工程電磁場-緒論

1、1. 場2. 電場、磁場及統(tǒng)一的電磁場3. 電磁場的發(fā)展與展望4. 電磁場的“工程性”5.與其它學(xué)科的關(guān)系6. 學(xué)期計劃7. 參考文獻(1) 數(shù)學(xué)：矢量F=F(r,t) 或 標(biāo)量F=F(r,t)空間矢量時間 場既是空間的函數(shù)，又是時間的函數(shù)；給定區(qū)域內(nèi)各點數(shù)值的集合，并由此規(guī)定了該區(qū)域內(nèi)某一特定量的特性。如，溫度標(biāo)量場 T=T(r), 流體速度場v=v(r,t)(2) 物理：動態(tài)性，在遍及一個被限定的空間區(qū)域，存在著某種必須予以重視研究的效應(yīng)。 如，衛(wèi)星克服地球引力而存在的“重力”場；自然界的熱、電、磁分別對應(yīng)溫度場、電場和磁場。研究場的目的： 尋找這種函數(shù)，尋找該類效應(yīng)，由此而解決一定的問題

2、。 場特性需要一定的物理量(場量，如上所述的函數(shù))來描述，如溫度、重力、電場強度、應(yīng)力、位移、流速。(1) 電場電場：在電荷的周圍存在著一種特殊的物質(zhì)，它對引入其中的電荷有一種力的作用。(2) 磁場磁場：在通電導(dǎo)線的周圍存在著一種特殊的物質(zhì)，對引入其中的運動電荷有一種力的作用。異點電場力只與電荷大小有關(guān)，磁場力與電荷的運動狀態(tài)(速度、方向)有關(guān)。同點“電荷的效應(yīng)”，磁場只是電荷另外一種效應(yīng)的“別名”。(3) 統(tǒng)一的電磁場統(tǒng)一的電磁場：電場與磁場互相依賴和制約，互為“源泉”。變化的電場可以產(chǎn)生磁場，變化的磁場可以產(chǎn)生電場，在空間產(chǎn)生電磁波。 1840s，電磁學(xué)一些在特殊條件下的基本定律已經(jīng)相繼發(fā)

3、現(xiàn)，擺在物理學(xué)家面前的課題是把已發(fā)現(xiàn)的各個規(guī)律囊括起來，建立電磁現(xiàn)象的統(tǒng)一理論。在眾多物理學(xué)家的艱苦探索活動中，有持超距作用觀點的物理學(xué)家為發(fā)展超距作用電磁理論的努力；有場觀點的興起以及它對超距作用觀點的挑戰(zhàn)；有電磁現(xiàn)象同其它物理現(xiàn)象的對比研究；也有從基本原理聯(lián)系起來的探索，等等。這些研究錯綜復(fù)雜地交織在一起，形成了一幅豐富多彩斑斕絢麗的歷史畫卷。最終，Maxwell的電磁場理論以其理論的深刻性、預(yù)見性以及實驗檢驗的正確性而獲得成功。3.1 發(fā)展發(fā)展 (1) 實驗定律的建立：18世紀(jì)以來，靜電的庫侖定律、電路的歐姆定律、電流之間相互作用的安培定律 、電磁感應(yīng)定律已經(jīng)建立。 (2) “超距作用”

4、到“場”論的進步：法拉第(英，F(xiàn)araday)開創(chuàng)性地認(rèn)為，任何相互作用都不可能是超距的應(yīng)通過某種媒質(zhì)傳遞，這種媒質(zhì)稱作“場”，存在于電荷、電流、磁體周圍，提出了“場線”的概念。 (3) 統(tǒng)一電磁場的建立：麥克斯韋(英，Maxwell)引用流體力學(xué)的數(shù)學(xué)方法描述電場、磁場正、負(fù)電荷比作流體的源與匯，電場線比作流線；電場強度比作流速。 推導(dǎo)出電磁場傳播的波動方程，證明了電磁波的傳播速度正是波速。判定光“以波動形式按電磁規(guī)律傳播的一種電磁振動”，預(yù)言了電磁振蕩可以產(chǎn)生各種波長的電磁波。1886年，赫茲(德，Hertz)實驗證實了電磁波的存在，表明電磁波具有于光相同的反射、折射、散射，導(dǎo)致了無線通信

5、的發(fā)明，開辟了無線電領(lǐng)域。由此，建立了以Maxwell方程組為核心的宏觀電磁場理論的建立。歷史地位歷史地位： Maxwell電磁場理論是19世紀(jì)物理學(xué)中最偉大的成就，是繼Newton力學(xué)之后物理史上又一次劃時代的偉大貢獻，完成了宏觀電磁場的最終總結(jié)。它的建立標(biāo)志著電磁學(xué)的研究發(fā)展到了一個新的階段。從此，一個廣闊領(lǐng)域內(nèi)的理論基礎(chǔ)宣告形成，從而開拓了廣泛的研究領(lǐng)域。tCDJHtBE0 B D全電流定律電磁感應(yīng)定律磁通連續(xù)性原理高斯定律 1865年，Maxwell將安培環(huán)路定律、電磁感應(yīng)定律、磁通連續(xù)性原理、高斯通量定律應(yīng)用于空間的微分元素上，引入位移電流概念，使相互激勵的電場和磁場形成不可分割的統(tǒng)

6、一體電磁場，精辟地由四個方程來描述Maxwell電磁場方程。3.2 展望展望 電磁場理論是日趨發(fā)展的電工、電子、信息技術(shù)的理論基礎(chǔ)，旁及軍事、生態(tài)、醫(yī)療、天文、地質(zhì)等眾多領(lǐng)域新技術(shù)的生長點。(3) 工程應(yīng)用：電磁設(shè)備模型的等效與建立，解決問題。(1) 電磁場理論的發(fā)展：對電磁現(xiàn)象本質(zhì)的探討。(2) 電磁場方法的改進，精度的提高。(4) 電磁場軟件的開發(fā)。(1) 電磁感應(yīng)定律：開創(chuàng)了人類進入電氣化時代的新紀(jì)元。(2) 電磁波的存在展示了信息時代的前景。(3) 電力設(shè)備，過熱、振動、損耗等問題，要求電磁場數(shù)值計算及其逆問題的優(yōu)化。(4) 雷達、衛(wèi)星通信、電視接收、遙感、遙測和遙控技術(shù)，提出電磁波的

7、一系列問題。(5) 新技術(shù)： 電磁兼容、生物電磁場、電磁醫(yī)療及設(shè)備、無損檢測、磁懸浮、超導(dǎo)。電位分布(V)(V/m)電場強度絕緣子主體剖分 線匝振動位移的分布規(guī)律1.鐵芯中磁場遠高于 其它區(qū)域；2.線圈存在漏磁，因 此線匝要受到磁場 力。ABC1.三內(nèi)線圈永遠受壓力，外線圈受到張力；2.不同的 時刻，其受力的值不同。(A) 最上端(B) 最下端閥片墊片閥片墊片墊片閥片墊片閥片芯體內(nèi)的電場強度 剖分概貌全圖線圈部分剖分(V)(V/m)(V)電位分布電場強度500kV電阻分壓器無損傳輸線RdLd來波nn-1m0Cn0Cm0CmnCn -1,nCsCsCsRsRsRsLsLsLs等效電路C0n1(1

8、) 高等數(shù)學(xué)：微積分是工具。(4) 普通物理：電磁學(xué)基本概念的建立。(2) 工程數(shù)學(xué)矢量分析與場論：矢量、標(biāo)量及其運算，梯度、散度、旋度，各類積分。(5) 電路：是“積分”觀點，場是“微分”觀點。(6) 電機學(xué)：為電機的設(shè)計制造，優(yōu)化提供工具，分析其中的電磁過程。(7) 電器原理：電力設(shè)備中的電磁現(xiàn)象。(8) 電力電子：分析其中的電磁干擾。(3) 計算機技術(shù)：熟悉計算機語言。(9) 電力工程：高電壓技術(shù)、電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、電力系統(tǒng)暫態(tài)、電力系統(tǒng)繼電保護。承上啟下(1) 課堂講授為主：總共48學(xué)時，復(fù)習(xí)2-4學(xué)時。(2) 課后：作業(yè)為輔，適當(dāng)計成績。(3) 答疑：最好課間完成，是否需要專門繼續(xù)探討。

9、(4) 課外閱讀：同步指定參考書。(5) 作業(yè)：課后習(xí)題，大作業(yè)，利用計算機編程解決一個問題。(6) 考核：期末平時作業(yè)。1 陳熙謀，陳秉乾. 電磁學(xué)定律和電磁場理論得建立和發(fā)展M. 高等教育出版社, 1992.7.2 徐在新. 宓子宏. 從法拉第到麥克斯維M. 科學(xué)出版社，1986.3 M.H.沙摩斯. 物理史上的重要實驗M. 科學(xué)出版社，1985.4 倪光正. 工程電磁場原理M. 高等教育出版社，2002.6. 麥克思維是19世紀(jì)偉大的英國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家。1831年11月13日生于蘇格蘭的愛丁堡，自幼聰穎，父親是個知識淵博的律師，使麥克斯韋從小受到良好的教育。10歲時進入愛丁堡中學(xué)學(xué)習(xí)1

10、4歲就在愛丁堡皇家學(xué)會會刊上發(fā)表了一篇關(guān)于二次曲線作圖問題的論文，已顯露出出眾的才華。1847年進入愛丁堡大學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理。1850年轉(zhuǎn)入劍橋大學(xué)三一學(xué)院數(shù)學(xué)系學(xué)習(xí)，1854年以第二名的成績獲史密斯獎學(xué)金，畢業(yè)留校任職兩年。1856年在蘇格蘭阿伯丁的馬里沙耳任自然哲學(xué)教授。1860年到倫敦國王學(xué)院任自然哲學(xué)和天文學(xué)教授。1861年選為倫敦皇家學(xué)會會員。1865年春辭去教職回到家鄉(xiāng)系統(tǒng)地總結(jié)他的關(guān)于電磁學(xué)的研究成果，完成了電磁場理論的經(jīng)典巨著論電和磁，并于1873年出版，1871年受聘為劍橋大學(xué)新設(shè)立的卡文迪什試驗物理學(xué)教授，負(fù)責(zé)籌建著名的卡文迪什實驗室，1874年建成后擔(dān)任這個實驗室的第一任

11、主任，直到1879年11月5日在劍橋逝世。麥克斯韋主要從事電磁理論、分子物理學(xué)、統(tǒng)計物理學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、彈性理論方面的研究。尤其是他建立的電磁場理論，將電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)統(tǒng)一起來，是19世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的最光輝的成果，是科學(xué)史上最偉大的綜合之一。麥克斯韋大約于1855年開始研究電磁學(xué)，在潛心研究了法拉第關(guān)于電磁學(xué)方面的新理論和思想之后，堅信法拉第的新理論包含著真理。于是他抱著給法拉第的理論“提供數(shù)學(xué)方法基礎(chǔ)”的愿望，決心把法拉第的天才思想以清晰準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)形式表示出來。他在前人成就的基礎(chǔ)上，對整個電磁現(xiàn)象作了系統(tǒng)、全面的研究，憑借他高深的數(shù)學(xué)造詣和豐富的想象力接連發(fā)表了電磁場理論的三篇論文：論法拉第

12、的力線（1855年12 月至1856年2月）；論物理的力線（1861至1862年）；電磁場的動力學(xué)理論（1864年12月8日）。對前人和他自己的工作進行了綜合概括，將電磁場理論用簡潔、對稱、完美數(shù)學(xué)形式表示出來，經(jīng)后人整理和改寫，成為經(jīng)典電動力學(xué)主要基礎(chǔ)的麥克斯韋方程組。據(jù)此，1865年他預(yù)言了電磁波的存在，電磁波只可能是橫波，并計算了電磁波的傳播速度等于光速，同時得出結(jié)論：光是電磁波的一種形式，揭示了光現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系。1888年德國物理學(xué)家赫茲用實驗驗證了電磁波的存在。麥克斯韋于1873年出版了科學(xué)名著電磁理論。系統(tǒng)、全面、完美地闡述了電磁場理論。這一理論成為經(jīng)典物理學(xué)的重要支柱之

13、一。在熱力學(xué)與統(tǒng)計物理學(xué)方面麥克斯韋也作出了重要貢獻，他是氣體動理論的創(chuàng)始人之一。1859年他首次用統(tǒng)計規(guī)律棗麥克斯韋速度分布律，從而找到了由微觀兩求統(tǒng)計平均值的更確切的途徑。1866年他給出了分子按速度的分布函數(shù)的新推導(dǎo)方法，這種方法是以分析正向和反向碰撞為基礎(chǔ)的。他引入了馳豫時間的概念，發(fā)展了一般形式的輸運理論，并把它應(yīng)用于擴散、熱傳導(dǎo)和氣體內(nèi)摩擦過程。1867年引入了“統(tǒng)計力學(xué)”這個術(shù)語。麥克斯韋是運用數(shù)學(xué)工具分析物理問題和精確地表述科學(xué)思想的大師，他非常重視實驗，由他負(fù)責(zé)建立起來的卡文迪什實驗室，在他和以后幾位主任的領(lǐng)導(dǎo)下，發(fā)展成為舉世聞名的學(xué)術(shù)中心之一。他善于從實驗出發(fā)，經(jīng)過敏銳的觀察思考，應(yīng)用嫻熟的數(shù)學(xué)技