《清華大學(xué)電磁學(xué)》課件

清華大學(xué)電磁學(xué)本課件旨在幫助您深入了解電磁學(xué)的基本原理，并掌握相關(guān)應(yīng)用。通過精彩的圖片和生動(dòng)的例子，帶您領(lǐng)略電磁學(xué)世界的奧妙。課程簡介及學(xué)習(xí)目標(biāo)電磁學(xué)概述本課程介紹電磁學(xué)的基本原理，探討電磁場理論以及電磁現(xiàn)象。學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握電磁學(xué)的基本概念、定律和理論，并能夠應(yīng)用這些知識解決實(shí)際問題。電磁學(xué)的基本概念電荷物質(zhì)的構(gòu)成單元，帶正電或負(fù)電。電場由靜止電荷產(chǎn)生的力場，影響其他電荷。磁場由運(yùn)動(dòng)電荷或電流產(chǎn)生的力場，影響其他運(yùn)動(dòng)電荷或電流。電磁波電場和磁場的交替變化，以光速傳播。靜電場的基本定律1庫侖定律描述了兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的相互作用力。2高斯定律建立了電場與電荷分布之間的關(guān)系。3電勢表示電場中某一點(diǎn)的能量。靜電場的數(shù)學(xué)描述庫侖定律描述了點(diǎn)電荷之間相互作用力的規(guī)律。高斯定律描述了電場強(qiáng)度與電荷分布的關(guān)系。電勢表示電場中某一點(diǎn)的電勢能大小。電勢梯度描述了電勢變化率，它與電場強(qiáng)度成正比。靜電場的邊界條件導(dǎo)體表面導(dǎo)體表面電場強(qiáng)度垂直于表面，且電勢處處相等。介質(zhì)分界面電場強(qiáng)度在分界面上的法向分量和切向分量滿足特定關(guān)系。無窮遠(yuǎn)處電場強(qiáng)度為零，電勢為常數(shù)。靜電場中的能量能量密度單位體積內(nèi)所儲存的電能電勢能電荷在電場中具有的能量電容衡量電容器儲存電荷能力的物理量靜電場中的力庫侖定律描述了兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的相互作用力，力的大小與電荷量乘積成正比，與距離平方成反比。電場力電場對帶電粒子的作用力，大小等于電荷量乘以電場強(qiáng)度。電偶極子與磁性電偶極子兩個(gè)等量異號電荷組成的體系稱為電偶極子。偶極矩電偶極子的偶極矩等于電荷量乘以兩電荷之間的距離。磁性磁性是物質(zhì)的一種屬性，它與物質(zhì)內(nèi)部的原子或分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。磁矩磁矩是衡量磁體強(qiáng)弱的一個(gè)物理量，它等于磁偶極子的磁偶極矩。電場和靜電場電場由靜止電荷或運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生的力場，用電場線來描述。靜電場由靜止電荷產(chǎn)生的電場，其電場線是靜止的，不會隨時(shí)間變化。電勢電場中某一點(diǎn)的電勢，描述的是該點(diǎn)電荷具有的能量。電勢差兩點(diǎn)之間的電勢差，表示電場力將電荷從一點(diǎn)移到另一點(diǎn)所需的功。磁場的基本定律1安培定律描述電流產(chǎn)生的磁場2畢奧-薩伐爾定律描述電流元產(chǎn)生的磁場3高斯磁定律描述磁場是無源的磁場的數(shù)學(xué)描述1磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度是用來描述磁場強(qiáng)弱的物理量。2磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度是用來描述磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用力的物理量。3磁通量磁通量是通過某個(gè)面積的磁力線的總量。4磁場能量磁場中儲存的能量密度。磁場中的感應(yīng)電動(dòng)勢變化磁場當(dāng)穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，電路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。楞次定律感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場方向總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量變化。法拉第定律感應(yīng)電動(dòng)勢的大小等于磁通量變化率的負(fù)值。電磁感應(yīng)定律當(dāng)穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，電路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與磁通量變化率成正比，方向遵循楞次定律。電磁感應(yīng)定律用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述：E=-dΦ/dt。電磁感應(yīng)的應(yīng)用電磁感應(yīng)現(xiàn)象在現(xiàn)代科技領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如：發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)變壓器電磁爐感應(yīng)加熱電磁能與電磁波電磁能電磁能是電磁場中儲存的能量，它包括電場能和磁場能。電磁波電磁波是由周期性變化的電場和磁場相互耦合而形成的，它能夠在真空中傳播。麥克斯韋方程組統(tǒng)一性麥克斯韋方程組將電場和磁場統(tǒng)一起來，揭示了電磁現(xiàn)象的本質(zhì)聯(lián)系。完備性該方程組是描述電磁現(xiàn)象最完備的理論體系，涵蓋了電磁場的所有基本規(guī)律。預(yù)測性麥克斯韋方程組預(yù)言了電磁波的存在，為無線電通信等技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。電磁波的傳播1電磁波的產(chǎn)生電磁波是由變化的電場和磁場相互作用而產(chǎn)生的。當(dāng)電場或磁場發(fā)生變化時(shí)，就會產(chǎn)生電磁波。2電磁波的傳播電磁波以光速在真空中傳播，其傳播方向垂直于電場和磁場的振動(dòng)方向。電磁波可以穿透真空、空氣、水等介質(zhì)，但傳播速度會因介質(zhì)的不同而有所變化。3電磁波的應(yīng)用電磁波在現(xiàn)代科技中有著廣泛的應(yīng)用，例如無線電通信、微波爐、衛(wèi)星通信、遙感技術(shù)等等。電磁波的反射和折射反射電磁波遇到不同的介質(zhì)時(shí)會發(fā)生反射，部分能量返回原介質(zhì)。折射電磁波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向會發(fā)生改變，稱為折射。斯涅耳定律折射角和入射角之間的關(guān)系由斯涅耳定律描述。電磁波的極化線性極化電場矢量始終在一個(gè)平面上振動(dòng)，這種極化方式被稱為線性極化。圓極化電場矢量的末端在垂直于傳播方向的平面上描繪出一個(gè)圓形軌跡，這種極化方式稱為圓極化。橢圓極化電場矢量的末端在垂直于傳播方向的平面上描繪出一個(gè)橢圓形軌跡，這種極化方式稱為橢圓極化。電磁波的干涉和衍射干涉當(dāng)兩列或多列電磁波相遇時(shí)，它們會相互疊加，形成新的波形。如果波的相位相同，它們就會加強(qiáng)，形成波峰和波谷更高的干涉圖樣。衍射當(dāng)電磁波遇到障礙物或狹縫時(shí)，它們會繞過障礙物或狹縫，形成新的波形。這種現(xiàn)象稱為衍射，它會導(dǎo)致波的傳播方向發(fā)生改變。高頻電磁波與天線高頻電磁波是無線電通信的核心。天線是高頻電磁波發(fā)射和接收的關(guān)鍵部件。衛(wèi)星通信、廣播電視等都依賴高頻電磁波和天線技術(shù)。靜電場中的電場力1庫侖定律兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的力2電場強(qiáng)度電場對單位正電荷的作用力3電場力電場對電荷的作用力直流電路的分析1歐姆定律電流、電壓和電阻之間的關(guān)系2基爾霍夫定律電流和電壓的守恒定律3電路分析方法節(jié)點(diǎn)電壓法、網(wǎng)孔電流法等交流電路的分析正弦波分析分析交流電路的基本信號形式-正弦波，理解其幅值、頻率和相位等參數(shù)。阻抗和相位探討電阻、電容和電感在交流電路中的阻抗特性，以及電流和電壓之間的相位關(guān)系。功率分析研究交流電路中的功率特性，包括有功功率、無功功率和視在功率。諧波分析分析交流電路中的諧波成分，識別其對電路性能的影響，并探討諧波抑制措施。電力系統(tǒng)的基本原理發(fā)電電力系統(tǒng)的核心是發(fā)電廠，利用各種能源（如煤炭、天然氣、水力、核能等）發(fā)電。輸電發(fā)電廠產(chǎn)生的電力通過高壓輸電線路傳輸?shù)礁鱾€(gè)用電區(qū)域，保證電力安全可靠地傳輸。配電輸電線路將電力送到配電網(wǎng)，再分配給用戶，保證每個(gè)用戶都能得到穩(wěn)定的電力供應(yīng)。用電用戶利用電力進(jìn)行各種活動(dòng)，如照明、供暖、生產(chǎn)等，為社會發(fā)展提供能量。電磁效應(yīng)在工程中的應(yīng)用電動(dòng)機(jī)電磁感應(yīng)原理使電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和家用電器。變壓器變壓器利用電磁感應(yīng)原理改變電壓和電流，在電力傳輸、電子設(shè)備等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。無線充電電磁感應(yīng)技術(shù)為移動(dòng)設(shè)備提供無線充電功能，方便用戶生活。電磁學(xué)前沿研究方向1超材料超材料可以實(shí)現(xiàn)對電磁波的操控，開辟了許多新的應(yīng)用，比如隱形技術(shù)和新型天線設(shè)計(jì)。2太赫茲技術(shù)太赫茲技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)成像、安全檢查、高速通信等領(lǐng)域具有巨大的潛力。3納米光學(xué)納米光學(xué)研究的是光與納米尺度物質(zhì)的相互作用，將推動(dòng)光學(xué)器件的miniaturization和新型光學(xué)材料的開發(fā)?？偨Y(jié)與展望電磁學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)，在未來將繼續(xù)發(fā)揮重要作用。未來電磁學(xué)研究將更加關(guān)注納米尺度電磁現(xiàn)象、新型材料和器件的電磁特性。電磁學(xué)在無線通信、能源、醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)⒉粩嗳〉眯碌耐黄?。課后思考題本