《電磁學(xué)基礎(chǔ)：課件概覽》

電磁學(xué)基礎(chǔ)：課件概覽探索電磁學(xué)的奇妙世界，從基礎(chǔ)理論到實(shí)際應(yīng)用。課程簡(jiǎn)介基本概念電場(chǎng)與磁場(chǎng)的相互關(guān)系學(xué)科重要性現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握電磁現(xiàn)象的分析方法電磁學(xué)歷史11820年奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)21831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)31864年麥克斯韋提出電磁場(chǎng)理論41887年赫茲驗(yàn)證電磁波存在課程模塊天線理論電磁波的實(shí)際應(yīng)用電磁波能量傳遞的媒介靜磁學(xué)磁場(chǎng)的產(chǎn)生與特性靜電學(xué)電荷與電場(chǎng)的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)方法理論學(xué)習(xí)掌握基本概念和公式案例分析理解實(shí)際工程問(wèn)題動(dòng)手實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論并培養(yǎng)技能小組討論加深理解與拓展思路課程資源教材《電磁學(xué)》趙凱華《電磁場(chǎng)與電磁波》劉玉鑫《電磁場(chǎng)理論》謝處方參考書(shū)《電磁學(xué)》格里菲斯《電磁場(chǎng)與電磁波》程福臻在線資源課程視頻模擬仿真軟件在線習(xí)題庫(kù)評(píng)估方法期末考試占總成績(jī)50%平時(shí)作業(yè)占總成績(jī)20%實(shí)驗(yàn)報(bào)告占總成績(jī)20%課程項(xiàng)目占總成績(jī)10%學(xué)術(shù)支持助教團(tuán)隊(duì)每周固定答疑時(shí)間學(xué)習(xí)小組促進(jìn)同伴互助學(xué)習(xí)線上論壇討論疑難問(wèn)題開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室提供額外實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)成功案例全國(guó)大學(xué)生物理競(jìng)賽李明獲一等獎(jiǎng)科研成果張華發(fā)表SCI論文就業(yè)成就王芳就職華為研發(fā)部Q&A如何提高成績(jī)？多做習(xí)題，理解原理推薦哪些輔助材料？習(xí)題集與視頻教程如何安排學(xué)習(xí)時(shí)間？理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐結(jié)合遇到困難怎么辦？及時(shí)咨詢助教與教授靜電學(xué)簡(jiǎn)介電荷物質(zhì)的基本屬性正電荷與負(fù)電荷電荷守恒定律電荷量子化電場(chǎng)電荷周?chē)目臻g狀態(tài)電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)線電場(chǎng)通量庫(kù)侖定律描述電荷間相互作用力F=k·q?q?/r2電場(chǎng)與電勢(shì)電場(chǎng)強(qiáng)度定義單位正電荷所受力電場(chǎng)計(jì)算點(diǎn)電荷、電偶極子、帶電體電勢(shì)概念單位電荷的電勢(shì)能電場(chǎng)與電勢(shì)關(guān)系電場(chǎng)是電勢(shì)的負(fù)梯度導(dǎo)體與電介質(zhì)導(dǎo)體特性自由電子可移動(dòng)內(nèi)部電場(chǎng)為零表面電荷分布靜電平衡電勢(shì)處處相等表面電場(chǎng)垂直表面尖端放電效應(yīng)電介質(zhì)極化現(xiàn)象介電常數(shù)極化強(qiáng)度高斯定律高斯定律表述閉合曲面上的電通量等于內(nèi)部電荷量除以介電常數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式∮E·dS=Q/ε?對(duì)稱性應(yīng)用球?qū)ΨQ、柱對(duì)稱、平面對(duì)稱電場(chǎng)計(jì)算物理意義電場(chǎng)源于電荷的定量描述電容與電容器電容定義存儲(chǔ)電荷的能力，C=Q/V平行板電容器C=ε?ε?A/d球形電容器C=4πε?ε?ab/(b-a)圓柱形電容器C=2πε?ε?L/ln(b/a)電場(chǎng)能量1/2能量系數(shù)電場(chǎng)能量公式中的常數(shù)因子CV2電容儲(chǔ)能電容器中存儲(chǔ)的能量1/2·ε?E2能量密度單位體積中的電場(chǎng)能量靜電場(chǎng)的應(yīng)用靜電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備設(shè)備校準(zhǔn)與安全檢查數(shù)據(jù)采集多次測(cè)量取平均值誤差分析計(jì)算系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě)完整實(shí)驗(yàn)記錄與結(jié)論靜電場(chǎng)案例研究行業(yè)領(lǐng)域靜電應(yīng)用工作原理效益分析電子工業(yè)靜電防護(hù)電荷泄放防止元器件損壞環(huán)保行業(yè)靜電除塵顆粒帶電吸附降低空氣污染印刷工業(yè)靜電轉(zhuǎn)印電場(chǎng)力傳遞墨粉提高印刷質(zhì)量Q&A為什么相同電荷相互排斥？庫(kù)侖力的基本性質(zhì)如何推導(dǎo)高斯定律？從庫(kù)侖定律出發(fā)積分靜電屏蔽的原理是什么？導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)為零如何計(jì)算復(fù)雜形狀的電容？數(shù)值方法與邊界元素法靜磁學(xué)簡(jiǎn)介磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)電荷周?chē)目臻g狀態(tài)磁感應(yīng)強(qiáng)度B磁場(chǎng)線磁通量安培定律電流間相互作用力平行電流相互吸引反向電流相互排斥力正比于電流乘積洛倫茲力帶電粒子在磁場(chǎng)中受力F=qv×B方向由右手定則確定大小與速度垂直分量有關(guān)電流與磁場(chǎng)直線電流環(huán)形電流螺線管永磁體磁介質(zhì)順磁性微弱增強(qiáng)外磁場(chǎng)磁化率為正且小鋁、鉀、氧等抗磁性微弱減弱外磁場(chǎng)磁化率為負(fù)且小銅、銀、金等鐵磁性顯著增強(qiáng)外磁場(chǎng)磁化率為正且大鐵、鈷、鎳等法拉第電磁感應(yīng)定律現(xiàn)象描述閉合回路中磁通量變化產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)2數(shù)學(xué)表達(dá)ε=-dΦ/dt楞次定律感應(yīng)電流方向阻礙磁通量變化4應(yīng)用實(shí)例發(fā)電機(jī)、變壓器、感應(yīng)加熱自感與互感自感定義電流變化產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)自感系數(shù)L=Φ/I，單位亨利互感定義一回路電流變化在另一回路產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)互感系數(shù)M=Φ??/I?，與線圈耦合有關(guān)磁場(chǎng)能量1/2能量系數(shù)磁場(chǎng)能量公式中的常數(shù)因子LI2線圈儲(chǔ)能線圈中存儲(chǔ)的磁場(chǎng)能量B2/2μ?能量密度單位體積中的磁場(chǎng)能量∫B·HdV總能量整個(gè)空間的磁場(chǎng)能量靜磁場(chǎng)的應(yīng)用變壓器能量的高效傳輸與轉(zhuǎn)換醫(yī)療成像核磁共振成像技術(shù)磁懸浮高速無(wú)接觸運(yùn)輸系統(tǒng)靜磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備亥姆霍茲線圈與高斯計(jì)操作步驟調(diào)節(jié)電流與測(cè)量磁場(chǎng)數(shù)據(jù)記錄繪制磁場(chǎng)分布圖結(jié)論分析驗(yàn)證理論預(yù)測(cè)結(jié)果靜磁場(chǎng)案例研究技術(shù)領(lǐng)域磁場(chǎng)應(yīng)用物理原理主要優(yōu)勢(shì)信息存儲(chǔ)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器磁化方向記錄信息高密度非易失性存儲(chǔ)醫(yī)療技術(shù)磁共振成像氫原子在磁場(chǎng)中共振無(wú)輻射高清晰成像工業(yè)分選磁選機(jī)磁性物質(zhì)受磁力偏轉(zhuǎn)高效率物料分離Q&A地磁場(chǎng)如何形成？地核液態(tài)鐵流動(dòng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)電流為何產(chǎn)生磁場(chǎng)？相對(duì)論效應(yīng)的表現(xiàn)永磁體的原理是什么？電子自旋與軌道磁矩定向超導(dǎo)體中的磁場(chǎng)行為？邁斯納效應(yīng)排斥磁場(chǎng)電磁波簡(jiǎn)介電磁波本質(zhì)電場(chǎng)與磁場(chǎng)的相互振蕩傳播不需要介質(zhì)傳播真空中速度為光速電場(chǎng)與磁場(chǎng)互相垂直麥克斯韋方程組電磁理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)高斯電場(chǎng)定律高斯磁場(chǎng)定律法拉第感應(yīng)定律安培-麥克斯韋定律波的特性頻率、波長(zhǎng)與傳播速度c=fλ能量正比于頻率不同介質(zhì)中速度變化平面電磁波平面波形式電磁場(chǎng)在任一平面上均勻分布場(chǎng)的相互關(guān)系E⊥B⊥k，構(gòu)成右手系數(shù)學(xué)表達(dá)E=E?sin(kx-ωt)，B=B?sin(kx-ωt)波的極化線偏振、圓偏振、橢圓偏振電磁波的反射與折射入射波初始電磁波到達(dá)界面反射波反射角等于入射角3折射波符合斯涅爾定律n?sinθ?=n?sinθ?4菲涅耳公式描述反射與折射波的振幅關(guān)系電磁波在介質(zhì)中的傳播真空傳播無(wú)損耗，速度為c介電媒質(zhì)速度降低，v=c/n3導(dǎo)體介質(zhì)表面層衰減，趨膚效應(yīng)4等離子體頻率低于等離子體頻率被反射電磁波譜電磁波的發(fā)射與接收波源原理加速電荷輻射電磁波振蕩電流產(chǎn)生輻射輻射功率正比于加速度平方天線設(shè)計(jì)電磁能量轉(zhuǎn)換器長(zhǎng)度應(yīng)接近波長(zhǎng)的整數(shù)倍方向性與增益接收原理電磁波在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流諧振接收效率最高信號(hào)放大與解調(diào)電磁波的干涉與衍射干涉原理相干波疊加同相增強(qiáng)反相減弱產(chǎn)生明暗條紋楊氏雙縫干涉衍射現(xiàn)象波繞過(guò)障礙物單縫衍射光柵衍射與波長(zhǎng)尺度相關(guān)電磁波實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)驗(yàn)證電磁波傳播特性設(shè)備準(zhǔn)備微波發(fā)生器與接收器實(shí)驗(yàn)過(guò)程測(cè)量反射、折射、干涉現(xiàn)象數(shù)據(jù)分析計(jì)算波長(zhǎng)并與理論比較結(jié)論撰寫(xiě)總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與誤差分析電磁波案例研究Q&A光為什么是電磁波？符合麥克斯韋方程的解光速為何是常數(shù)？時(shí)空結(jié)構(gòu)的基本屬性如何屏蔽電磁波？法拉第籠與導(dǎo)體屏蔽電磁輻射安全標(biāo)準(zhǔn)？基于頻率與功率密度電磁學(xué)在通信中的應(yīng)用無(wú)線通信電磁波傳輸信息不同頻段應(yīng)用調(diào)制與解調(diào)技術(shù)光纖通信全反射原理高帶寬傳輸?shù)蛽p耗長(zhǎng)距離衛(wèi)星通信軌道中繼站全球覆蓋多波束技術(shù)電磁學(xué)在雷達(dá)中的應(yīng)用信號(hào)發(fā)射產(chǎn)生高功率電磁脈沖目標(biāo)反射電磁波從目標(biāo)表面散射信號(hào)接收捕獲微弱回波信號(hào)處理分析回波提取目標(biāo)信息電磁學(xué)在醫(yī)療中的應(yīng)用核磁共振成像利用氫原子在磁場(chǎng)中的共振特性微波治療電磁波熱效應(yīng)促進(jìn)組織恢復(fù)電磁刺激通過(guò)電磁場(chǎng)調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)功能電磁學(xué)在能源中的應(yīng)用38%風(fēng)力發(fā)電占比全球可再生能源結(jié)構(gòu)中95%發(fā)電機(jī)效率現(xiàn)代電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)25%年增長(zhǎng)率電磁能存儲(chǔ)技術(shù)60%電能節(jié)約使用電磁調(diào)速技術(shù)電磁學(xué)在軍事中的應(yīng)用電子戰(zhàn)干擾敵方通信與雷達(dá)系統(tǒng)電磁干擾電磁欺騙電磁防護(hù)隱身技術(shù)降低雷達(dá)截面積吸波材料表面處理幾何設(shè)計(jì)電磁武器利用電磁能量摧毀目標(biāo)電磁脈沖高能激光軌道炮電磁學(xué)在交通中的應(yīng)用1922年德國(guó)科學(xué)家提出磁懸浮理論21979年日本建成首條試驗(yàn)線2003年上海磁懸浮列車(chē)商業(yè)運(yùn)營(yíng)2027年中國(guó)計(jì)劃建成時(shí)速600公里磁懸浮電磁學(xué)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用精度(m)覆蓋范圍(km2)電磁學(xué)在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用1粒子加速器電磁場(chǎng)加速帶電粒子接近光速2等離子體實(shí)驗(yàn)磁約束核聚變研究電子顯微鏡利用電磁透鏡觀察微觀世界粒子探測(cè)器利用電磁相互作用探測(cè)基本粒子電磁學(xué)案例研究項(xiàng)目名稱電磁應(yīng)用技術(shù)難點(diǎn)解決方案超級(jí)高鐵磁懸浮與線性電機(jī)高速穩(wěn)定性主動(dòng)控制算法無(wú)線充電電磁感應(yīng)傳輸效率諧振耦合量子計(jì)算機(jī)超導(dǎo)磁體量子相干性超低溫屏蔽Q&A電磁波對(duì)健康影響？不同頻段影響不同如何提高能量傳輸效率？?jī)?yōu)化諧振與耦合電磁技術(shù)的下一個(gè)突破？量子電磁學(xué)與超材料電磁學(xué)領(lǐng)域就業(yè)前景？通信、能源與國(guó)防需求大電磁學(xué)未來(lái)研究方向超材料研究人工設(shè)計(jì)電磁特性的材料納米電磁學(xué)研究納米尺度的電磁現(xiàn)象量子電磁學(xué)量子力學(xué)框架下的電磁理論計(jì)算電磁學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)值模擬方法電磁學(xué)與人工智能數(shù)據(jù)收集電磁傳感器網(wǎng)絡(luò)2智能算法電磁場(chǎng)優(yōu)化與預(yù)測(cè)自主控制電磁系統(tǒng)智能調(diào)節(jié)智能設(shè)計(jì)AI輔助電磁器件創(chuàng)新電磁學(xué)與生物醫(yī)學(xué)生物電磁學(xué)細(xì)胞電磁響應(yīng)神經(jīng)信號(hào)傳導(dǎo)電磁場(chǎng)生物效應(yīng)醫(yī)學(xué)成像磁共振成像電阻抗斷層掃描電磁追蹤技術(shù)納米醫(yī)學(xué)磁性納米粒子靶向藥物輸送磁熱治療腫瘤電磁學(xué)與能源革命1核聚變能源托卡馬克磁約束超導(dǎo)儲(chǔ)能磁能無(wú)損存儲(chǔ)智能電網(wǎng)電磁傳感與控制無(wú)線能量傳輸電磁感應(yīng)與微波傳輸電磁學(xué)與空間探索深空通信高增益定向天線能源系統(tǒng)太陽(yáng)能電池與核電源推進(jìn)技術(shù)離子推進(jìn)與電磁推進(jìn)電磁學(xué)與環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)識(shí)別電