电磁场与电磁波PPT
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电磁场与电磁波第三章静态场及其边值问题的解PPT课件
解法的优缺点
分离变量法的优点是简单易行，适用于具有多个变量 的偏微分方程。但是，该方法要求边界条件和初始条
件相互独立，且解的形式较为复杂。
有限差分法的优点是简单直观，适用于各种形状的求 解区域。但是，该方法精度较低，且对于复杂边界条
件的处理较为困难。
有限元法的优点是精度较高，适用于各种形状的求解 区域和复杂的边界条件。但是，该方法计算量大，且
05 实例分析
实例一：简单电场的边值问题求解
总结词
通过一个简单的电场边值问题，介绍如 何运用数学方法求解静态场的边值问题 。
VS
详细描述
选取一个简单的电场模型，如平行板电容 器间的电场，通过建立微分方程和边界条 件，采用有限差分法或有限元法进行数值 求解，得出电场分布的解。
实例二：复杂电场的边值问题求解
恒定磁场与准静态场的定义与特性
恒定磁场
磁场强度不随时间变化的磁场。
准静态场
接近静态场的动态场，其特性随 时间缓慢变化。
特性
恒定磁场与准静态场均不产生电 磁波，具有空间稳定性和时间恒
定性。
恒定磁场与准静态场的边值问题
边值问题
描述场域边界上物理量（如电场强度、磁场强度）的约束条件。
解决边值问题的方法
静电屏蔽
在静电屏蔽现象中，静态 场用于解释金属屏蔽壳对 内部电荷或电场的隔离作 用。
高压输电
在高压输电线路中，静态 场用于分析电场分布和绝 缘性能。
02 边值问题的解法
定义与分类
定义
边值问题是指在一定的边界条件下，求解微分方程或积分方程的问题。在电磁场理论中，边值问题通常涉及到电 场、磁场和波的传播等物理量的边界条件。
特性
空间均匀性
电磁场与电磁波 PPT
合成波得平均能流密度矢量
S1av
1 2
Re[E1(r )
H1 (r )]
1 2
Re[ex E1y (r )H1z (r )
பைடு நூலகம்
ez E1y (r )H1x (r )]
eexx
24EEimim
11
ssinini isisnin2 (2k(1kz1czocsosi) i
)
例6、4、1 当垂直极化得平面波以角度i 由空气向无限大得理
电磁场与电磁波
因此得到,产生全反射得条件为:
电磁波由稠密媒质入射到稀疏媒质中,即ε1 >ε2
入射角不小于c arcsin 2 1 , c 称为全反射的临界角。
对全反射得进一步讨论
θ i <θc 时,不产生全反射
θ i =θc 时， sint
1 2
sin c
1
t 90o
// 1
2
1 c
arcsin
0 4 0
6
可见入射角θi＝π/ 3大于临界角θc＝π/ 6 ,此时发生全反射。
入射得圆极化波可以分解成平行极化与垂直极化得两个线极 化波,虽然两个线极化波得反射系数得大小此时都为1,但它们得相 位差不等于±π/ 2,因此反射波就是椭圆极化波。
例6、3、1 下图为光纤得剖面示意图,如果要求光波从空气进 入光纤芯线后,在芯线与包层得分界面上发生全反射,从一端传至另 一端,确定入射角得最大值。
透射波沿分界面方向传播,没有沿z方向传播得功率,并且反射功 率密度将等于入射功率密度。
θ i >θc 时,
sint
1 2
sin i
1
// 1
ktz k2 cost k2 1 sin 2 t
电磁场与电磁波ppt完美版课件
探究一
探究二
随堂检测
画龙点睛变化的磁场周围产生电场,与是否有闭合电路存在无关。
2.对麦克斯韦电磁场理论的理解
探究一
探究二
随堂检测
实例引导例1根据麦克斯韦电磁场理论,下列说法正确的是( )A.有电场的空间一定存在磁场,有磁场的空间也一定能产生电场B.在变化的电场周围一定产生变化的磁场,在变化的磁场周围一定产生变化的电场C.均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场D.周期性变化的磁场周围空间一定产生周期性变化的电场解析:根据麦克斯韦电磁场理论,只有变化的电场才能产生磁场,均匀变化的电场产生恒定的磁场,非均匀变化的电场产生变化识
自我检测
1.正误判断。(1)电磁波也能产生干涉、衍射现象。( )答案:√(2)电磁波的传播不需要介质,可以在真空中传播。答案:√2.探究讨论。为什么电磁波是横波?答案:根据麦克斯韦电磁场理论,电磁波在真空中传播时,它的电场强度和磁感应强度是相互垂直的,且二者均与波的传播方向垂直。因此,电磁波是横波。
探究一
探究二
随堂检测
规律方法理解麦克斯韦的电磁场理论的关键掌握四个关键词:“恒定的”“均匀变化的”“非均匀变化的”“周期性变化的(即振荡的)”,这些都是对时间来说的,是时间的函数。
探究一
探究二
随堂检测
变式训练1如图所示的四种电场中,哪一种能产生电磁波( )
解析:由麦克斯韦电磁场理论,当空间出现恒定的电场时(如A图),由于它不激发磁场,故无电磁波产生;当出现均匀变化的电场时(如B、C图),会激发出磁场,但磁场恒定,不会激发出电场,故也不会产生电磁波;只有振荡的电场(即周期性变化的电场)(如D图),才会激发出振荡的磁场,振荡的磁场又激发出振荡的电场……如此周而复始,便会形成电磁波。答案:D
电磁场与电磁波 课件
国际标准
国际非电离辐射防护委员会（ ICNIRP）制定了电磁辐射的安全标 准，限制了公众暴露在特定频率和强 度的电磁场中的最大容许暴露量。
各国标准
不同国家和地区根据自身情况制定了 相应的电磁辐射安全标准，以确保公 众的健康安全。
电磁波的防护措施
远离高强度电磁场
尽量减少在高压线、变电站、雷 达站等高强度电磁场区域的停留
射电望远镜是射电天文学的主要观测设备，可以接收来自宇宙的微弱射电信号。
射电天文学的发展对于人类认识宇宙、探索宇宙奥秘具有重要意义。
电磁波探测与成像
电磁波探测与成像技术利用电磁波的 特性，实现对物体内部结构的探测和 成像。
电磁波探测与成像技术对于医学诊断 、无损检测等领域具有重要意义。
医学上常用的超声波、核磁共振等技 术都是基于电磁波的探测与成像原理 。
这些物理量在电磁场与物质相互作用中起着重要作用，例如在光子与物 质的相互作用中，光子的能量和动量会与物质的能量和动量发生交换。
06
电磁场与电磁波的计算机模 拟
时域有限差分法（FDTD）
总结词
一种用于模拟电磁波传播的数值方法，通过在时域上逐步推进电磁场的变化来求解波动 方程。
详细描述
时域有限差分法（FDTD）是一种基于麦克斯韦方程组的数值计算方法，通过将电磁场 分量在空间和时间上交替离散化，将波动方程转化为差分方程，从而在计算机上实现电 磁波传播过程的模拟。这种方法在计算电磁波传播、散射、吸收等过程中具有广泛的应
磁场
磁Hale Waihona Puke 和电流周围存在的一种特殊 物质，对其中运动的磁体和电流 施加力。
电磁场与电磁波的产生
1 2
3
变化的电场产生磁场
根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场在其周围产生磁场 。
国际非电离辐射防护委员会（ ICNIRP）制定了电磁辐射的安全标 准，限制了公众暴露在特定频率和强 度的电磁场中的最大容许暴露量。
各国标准
不同国家和地区根据自身情况制定了 相应的电磁辐射安全标准，以确保公 众的健康安全。
电磁波的防护措施
远离高强度电磁场
尽量减少在高压线、变电站、雷 达站等高强度电磁场区域的停留
射电望远镜是射电天文学的主要观测设备，可以接收来自宇宙的微弱射电信号。
射电天文学的发展对于人类认识宇宙、探索宇宙奥秘具有重要意义。
电磁波探测与成像
电磁波探测与成像技术利用电磁波的 特性，实现对物体内部结构的探测和 成像。
电磁波探测与成像技术对于医学诊断 、无损检测等领域具有重要意义。
医学上常用的超声波、核磁共振等技 术都是基于电磁波的探测与成像原理 。
这些物理量在电磁场与物质相互作用中起着重要作用，例如在光子与物 质的相互作用中，光子的能量和动量会与物质的能量和动量发生交换。
06
电磁场与电磁波的计算机模 拟
时域有限差分法（FDTD）
总结词
一种用于模拟电磁波传播的数值方法，通过在时域上逐步推进电磁场的变化来求解波动 方程。
详细描述
时域有限差分法（FDTD）是一种基于麦克斯韦方程组的数值计算方法，通过将电磁场 分量在空间和时间上交替离散化，将波动方程转化为差分方程，从而在计算机上实现电 磁波传播过程的模拟。这种方法在计算电磁波传播、散射、吸收等过程中具有广泛的应
磁场
磁Hale Waihona Puke 和电流周围存在的一种特殊 物质，对其中运动的磁体和电流 施加力。
电磁场与电磁波的产生
1 2
3
变化的电场产生磁场
根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场在其周围产生磁场 。
电磁场与电磁波课件
电磁波的散射与衍射
散射
当电磁波遇到尺寸远小于其波长 的障碍物时，会产生散射现象， 散射波向各个方向传播。
衍射
当电磁波遇到尺寸接近或大于其 波长的障碍物时，会产生衍射现 象，衍射波在障碍物后形成复杂 的干涉图样。
03
电磁波的辐射与接收
天线的基本概念与分类
天线的基本概念
天线是用于发射和接收电磁波的设备，在通信、雷达、无线电等系统中广泛应 用。
再经过信号处理得到目标的图像。
02
系统组成
红外成像系统主要由光学系统、红外探测器和信号处理系统组成。
03
电磁场与电磁波在红外成像中的应用
电磁场与电磁波在红外成像中用于接收目标的辐射信息，经过处理得到
目标的图像。
05
电磁场与电磁波实验
电容与电感测量实验
总结词
掌握电容和电感的基本测量方法
详细描述
通过实验学习如何使用电桥、交流电桥等基本测量工具，了解不同类型电容和电感的工作原理和测量方法，掌握 电容和电感的基本特性。
折射率与波长有关
不同媒质对不同波长的电磁波有不 同的折射率。
电磁波的反射与折射
反射定律
当电磁波遇到不同媒质的分界面时， 一部分能量返回原媒质，一部分能量 进入新媒质。反射波和入射波的振幅 和相位关系遵守反射定律。
折射定律
当电磁波从一种媒质进入另一种媒质 时，其传播方向发生改变，这种现象 称为折射。折射定律描述了折射角与 入射角、折射率之间的关系。
电磁场与电磁波课件
目录
• 电磁场的基本概念 • 电磁波的传播特性 • 电磁波的辐射与接收 • 电磁场与电磁波的应用 • 电磁场与电磁波实验 • 总结与展望
01
电磁场的基本概念
电磁场与电磁波课件ppt(电子科技大学)第五章 均匀平面波在无界媒质中的传播
电磁场与电磁波 第5章 均匀平面波在无界媒质中的传播
3
5.1 理想介质中的均匀平面波
5.1.1 一维波动方程的均匀平面波解 5.1.2 理想介质中均匀平面波的传播特点 5.1.3 沿任意方向传播的均匀平面波
电子科技大学编写
高等教育出版社出版
电磁场与电磁波 第5章 均匀平面波在无界媒质中的传播
4
5.1.1 一维波动方程的均匀平面波解 设在无限大的无源空间中，充满线性、各向同性的均匀理想
H1y
0
0 120 377 0
同理，对于 E2 ex E2x ex A2e jkz
1
H2 (ez ) E2
结论：在理想介质中，均匀平面波的电场强度与磁场强度相
互垂直，且同相位。
电子科技大学编写
高等教育出版社出版
电磁场与电磁波 第5章 均匀平面波在无界媒质中的传播
解：以余弦为基准，直接写出
H
(z,t)
ey
1
3
E(z,t) 0H (z,t
cos(t z)
)
(ez
)
ex
40
A/m cos(t
z)
V/m
因 30 rad/m，故
2 2 0.21 m , f c 3108 45 108 1.43109 Hz
E(z,t) exEx ex104 cos(t kz )
2 f 2 108 rad/s
k
c
r r
2 108
3108
4 4 rad/m
3
对于余弦函数，当相角为零时达振幅值。考虑条件t = 0、z =1/8m
电磁场与电磁波PPT
I(z)
Il
coshzUl
Z0
sinhz
❖ 将上式写成矩阵形式为
U I((zz))Z1c0soisnzhzh Zc0soisnzhzhU Ill
16
7.1 均匀传输线的分析
❖ 传输线方程解的分析
▪ 令γ=α+jβ，那么在7-1-6式中，α可以看作是衰减常数， β可以看作是相位常数，因此电压和电流均可以看作是 前向波与后向波的叠加
7.1 均匀传输线的分析
❖ 传输线中的重要参量
▪ 传播常数γ
(R j L )G (j C ) j
▪ 对于均匀无耗传输线，R=G=0，有 j LCj ▪ 对于损耗很小的传输线， 即满足R<<ωL, G<<ωC时：
( R j L )(G j C )
j L (1 j R ) j C (1 j G )
2
传输线 ❖ 传输线的主要类型
3
7.1 均匀传输线的分析
❖ 均匀传输线的电路等效
▪ 一般将截面尺寸、 形状、 媒质分布、 材料及边界条件 均不变的导波系统称为规则导波系统，又称为均匀传 输线，它可以用两根平行导线来表示。
(a)
4
(b)
7.1 均匀传输线的分析
❖ 均匀传输线的电路等效
▪ 当高频电流通过传输线时，导线将产生热耗，这表明 导线具有分布电阻；由于导线间绝缘不完善而存在漏 电流，这表明沿线各处有分布电导；电流通过导线， 在周围产生磁场，即导线存在分布电感；两导线间存 在电压，其间有电场，则导线间存在分布电容。这四 个分布元件可分别用单位长度的分布电阻R、分布漏电 导G、分布电感L和分布电容C来描述。
❖ 所以有
u(zz,t)u(z,t)Rz(iz,t)Lzi(z,t)
电磁场与电磁波7.6带电粒子在磁场中的运动.ppt
四、霍尔效应
d
+++++
I
E vB
u El
l
vBl
-----
电流强度 I nqvS nqv(ld )
u 1 IB K IB
nq d
d
v I nq(ld )
霍尔系数 K 1 nq
说明 (1) 通过测量霍尔系数可以确定导电体中载流子浓度
研究半导体材料性质的有效方法（浓度随杂质、温度等 变化）
1.横向磁约束——约束带电粒子在一根磁场线附近
R mv qB
向强磁场区域运动，运动半径不断减少
2. 纵向磁约束—— 粒子运动发生“反射”
f
f// f
f //
e
v
B
f// 减少粒子纵向速度，
进而使其“反射” 。
f
f
磁镜
磁镜效应—在非均匀磁场 中，纵向运动受到抑制
3.磁镜效应的典型应用
受控热核聚变实验研究
能约束运动带电粒 子的磁场分布称为磁 镜约束 —— 磁瓶
线圈
4.地球的磁约束效应 —— 天然磁瓶
高温等离子体 线圈
四、霍尔效应
+++++
v --
Fe eE
E vB
Fm evB ---
I V
B 1879年,霍尔发现在一个通有电流的导体板上，若垂直于板 面施加一磁场，则在板面两侧会出现微弱电势差
二、带电粒子在均匀磁场中的运动
1.v
B
qvB mv 2 R
R mv qB
粒子回转周期
T 2R 2m v qB
回转周期与速度无关
v
q f
正负 电子 在气 泡室 中的 轨迹
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Interconnect Substrates
Simulate signal integrity
12
现代电子技术
13
连接中的电磁场问题
Ansoft use only
14
信号完整性
15
阵列天线
16
低噪放设计
17
汽车EMI/EMC
E field H field
电磁场与我们密不可分
18
电磁场课程特点
① 是电子工程类专业的主要基础课程之一，它不仅是 许多专业课程的重要基础，而且是许多新兴边缘学 科的发展基础和生长点。 ② 从电磁场的角度研究物质的基本属性、运动规律及 其相互作用。理论严谨、体系完整，其逻辑推理、 数学物理分析方法及所研究的电磁场运动规律都具 有独特之处，具有一定的代表性。 ③ 通过学习使学生开阔视野，学会从场的角度观察问 题、分析问题、解决问题。在学习内容上，学生应 掌握电磁场的基本性质、典型分析方法；正确理解 电磁场的基本概念，并能运用这些概念，从电磁场 的角度分析和处理一些典型的电磁场问题；对电磁 场及电磁波的整体理论体系有一个比较完整的理解。
② 考核方式：
作业 20％ 期中考核 30％ 期末考核 50％
3
答疑辅导时间
① 每周交1次作业
② 每周安排2次答疑
4
辅导老师
1名教辅老师/小班
5
大纲
① ② ③ ④ 参考本课程的教学大纲 课前预习 课后复习 先修课程：数学分析、高等代数、复变函 数与积分变换、基础物理学 ⑤ 安排课件、演示实验、看有关录像、写大 型作业
电磁场理论讲稿
第1讲 绪论
电子信息工程学院
学时、学分及教材
① 时间：第1-17周
② 学生：3602级本科生 ③ 学时：68学时 ④ 学分：4学分 ⑤ 教材：《工程电磁场基础》(徐永斌等)， 北航出版社
2
参考书及考核方式
① 参考书：
A.
B.
C.
D.
E.
《电磁场理论学习辅导与典型题解》，苏东林、陈爱 新、谢树果等，电子工业出版社，2005年。 《电磁场与电磁波》（第4版），谢处方、饶克谨， 高等教育出版社，2006年。 《工程电磁场导论》，冯慈璋、马西奎，高等教育出 版社，2000年。 《电磁场与电磁波》（第2版），杨儒贵，高等教育 出版社，2007年。 《工程电磁场原理》，倪光正，高等教育出版社， 2002年。
11
电磁场理论与现代通信技术
Calculate R, L, C Matrices Connectors Packages Cables
Plot fields PCB
Create SPICE netlists
L002 R002 C002 L003 R003 C003 7 8 7.37328E-010 8 9 0.0177806 9 3 4.0749E-013 10 11 7.37328E-010 11 12 0.0177806 12 3 4.0749E-013
19
授课体系
•矢量分析（第2章） •积分形式场定律：整体物理意义（第1章） •微分形式场定律和边界条件（第3章） 位函数（标量位）（第4章） 静电场 分离变量法（第5章） •静态场 多极子展开法（第6章）
静磁场：位函数（标量、矢量位）（第6章）
•物质中的场定律和功-能关系（第7、8章）
无界空间（第10章）
6
电磁场的发展历程
雷电试验：美国，富兰克林 库仑定律：法国，库仑 伏打电池：意大利，伏打 电流对磁针的作用：丹麦，奥斯特 安培定律：法国，安培
欧姆定律：德国，欧姆 电磁感应定律：英国，法拉弟 焦耳定律：英国，焦耳 麦克斯韦方程：英国，麦克斯韦 电磁波试验：德国，赫兹
B E t D HJ t D B0
•时变场 半无界空间（第11章）
不讨论辐射源问题
20
辐射问题（第12章） （引入辐射源）
7
课程概述
① 电磁场理论
电磁场？
应用？
与大学物理 区别？
8
大学物理所学的电磁场
静电场
静磁场
大学物理 电磁感应：初步接触时变场 电磁能概念
积 分 形 式 麦 克 斯 韦 方 程
9
实际生活中用到的电磁场
① 防静电措施——避雷针； ② 电视天线（阻抗、极化匹配）
A. 室内天线 B. 公用天线
③ 在移动通信上的应用
A. B. C. D. E. F.来自互联网无线接入 蓝牙技术 RF/MMIC技术 手机辐射对人体影响：见IEEE/MTT文章 高速数字电路：CPU主频达到微波频段 射频电路中的串扰（cross-talk）
10
在国防上的应用
① 隐身技术
② 防空导弹系统、预警系统
③ 卫星通信、卫星遥感
④ C4I
⑤ ……