工程电磁场导论课件 (2)
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工程电磁场导论课件
距离远等优点。
电磁场在医疗领域的应用
要点一
总结词
电磁场在医疗领域的应用包括核磁共振成像、微波治疗、 电磁波透视等，为疾病诊断和治疗提供了重要手段。
要点二
详细描述
核磁共振成像是一种无创的影像学检查方法，利用强磁场 和射频脉冲使人体组织中的氢原子发生共振，从而产生人 体结构的图像。微波治疗则利用特定频率的电磁波对病变 组织进行加热，达到治疗肿瘤、炎症等疾病的目的。电磁 波透视则用于观察人体内部器官的形态和功能。
时变电磁场
04
麦克斯韦方程组
麦克斯韦方程组是描述时变电磁场的理论基础， 包括描述电场和磁场变化的微分方程。
麦克斯韦方程组还包括安培环路定律、法拉第电 磁感应定律和洛伦兹力定律等基本物理规律。
这些方程组揭示了电磁场之间的相互依赖关系， 以及它们随时间变化的规律。
波动方程与电磁波速
01
时变电磁场中的波动方程描述了电场和磁场随时间和空间的变 化规律。
电场中的电位差与电动势
电位差
两点之间的电位之差，等于两点之间的电压。
电动势
电源内部非静电力克服静电力做功将其他形式的能转化为电能的本领，其方向由电源负极指向正极。
恒定磁场
03
磁感应强度与磁场强度
磁感应强度
描述磁场强弱和方向的物理量，用B 表示，单位是特斯拉（T）。
磁场强度
描述电流产生磁场能力的物理量，用 H表示，单位是安培/米（A/m）。
静电场
02
电场强度与电位
电场强度
描述电场力的矢量，其方向与电场中 某点的电场方向相同，大小等于单位 正电荷在该点所受的电场力。
电位
描述电场中某点的能量状态，其大小 与电场强度和位置有关，其定义式为 $V = int_{0}^{r}Edl$。
电磁场在医疗领域的应用
要点一
总结词
电磁场在医疗领域的应用包括核磁共振成像、微波治疗、 电磁波透视等，为疾病诊断和治疗提供了重要手段。
要点二
详细描述
核磁共振成像是一种无创的影像学检查方法，利用强磁场 和射频脉冲使人体组织中的氢原子发生共振，从而产生人 体结构的图像。微波治疗则利用特定频率的电磁波对病变 组织进行加热，达到治疗肿瘤、炎症等疾病的目的。电磁 波透视则用于观察人体内部器官的形态和功能。
时变电磁场
04
麦克斯韦方程组
麦克斯韦方程组是描述时变电磁场的理论基础， 包括描述电场和磁场变化的微分方程。
麦克斯韦方程组还包括安培环路定律、法拉第电 磁感应定律和洛伦兹力定律等基本物理规律。
这些方程组揭示了电磁场之间的相互依赖关系， 以及它们随时间变化的规律。
波动方程与电磁波速
01
时变电磁场中的波动方程描述了电场和磁场随时间和空间的变 化规律。
电场中的电位差与电动势
电位差
两点之间的电位之差，等于两点之间的电压。
电动势
电源内部非静电力克服静电力做功将其他形式的能转化为电能的本领，其方向由电源负极指向正极。
恒定磁场
03
磁感应强度与磁场强度
磁感应强度
描述磁场强弱和方向的物理量，用B 表示，单位是特斯拉（T）。
磁场强度
描述电流产生磁场能力的物理量，用 H表示，单位是安培/米（A/m）。
静电场
02
电场强度与电位
电场强度
描述电场力的矢量，其方向与电场中 某点的电场方向相同，大小等于单位 正电荷在该点所受的电场力。
电位
描述电场中某点的能量状态，其大小 与电场强度和位置有关，其定义式为 $V = int_{0}^{r}Edl$。
工程电磁场导论第二章优秀课件
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实际电源
1. 干电池和钮扣电池（化学电源）
干电池电动势1.5V，仅取决于（糊状）化学材料，其大小 决定储存的能量，化学反应不可逆。
钮扣电池电动势1.35V，用固体化学材料，化学反应不可逆。
干电池
钮扣电池
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2. 燃料电池（化学电源）
电池电动势1.23V。以氢、氧作为燃料。约40-45%的化学能转 变为电能。实验阶段加燃料可继续工作。
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2. 电流密度（Current Density)
① 电流面密度 J
体电荷 以速度 v 运动形成的电流。
电流密度 J v A m2
电流
I s J dS
电流面密度矢量
电流的计算
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交流电流密度在触头上的分布
上页 下页
② 电流线密度 K
面电荷 在曲面上以速度 v 运动形成的电流
电流线密度 K v A m
电流
I l(K en ) dl
en 是垂直于dl，且通过 dl 与曲面相切的单位矢量
电流线密度及其通量
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面电流的实例 媒质磁化后的表面磁化电流； 同轴电缆的外导体视为电流线密度分布； 高频时，因集肤效应，电流趋于导体表面分布。
③ 元电流的概念
线电荷 在曲线上以速度 v 运动形成的电流
② 上式也适用于非线性情况
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4. 焦尔定律的微分形式
导体有电流时，必伴随功率损耗，其功率为
P UI W
设小块导体
dP (J dS) (E dl) J EdV
功率密度
J 与 E 之关系
p J E γE 2 J 2 γ
W/m 3
Joule’s Law微分形式
实际电源
1. 干电池和钮扣电池（化学电源）
干电池电动势1.5V，仅取决于（糊状）化学材料，其大小 决定储存的能量，化学反应不可逆。
钮扣电池电动势1.35V，用固体化学材料，化学反应不可逆。
干电池
钮扣电池
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2. 燃料电池（化学电源）
电池电动势1.23V。以氢、氧作为燃料。约40-45%的化学能转 变为电能。实验阶段加燃料可继续工作。
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2. 电流密度（Current Density)
① 电流面密度 J
体电荷 以速度 v 运动形成的电流。
电流密度 J v A m2
电流
I s J dS
电流面密度矢量
电流的计算
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交流电流密度在触头上的分布
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② 电流线密度 K
面电荷 在曲面上以速度 v 运动形成的电流
电流线密度 K v A m
电流
I l(K en ) dl
en 是垂直于dl，且通过 dl 与曲面相切的单位矢量
电流线密度及其通量
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面电流的实例 媒质磁化后的表面磁化电流； 同轴电缆的外导体视为电流线密度分布； 高频时，因集肤效应，电流趋于导体表面分布。
③ 元电流的概念
线电荷 在曲线上以速度 v 运动形成的电流
② 上式也适用于非线性情况
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4. 焦尔定律的微分形式
导体有电流时，必伴随功率损耗，其功率为
P UI W
设小块导体
dP (J dS) (E dl) J EdV
功率密度
J 与 E 之关系
p J E γE 2 J 2 γ
W/m 3
Joule’s Law微分形式
第二章恒定电场-工程电磁场导论-冯慈章课件
一、电源电动势与局外场强
电源是一种将其它能量转换成电能的装置； 局外力： f e
局外场强：Ee
方向由电源负极指向正 极
电源电动势： Ee dl
l
库仑场强：E
方向由电源正极指向负 极
Engineering electrical magnetic field
二、恒定电场
导电媒质中的恒定电场； 通有恒定电流的导体周围电介质或空气中的 恒定电场。
J1 J 2 J I / S E1 E2 J / p1 p2 P p1Sd , P2 p2 S 2d 1 P2 2 P 1
图2-4 平行板电容器的电场 功率的一个计算例子
2.2电源电动势与局外场强
Engineering electrical magnetic field
。 返 回 上 页 下 页
4. 元电流段的概念 元电流是元电荷dq以速度 v 运动形成的电流
C m s A m
νdV (体电流元) JdV
dq
νdS (面电流元） KdS νdl (线电流元） Idl
2.1.3 欧姆定律的微分形式 (Differential Form of Ohm’s Law)
dq I dt
2.1.2 电流密度（Current Density)
1. 电流面密度 J 体电荷 以速度 v 作匀速运动形成的电流。 电流密度 电流
J v
I J dS
S
J的大小 垂直于电流方向的平面 里，单位面积上通过 的电流强度。
A m2 J的方向与电流方向相同 ；
J2
en 2
2
1
1 J1
工程电磁场导论第一章2
注意
根据电荷守恒原理，极化电荷旳总和为零
V ' PdV 'S ' P endS ' 0
电介质均匀极化时，极化电荷体密度
p 0
比较导体和介质旳性质能够得出：
电场对导体旳影响是引起静电场感应产生感应电荷；电 场对介质旳影响是引起介质极化，产生极化电荷；
感应电荷在导体内产生旳电场抵消外电场，使导体内电场 为零；极化电荷在介质内产生旳电场只是减弱外电场；
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第一章
2.泊松方程与拉普拉斯方程
Equation and Laplace’s Equation)
静电场
(Poisson’s
E 0
E
D E E E
2
泊松方程
当 =0时
2 0
拉普拉斯方程
2
拉普拉斯算子
2 2 2 2 x2 y2 z2
EE
有极性分子
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第一章
静电场
电介质性质： 电介质在外电场作用下发生极化，形成有向排列；
电介质内部和表面产生极化电荷 (polarized charge)；
极化电荷与自由电荷一样是产生电场旳源，从而引起原 电场旳变化。
③ 极化强度P ( polarization intensity )
表达电介质极化程度旳量，定义：
例 试写出长直同轴电缆中静电场旳边值问题。
解根据场分布旳对称性拟定 计算场域，边值问题
缆心为正方形旳
2 2 2 0
x2 y 2 （阴影区域）
U ( xb,0 yb及yb,0 xb )
0 ( x2 y 2 a2 , x0, y0)
x 0 ( x0,b ya )
y 0 ( y0,b xa ) 上页
《工程电磁场》课件
《工程电磁场》ppt课件
目录
contents
绪论电磁场的基本理论工程电磁场的数值分析方法工程电磁场的实验研究工程电磁场的应用案例
01
绪论
总结词
工程电磁场的定义、重要性及与其他学科的关系
详细描述
工程电磁场是一门研究电磁场理论及其应用的学科，它在现代工程技术和科学领域中具有非常重要的地位。工程电磁场与物理学、数学、电子学、通信工程等多个学科有着密切的联系，是这些学科的重要基础之一。
详细描述
矩量法是一种用于分析电磁场中电流分布的数值分析方法。它将连续的电流分布离散化为有限个矩量，每个矩量可以用简单的函数来表示。然后通过求解这些矩量的线性方程组，得到原电流分布的近似解。矩量法在电磁场数值分析中具有广泛的应用，尤其适用于分析复杂结构的电磁散射和辐射问题。
04
工程电磁场的实验研究
在电力工业中，电磁场被广泛应用于发电、输电、配电和电机控制等领域。发电机和变压器利用电磁场将机械能转换为电能，输电线路利用电磁场传输电能，电动机利用电磁场将电能转换为机械能。
提高电力系统的稳定性和效率
通过研究和应用电磁场理论，电力工程师可以优化电力系统的设计和运行，提高电力传输的稳定性和效率，减少能源损失，降低环境污染。
详细描述
有限元法是一种广泛应用于工程电磁场数值分析的方法。它将复杂的电磁场问题分解为多个简单的子问题，通过离散化处理，将连续的求解域转化为有限个小的互连子域，每个子域可以用简单的近似函数来表示。然后通过求解这些子域的方程组，得到原问题的近似解。
一种将连续的求解域离散化为有限个离散点，并利用差分近似表示原偏微分方程的方法。
总结词
详细描述
总结词
详细描述
总结词
详细描述
目录
contents
绪论电磁场的基本理论工程电磁场的数值分析方法工程电磁场的实验研究工程电磁场的应用案例
01
绪论
总结词
工程电磁场的定义、重要性及与其他学科的关系
详细描述
工程电磁场是一门研究电磁场理论及其应用的学科，它在现代工程技术和科学领域中具有非常重要的地位。工程电磁场与物理学、数学、电子学、通信工程等多个学科有着密切的联系，是这些学科的重要基础之一。
详细描述
矩量法是一种用于分析电磁场中电流分布的数值分析方法。它将连续的电流分布离散化为有限个矩量，每个矩量可以用简单的函数来表示。然后通过求解这些矩量的线性方程组，得到原电流分布的近似解。矩量法在电磁场数值分析中具有广泛的应用，尤其适用于分析复杂结构的电磁散射和辐射问题。
04
工程电磁场的实验研究
在电力工业中，电磁场被广泛应用于发电、输电、配电和电机控制等领域。发电机和变压器利用电磁场将机械能转换为电能，输电线路利用电磁场传输电能，电动机利用电磁场将电能转换为机械能。
提高电力系统的稳定性和效率
通过研究和应用电磁场理论，电力工程师可以优化电力系统的设计和运行，提高电力传输的稳定性和效率，减少能源损失，降低环境污染。
详细描述
有限元法是一种广泛应用于工程电磁场数值分析的方法。它将复杂的电磁场问题分解为多个简单的子问题，通过离散化处理，将连续的求解域转化为有限个小的互连子域，每个子域可以用简单的近似函数来表示。然后通过求解这些子域的方程组，得到原问题的近似解。
一种将连续的求解域离散化为有限个离散点，并利用差分近似表示原偏微分方程的方法。
总结词
详细描述
总结词
详细描述
总结词
详细描述
工程电磁场导论课件
sin2
2 r2 （z l）2
l 2
2
无限长载流直导线周围磁感应强度：
即： l 1 π / 2 2 π / 2
于是得：
aˆR
该面电荷在空间产生的电场强度：
E 1
4π 0
S
S dS
R2
aˆR
电磁场与电磁波
第2章 电磁学基本理论
c.体电荷分布: 电荷在某空间体积内连续分布 。
体电荷密度定义：单位体积内的电荷量。
P
V
lim q V 0 V
dq dV
R
dV
dV 上所带的电荷量： dq V dV
在此要求实验电荷足够小，以使该电荷产生的电场不致
使原电场发生畸变。
电磁场与电磁波
第2章 电磁学基本理论
3. 库仑定律
F21
q1q2
4π 0 R212
aˆR21
其中： 0为真空中介电常数。
0
1 36π
109
8.85 1012
4. 电场强度的计算
E
qqt
4π0qt R2
aˆR
q
4π 0 R 2
aˆR
q1
F/m
其中：aˆR 是源电荷指向场点的方向。
(1) 点电荷周围电场强度的计算公式：
E
q
4π 0 R 2
aˆR
R21 q2
电磁场与电磁波
第2章 电磁学基本理论
例1：在直角坐标系中，设一点电荷q 位于点 P(3, 2, 2)，
计算空间点 P(5,3, 4)的电场强度。
dq 产生的电场强度为： dE
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电磁场与电磁波
第3章 媒质的电磁性质和边界条件
一、导体
1. 导体的定义：含有大量可以自由移动的带电粒子的物质。 金属导体： 由自由电子导电。 导体分为两种 电解质导体： 由带电离子导电。 2. 静电场中的导体 + 静电平衡状态的特点演示 + - E + E外 （1）导体为等位体； - 内+ + （2）导体内部电场为零； + （3）导体表面的电场处处与导体表 面垂直，切向电场为零 ( Et 0) ； （4）感应电荷只分布在导体表面上，导体内部感应电 荷为零 ( V 0) 。
电磁场与电磁波
第3章 媒质的电磁性质和边界条件
3. 恒定电场中的导体 将一段导体与直流电源连接，则导体内部会存在恒定电场。 导体中的自由电子受到电场力的 作用，逆电场方向运动。其平均 电子速度称为漂移速度：
d e E
式中： e 称为电子的迁移率， 其单位为 (m2 /V s) 。 故电流密度为： J C 可得： 如图： 单位时间内通过 dS 的 电量为： dq Nee d dS 式中： N e 为自由电子密度。
不同材料的电导率数据见教材上表3-1。
电磁场与电磁波
第3章 媒质的电磁性质和边界条件
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
二、电介质
1. 电介质的特性 电介质是一种绝缘材料，在外电场作用下不能发生传导现 象，可以发生极化现象。 电介质有多种形态：固态，液态和气态。 无极分子 电介质分子可分为两类： 有极分子 无极分子：当外电场不存在时，电介质中分子的正负电荷 的“重心”是重合的。 当外电场不存在时，电介质中的正负电荷“重心” 有极分子： 不重合，因此每个分子可等效为一个电偶极子。
电磁场与电磁波
第3章 媒质的电磁性质和边界条件
2、电介质的极化 定义：这种在外电场作用下，电介质中出 现有序排列的电偶极子，表面上出现束缚 电荷的现象，称为电介质的极化。
(1)无极分子的极化：位移极化演示
在外电场作用下，由无极分子组成的电介质中，分子的正 负电荷“重心”将发生相对位移，形成等效电偶极子。 (2)有极分子的极化：转向极化演示 在外电场作用下，由有极分子组成的电介质，各分子的 电偶极矩转向电场的方向。
电磁场与电磁波
第3章 媒质的电磁性质和边界条件
引言
微波炉的工作原理
微波炉是利用电磁波的能量来加热食物的。 微波炉由一 个磁控管将电能转化为电磁波，然后照射到食 物上。 食物被电磁场加热的原因：因为食物中含有水分子，而水 分子具有一定的电偶极矩，在高频电磁场作用下，正负电 荷将受到电场力的作用，电偶极矩发生迅速变化和旋转， 使得水分子运动加剧，温度上升，熟化食物。
介质中的每一点极化强度矢量与该点的电场强度成正比，即
P e 0 E
称为电极化系数。
电磁场与电磁波
第3章 媒质的电磁性质和边界条件
4. 束缚电荷 电介质中体积 V 内的的全部电偶极子，在场点产生的电位： 束缚面电荷在场点产生的电位
1 P dS ( P) A dV S V 4π 0 R R 束缚体电荷在场点产生的电位
H1 H1 H1 H1
O2
H1 H1
O2
O2
H1 H1
O2
电磁场与电磁波
第3章 媒质的电磁性质和边界条件
媒质在电磁场作用下可发生现象：
☺导体的传导现象： 在外电场的作用下，这些带电粒子将发生定向运动， 形成电流。这种现象称为传导。能发生传导现象的材料称 为导体。 ☺电介质的极化现象： 这种在外加电场作用下，分子的电偶极矩将增大或发 生转向的现象称为电介质的极化现象。 ☺磁介质的磁化现象： 还有一些材料对磁场较敏感，例如螺丝刀在磁铁上放 一会儿，螺丝刀就具有一定的磁性，能吸起小螺钉。这种 现象称为磁化现象。能产生磁化现象的材料称为磁介质。
N e e d
J C N e e e E
电磁场与电磁波
第3章 媒质的电磁性质和边界条件
4. 导电材料的物态方程
J C N e e e E
若设：
则：
e Nee
导体的电导率
JC E
描述导电材料的电磁特性的物态方程。
电磁场与电磁波
第3章 媒质的电磁性质和边界条件
电磁场与电磁波
第3章 媒质的电磁性质和边界条件
3. 极化强度 极化强度：描述电介质极化程度的物理量。 极化强度定义：单位体积中分子电矩的矢量和。
设介质中任一小体积 V 中所有分子的电矩矢量和为 pi， i 极化强度为： pi P lim i 2 极化强度的单位是 。 C/m V 0 V
5. 导体的电导率 电导率是表征材料导电特性的一个物理量。 电导率除了与材料性质（如 N e ， e ）有关外，还与环境 温度有关。
(1)导体材料： 随着温度的升高，金属电导率变小。有些导体在低温条件 下电导率非常大,使电阻率趋向于零，变成超导体。
如铝在时 1.2K 时，就呈现超导状态。 (2)半导体材料： = e Ne e h Nh e 随着温度的升高，电导率明显增大。
D (1 e ) 0 E
已知： P
e 0 E
令： r 1 e
D r 0 E
其中： r 称为相对介电常数。
电介质的物态方程
材料的介电常数表示为： r 0
电磁场与电磁波
第3章 媒质的电磁性质和边界条件
电磁场与电磁波
第3章 媒质的电磁性质和边界条件
5. 电介质的物态方程
电介质极化后，场域中除了自由电荷之外，又多了束缚电荷， 根据高斯定律： ( 0 E) V P V ( P) 可得： ( 0 E P) V 定义一个新矢量： D 0 E P
其中：表面 S 是体积 V 的封闭界面。
束缚电荷的面密度为：
束缚电荷的体密度为：
ˆ PS Pn P n
P P
若电介质中还存在自由电荷分布时，电介质中一点总的电位为： V P PS 1 1 A dV dS 4π 0 V R 4π 0 S R