曲面的通量，磁通量变化的原因无非有以下三种情况：（1）B不随时间变化（即恒定磁场），而闭合电路的整体或局部在运动。这样产生的感应电动势叫动生电动势。（2）B随时间变化，而闭合电路的任一部分都不动，这样产生的感应电动势叫感生电动势。（3）B随时间变化的同时，闭合电路也在运动。不难看出，这时的感应电动势是动生电动势和感生电动势的迭加。图感生电动势

回路不变，磁场随时间变化这样产生的感应电动势称为感生电动势，这是变压器工作的原理，又称为变压器电势。回路切割磁力线，磁场不变称为动生电动势，这是发电机工作原理，又称为发电机电势。利用线圈和三极管实现“隔空输电”回路并不闭合，这种感应电动势仍然存在吗？实验证明，即使回路并不闭合，这种感应电动势仍然存在，且与回路的电阻大小无关，感应电动势比感应电流更能反映电磁感应现象的本质。因此，对于电磁感应现象可作更广泛地理解：当磁场变化时，或者导体在磁场中运动时，在导体中将产生感应电动势。探究活动当磁铁分别向下插入和向上拔出有何不同呢？楞次定律楞次定律俄国物理学家楞次在法拉第研究成果的基础上，通过实验总结出如下规律：感应电流的磁通量总是试图阻碍引起感应电流的磁通量的变化。（即：闭合回路中感应电流的方向，总是企图使它所激发的磁场来阻止引起感应电流的磁通量的变化（增加或减少），这个结论叫做楞次定律。）1、下列关于产生感应电流的说法,正确的是()A、只要穿过线圈的磁通量发生变化，线圈中就一定有感应电流B、只要闭合导线做切割磁感线运动，导线中就一定有感应电流C、闭合电路的一部分导体，若不做切割磁感线运动，则闭合电路中就一定没有感应电流D、当穿过闭合电路的磁通量发生变化时，闭合电路中就一定有感应电流/x/cover/mzc00200dqracpv/s003345x9tx.html总结●电场与磁场之间的联系●法拉第电磁感应定律/楞次定律《电磁波与天线仿真及实践》课件内容提要

位移电流

麦克斯韦方程组电磁波的速度电磁波的波阻抗能流密度矢量

交变磁场将产生交变电场

动磁生电这新生的交变电场即感生电场，并具有以下性质：（1）感生电场与静电场相比，对电荷均有作用力，并均可用电力线（或电位移线）来表征起性质。但静电场的电力线是起于正电荷，止于负电荷，即有头有尾的，而感生电场电力线则是无头无尾的闭合曲线。（2）感生电场有交变磁场产生，其方向根据右手螺旋定则确定。因而感生电场E与交变磁场H必然是彼此垂直的，即E线与H线正交，如图所示。（3）感生电场有交变磁场产生，所以感生电场也是交变的。在均匀介质中，感生电场将随交变磁场变化规律变化。例如，交变磁场按余弦规律变化，则感生电场也将按余弦规律变化。感生电场与静电场区别动电生磁:。流动的电荷（电流）变化的电场激发变化的磁场

{恒稳磁场 时变磁场传导电流：

在外电场的作用下，金属中自由电子的有规则运动或者电解质溶液中离子的有规则运动所形成的电流。

运流电流：

电真空器件带电粒子形成的电流。

位移电流：

介质中时变电场对时间的变化率产生。电流位移电流按照基尔霍夫定律，流入节点的电流应等于流出节点的电流，说明电流是连续的。但对于含有电容的电路，这个定律似乎不成立。比如我们将观察点设置在一极板A上，IA入≠IA出。但就整个电路来说IA入＝IB出。那么电流IA入在电容极板间是怎样传递的呢？不难设想，在极板间的真空区域中存在同一量值的电流，但它不以电荷的形式出现。位移电流ID和位移电流密度JD动电生磁。全电流

I＝IC＋ID＋Ie

麦克斯韦总结了位移电流、传导电流、运流电流的特性。提出了全电流的学说，指出无论是何种电流，它们在产生磁效应方面是等同的。习惯上用字母ID、IC、、Ie分别表示位移电流、传导电流、运流电流。所谓全电流指三者总和

1865年英国麦克斯韦建立电磁场理论麦克斯韦方程组第一方程称为全电流方程，说明动电生磁。指出电荷运动形成电流，可以产生磁场，变化的电场同样也能产生变化的磁场；第二方程称为法拉第电磁感应定理，说明动磁生电指出变化的磁场能产生变化的电场；第三方程是磁场的高斯定理，说明磁力线呈闭合的回线；第四方程是电场的高斯定理，用以阐明电场受到电荷的制约。

麦克斯韦方程组它全面地描述了电磁场矢量（包括电荷及电流）的空间分布和时间变化所遵循的规律。麦克斯韦根据这些规律,断定光与电磁波有同一属性,并且都以同样的有限速度，即光速传播。这个论断为H.R.赫兹在1887年的电磁波实验所证明，是近代无线电技术的基本依据。

物质的本构方程式J＝σE、D＝εE、B＝μH组成了描述物质电磁性质的基本方程、常称为本构方程。而ε、μ、σ正是描绘电磁特性的最基本参量。因此，站在不同侧面上可对媒质进行分类，按媒质的导电能力σ来分，媒质可分为两类：导体和介质。理想导体的σ值趋向无穷大。介质为理想的绝缘体，σ值为零。介电常数ε是反映介质电极化能力。依据媒质的磁特性参数μ来分，磁介质可分为四类：顺磁性物质、逆磁性物质、铁磁性物质和铁氧体。

电磁总能量电场能量密度为

（2-20）磁场的磁能密度（即单位体积内的磁能）为

在电、磁场并存的空间中，单位体积内的电磁能w应由下式决定

电磁波的速度理论和实验证明，在均匀介质中电磁波的传播速度为

在真空中，记为

≈3.0×108m/s。 当电磁波传播时，其波频f与波源同，工作波长