《工程电磁场原理》 ppt课件.ppt

1、工程电磁场原理（电子教案素材）高等教育出版社、高等教育电子音像出版社,一、“电磁场”课程的地位、作用与任务 二、引言 三、学习方法 四、本课程学时分配建议第1章 电磁场的数学物理基础 1.1 电磁场的物理模型及其分析 1.2 关于源量的注释 1.3 矢量分析教学中的若干讨论点 1.4 关于亥姆霍兹定理的注释 1.5 电磁感应定律的推广 1.6 电流概念的扩充 全电流定律,绪论,第2章 静态电磁场：静电场 2.1 基本内容与要求 2.2 教学重点解析 一、电介质的极化 极化电场 二、静电场边值问题的构造 三、分离变量法及其应用 四、镜像法及其应用 五、关于部分电容概念的讨论 六、虚位移法 七、基

2、于法拉第观点分析电场力 八、场图示例,第3章 静态电磁场：恒定电流的电场和磁场 3.1 基本内容与要求 一、恒定电场 二、恒定磁场 3.2 教学重点解析 一、关于导电媒质中建立恒定电流场的讨论 二、静电比拟原理 三、基于场矢量积分关系式的分析方法 四、基于矢量磁位A的应用分析 五、磁偶极子在外磁场中的受力分析 六、作用于磁场中两种媒质分界面上的磁压力 七、场图示例,第4章 准静态电磁场 4.1 基本内容与要求 4.2 教学体系框架 4.3 教学重点解析 一、准静态场的判别条件似稳条件 二、基本方程及其导出关系式 三、时谐电磁场的复数表示,第5章 动态电磁场与电磁波 5.1 基本内容与要求 5.

3、2 教学体系框架 5.3 教学重点解析 一、坡印廷定理与坡印廷矢量 二、复介电常数、复磁导率和等效复介电常数 三、电磁位及其积分解 四、电磁辐射 五、均匀平面电磁波 六、导引电磁波,绪 论,一、“电磁场”课程的地位、作用与任务 二、引言 三、学习方法 四、本课程学时分配建议,一、“电磁场”课程的地位、作用与任务,“电磁场”是高等学校电气信息类专业的一门技术基础课，其主要任务是：(1)在“大学物理”电磁学的基础上，进一步阐述宏观电磁场的基本规律，并根据电气信息类各专业工程实际的需要，介绍有关电磁技术应用的基本知识；(2)应用场的观点，培养学生对电气信息工程中的电磁现象和电磁过程进行定性分析与判断

4、的初步能力，并进而掌握定量分析的基本技能；(3)通过电磁场理论的逻辑推理，培养学生正确的思维方法和严谨的科学态度。,“电磁场”课程的地位与作用：“电磁场”课程内容是电气信息类专业本科生所应具备知识结构的必要组成部分电气信息类各专业主要课程的核心内容都是电磁现象在特定范围、条件下的体现，因此，分析电磁现象的定性过程和定量方法是电气信息类各专业学生掌握专业知识和技能的基础；近代科学技术发展进程表明，电磁场理论是众多交叉学科的生长点和新兴边缘学科发展的基础；教学实践证明，本课程不仅将为电气信息类学生专业课的学习提供必须的知识基础，而且将增强学生面向工程实际的适应能力和创造能力，关系到学生基本素质培养

5、的终极目标。,二、引言1.什么是场？物理概念上的描述：“在遍及一个被界定的或无限扩展的空间内，存在着某种必须予以重视、研究的效应”。例如，温度场T(x,y,z,t)、重力场F(x,y,z,t)，以及电场E(x,y,z,t)、磁场B(x,y,z,t)等对应于相应物理效应客观存在的物理场；数学意义上的描述：“给定区域内各点数值的集合，并由此规定了该区域内某一特定量的特性”。,2.本课程的理论体系宏观电磁理论 1865年英国物理学家麦克斯韦(J.C.Maxwell)建立的著名的麦克斯韦电磁场方程组是宏观电磁理论体系的基础。宏观电磁理论所涉及的电磁现象和过程的基本特征是：场域(即场空间)中媒质是静止的

6、，或其运动速度远小于光速；场域作为点集，点的尺寸远大于原子间的距离。本课程所讨论的任一场点，即意味着大量分子的集合 场域中的媒质被看作为“连续媒质”该场点处的电磁性能归结为对应的宏观统计平均效应的表征，即通过宏观等效的物性连续参数(如电导率、磁导率和介电常数)予以描述。因而，宏观电磁理论也被称为“连续媒质电动力学”，但决不等同于“量子电动力学”或“相对论电动力学”，后者已分别延拓到微观粒子或高速运动体系中电磁现象和过程的研究领域。,3.工程电磁场问题的观察点“电磁场的有效控制和利用”无论从理解近代科学技术成果或者从发展并实现新的科学技术成果评价，电磁场理论及其应用不仅是日趋发展的电工、电子和信

7、息科学技术的重要基础，而且也是旁及军事、生态、医疗、地质等众多领域新科学技术的生长点。这一切都可聚焦于“电磁场的有效控制和利用”的基本观察点上，例如：浦东国际机场磁悬浮线（EMS型磁浮列车）和日本山梨磁悬浮试验线（EDS型磁浮列车）；电磁探测（应用于油、气、矿藏、地层结构探测和气象预测等遥感、遥测技术）；电子束曝光、离子束注入技术（大规模集成电路芯片制造）；现代战争中的电磁技术（导弹防御系统、隐身飞机、巡航导弹、GPS系统、信息干扰等）；广播、电视、移动电话、微波通信和光纤通信等；电磁热加工技术（感应加热、微波加热和微波炉等)；生物医学工程中的电磁技术（核磁共振CT、X线透视和肿瘤热疗法等）；

8、超导储能技术；高能量密度的百万kW级汽轮、水轮发电机设计、制造（优化）技术；1000kV超高电压电力系统及其装置的设计、制造（优化）技术；磁流体发电技术；纳米微晶磁性材料的应用；卫星太阳能发电站；,4.知识就是力量“电磁理论及其应用技术”是当代 高层次电气信息类科学工作者和工程师必须具备的基础 知识和能力,电磁物理概念和有关数学分析工具应用的最佳结合当代大学生 知识、能力和素质培养的现实需要；走向生活和工作岗位后再学习、再创造的知识和能力的基础；面向终身学习需求必要的知识和能力基础。,三、学习方法 电磁场理论体系完整、简练，内涵丰富、概念性强，且较抽象。同时，应用数学知识与工具较多，涉及知识面

9、宽，故更需要注意科学的学习方法1.深入理解，建立正确的物理概念，并熟练运用必须的数学 知识和工具 实践证明，正确理解物理概念是学习中困难的主要方面，故需抓住此主要矛盾，通过深入钻研，使之得以缓解。本课程学习将遵循数学建模、分析的主线索展开，因此，除微积分基础知识外，矢量分析与场论、数理方程(偏微分方程)与特殊函数等数学知识和工具都应成为定性乃至定量分析电磁场问题所必备的知识基础。2.掌握常用分析、计算的方法 通过例题、习题等环节不断提高逻辑思维、分析与解题能力，这也是理论联系实际、通过实践能动地理解和深化概念的过程。,3.逐步建立工程分析的观点 本课程终极目的在于培养学生分析和解决工程电磁场问

10、题的基本能力。4.正确的学习态度和方法 刻苦钻研，独立思考；科学的方法论：运用演绎法(由一般到特殊)、类比法和归纳法等，以努力提高学习效率和改善学习效果；科学地安排、计划学习时间；及时做好课程的预、复习。,四、本课程学时分配建议,本课程参考学时：60学时。以电气工程类专业为例，学时分配比例建议如下：1.绪论(含可视化教材的演示)2学时 2.电磁场的数学物理基础 6学时 3.静态电磁场I：静电场 16学时 4.静态电磁场II:恒定电流的电场和磁场 14学时 5.准静态电磁场 6学时 6.动态电磁场与电磁波 12学时 7.实验 4学时 若在信息工程类专业授课，则宜将“动态电磁场与电磁波”学时数增至

11、 20学时，而将“静态电磁场I:静电场”与“静态电磁场II：恒定电流的电场 和磁场”学时数分别减为12学时和10学时。,第1章 电磁场的数学物理基础,1.1 电磁场的物理模型及其分析问题 1.2 关于源量的注释 1.3 矢量分析教学中的若干讨论点 1.4 关于亥姆霍兹定理的注释 1.5 电磁感应定律的推广 1.6 电流概念的扩充 全电流定律,1.1 电磁场的物理模型及其分析,根据电磁现象和过程分析的物理模型构造的本质，可建立如下电磁场分析与电路分析的物理模型之间的对比关系。,电路分析：,电磁场分析：,以上电磁场与电路分析的求解过程均可归结为(1)给出与所分析的物理模型对应的基本规律性的数学描述

12、（泛定方程）及其定解条件，即构造相应的数学模型；(2)运用相应的分析计算方法；(3)解出数学模型中的待求物理量，即得所分析问题的确定解。,电磁场物理模型中的基本物理量可分为源量和场量两大类。源量q(r,t)和i(t)分别用来描述产生电磁场效应的两类场源。,1.源量(电荷)q(r,t)电荷是物质基本属性之一。1897年英国科学家汤姆逊(J.J.Thomson)在实验中发现了电子。19071913年间，美国科学家密立根(R.A.Miliken)通过油滴实验，精确测定电子电荷的量值为 e=1.602 177 3310-19(单位：C)确认了电荷量的量子化概念。换句话说，e 是最小的电荷量，而任 何带

13、电粒子所带电荷都是e 的整数倍。,1.2 关于源量的注释,宏观分析时，场源电荷常是数以亿计的电子电荷e的组合，故可不考虑其量子化的事实，而认为电荷量q可任意连续取值。类同于由物质密度 给定物质的质量m一样，现引入关于电荷的平滑的平均密度函数概念，即以电荷密度分布的方式来给定带电体的电荷量。理想化实际带电系统的电荷分布形态为如下四种形式：（1）点电荷 q(r,t)：（2）电荷体密度(r,t)：（3）电荷面密度(r,t)：（4）电荷线密度(r,t)：,2.源量(电流)i(t)源于电荷定向运动的电流 i 定义为 可见，电流i为一积分量，不是点函数。鉴于电磁场空间中各点电磁现象和过程变化规律性分析的需

14、要，必须引入对应于源量i(t)分布的点函数形式的描述 体电流密度(简称电流密度)J(r,t),其量值为(单位:A/m2)(1.2)其方向习惯上定义为正电荷运动的方向。,(单位:C/s或A)(1.1),1.点函数在不同坐标系下的数学描述,例1.1 设标量点函数(r)在直角坐标系下的表示式为(x，y，z)x2y2z，试写出该点函数在圆柱坐标系下的表示式，并以给定点的函数值验证该点函数与坐标系的选择无关。,解 由附录一可知x cos，y sin，zz。代入之，即得在圆柱坐标系下，该点函数应记为(x，y，z)(，z)(cos)2(sin)2z 2z,1.3 矢量分析教学中的若干讨论点,设给定点P(x，

15、y，z)，其直角坐标为x1，y1和z1；同样由附录一可知该点P对应的圆柱坐标为，和z1。因此可得标量点函数(r)在直角与圆柱坐标系中对应于P点处的函数值分别为:P(x，y，z)P(1,1,1)=12+12-1=1和 P(，z)P(,1)()2-1=1两者结果相同。同理可继续逐点验证，其结论是：点函数值与所采用的坐标系无关。,2.标量场梯度的物理概念及其数学描述,可通过上山、爬坡，乃至山地区域中公路、铁路线建设的实践，深化关于梯度的物理概念。并通过讨论以下例题，进一步结合数学描述，深化对梯度物理概念的理解。,例1.2 设一标量点函数(r)(x，y，z)x2y2z描述了空间标量场。试求：(1)该点

16、函数 在点P(1，1，1)处的梯度，以及表示该梯度方向的单位矢量；(2)求该点函数 沿单位矢量 el=cos60excos45eycos60ez方向的方向导数，并以点P(1，1，1)处该方向导数值与该点的梯度值作以比较，得出相应结论。,解(1)由梯度定义式(1-26),可解出待求P点的梯度为,表征其方向的单位矢量,(2)由方向导数与梯度之间的关联式(1-25)可知，沿单位矢量el方向的方向导数为,对于给定的P点，上述方向导数在该点取值为,而该点的梯度值按式(1-27)可得,为,显然，梯度 描述了P点处标量点函数 的最大变化率，即系最大方向导数，故，恒成立。,设场量仅为空间坐标的函数；不失一般性，令包围P点的微体积V 为一直平行六面体，如图1.1 所示。图1.1 divD 表达式的推导用图,3.直角坐标系下散度（）的表达式,由此可知，穿出前、后两侧面的净通量值为,同理，分析穿出另两组侧面的净通量，并合成之，即得由点P穿出该六面体的净通量为而，故据定义式，在直角坐标系下散度 div D 表达式为应用纳布拉算子，则div D 可记作,4.直角坐标系下旋度(H)的表达式 H=推导(H)z ez