第一讲--电磁场基本问题及其应用发展介绍优秀PPT.ppt

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1、2022/11/4 1工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论导言导言导言导言工程电磁场导论静电场恒定电场恒定磁场导 言矢量分析与场论基础时变电磁场、准静态场（介绍）2022/11/4 2工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论导言导言导言导言课程导言二、电磁场理论发展三、电磁场理论应用一、电磁场（理论）科学内涵四、学习目的、要求和支配2022/11/4 3工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论导言导言导言导言一一、电磁场理论的科学内涵、电磁场理论的科学内涵1.1 电气工程学科理论核心；电磁能量的生产及转换 电磁能量的传输与储存 电磁场能的开发

2、和利用2022/11/4 4工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论导言导言导言导言 作为理论物理学的一个 重要探讨分支，主要致 力于统一场理论和微观 量子电动力学的探讨。电电磁磁场场理理论论 作为电类专业的理论基 础和专业技术，集中于三大类应用问题的探讨。1.21.2 电磁场理论的科学内涵电磁场理论的科学内涵工程电磁场电磁学2022/11/4 5工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论导言导言导言导言1.3 1.3 工程电磁场探讨内容或应用问题工程电磁场探讨内容或应用问题电磁场（或电磁波）作为能量的一种形电磁场（或电磁波）作为能量的一种形式，是当今世界最重要的

3、能源，其式，是当今世界最重要的能源，其探讨领域涉及电磁能量的产生、储探讨领域涉及电磁能量的产生、储存、变换、传输和综合利用。存、变换、传输和综合利用。电磁力悬浮系统电磁力悬浮系统EMSEMS系统系统（Electromagnetic suspensionElectromagnetic suspension）电动力悬浮系统电动力悬浮系统EDSEDS系统系统（Electrodynamic suspensionElectrodynamic suspension）电磁波作为信息传输的载体，成为当今电磁波作为信息传输的载体，成为当今人类社会发布和获得信息的主要手人类社会发布和获得信息的主要手段，主要探讨领

4、域为信息的产生、段，主要探讨领域为信息的产生、获得、交换、传输、储存、处理、获得、交换、传输、储存、处理、再现和综合利用。再现和综合利用。电磁波作为探测未知世界的一种重要手电磁波作为探测未知世界的一种重要手段，主要探讨领域为电磁波与目标段，主要探讨领域为电磁波与目标的相互作用特性、目标特征的获得的相互作用特性、目标特征的获得与重建、探测新技术等。与重建、探测新技术等。（世界最（世界最大的射电望远镜，贵州，直径大的射电望远镜，贵州，直径500500米，米，20162016年年9 9月）月）2022/11/4 6工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论导言导言导言导言什么是场？电磁

5、场的实质是什么？载流线圈的磁场如何产生？电容器如何储能？一段导线如何放射或接收信号？电磁场在空间如何传播？能量如何沿导线传输和以波形式传输？电磁场理论学习除了回答这些简洁问题外，对于理解电气工程中发生的很多现象也是极其重要的，比如集成电路、印制电路板的牢靠性分析，电器设备绝缘牢靠性试验分析，电（磁）能转换应用中的效能分析等。1.4 1.4 问题问题2022/11/4 7工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论导言导言导言导言电磁场属性与运动规律场与媒质（物质）的相互作用电磁场系统的计算与仿真电磁能的开发与利用新器件与系统的开发电磁场与波的其它应用1.5 1.5 电磁场探讨的对象

6、与内容电磁场探讨的对象与内容2022/11/4 8工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论导言导言导言导言理论体系严谨、科学理论内容抽象看不见，摸不着理论困难时域、频域、空域、极化要求有较强的逻辑推理实力立足于宏观电磁关系，场的积分形式为主应用特别广泛1.6 1.6 电磁场理论课特点电磁场理论课特点2022/11/4 9工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论导言导言导言导言电类专业基础课以经典理论为主，结合电类工程问题，既是专业基础课，又是专业（技术）课突出专业基础课的基础性，强调基本概念、基本规律和电磁场的基本分析计算方法留意电磁场理论的应用性和实践性，重视

7、工程问题的建模和定性分析以电磁场微分形式为主强调专业课的功能，加强计算实力的训练，以便妥当处理工程电磁场问题干脆为电气工程专业供应解决电磁场问题的方法1.7 1.7 电磁场专业课特点电磁场专业课特点2022/11/4 10工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论导言导言导言导言 电、磁现象是大自然最重要的现象，也是最早被关注和电、磁现象是大自然最重要的现象，也是最早被关注和探讨的物理现象，其中贡献大的科学家有富兰克林探讨的物理现象，其中贡献大的科学家有富兰克林(避雷针避雷针)、伏打（伏特）、沈括、哥伦布等。伏打（伏特）、沈括、哥伦布等。方家以磁石磨针锋，则能指南，然常偏东，不全

8、南也。方家以磁石磨针锋，则能指南，然常偏东，不全南也。沈括沈括 梦溪笔谈梦溪笔谈 磁偏角现象，西方磁偏角现象，西方14921492年哥伦布发觉，比沈括晚了年哥伦布发觉，比沈括晚了400400多多年。年。19 19世纪之前，电、磁为两个独立的物理现象被单独探讨。世纪之前，电、磁为两个独立的物理现象被单独探讨。二、二、电磁场理论的发展电磁场理论的发展2.1 电磁场理论的早期发展电磁场理论的早期发展2022/11/4 11工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论导言导言导言导言 18 18世纪末期，德国哲学家谢林提出世纪末期，德国哲学家谢林提出“电是宇宙的活力和电是宇宙的活力和灵魂灵

9、魂”，“电、磁、光、热是相互联系的电、磁、光、热是相互联系的”观点。观点。其信徒奥斯特其信徒奥斯特18071807年起先探讨电与磁之间的关系，年起先探讨电与磁之间的关系，18201820年发觉电流以力作用于磁针。年发觉电流以力作用于磁针。安培发觉作用力的方向和电流的方向以及磁针到通有电安培发觉作用力的方向和电流的方向以及磁针到通有电流的导线的垂直方向相互垂直，并建立了定量计算电流作用流的导线的垂直方向相互垂直，并建立了定量计算电流作用力的数学公式。揭示了电流与磁之间亲密的联系。力的数学公式。揭示了电流与磁之间亲密的联系。二、二、电磁场理论的发展电磁场理论的发展2.2 电磁场理论的建立电磁场理论

10、的建立2022/11/4 12 法拉第信任法拉第信任“电、磁、光、热是相互联系的电、磁、光、热是相互联系的”观点。奥斯观点。奥斯特特18201820年发觉电流以力作用于磁针后，法拉第敏锐地意识到磁年发觉电流以力作用于磁针后，法拉第敏锐地意识到磁也确定能对电产生影响。也确定能对电产生影响。18211821年他起先探究探讨磁生电的试验，年他起先探究探讨磁生电的试验，经过十年探讨，于经过十年探讨，于18311831年他发觉：当磁棒插入导体线圈后，导年他发觉：当磁棒插入导体线圈后，导体线圈中就产生电流。这表明：电和磁之间存在着亲密的联系。体线圈中就产生电流。这表明：电和磁之间存在着亲密的联系。确定质量

11、物体之间具有吸引力称为万有引力。万有引力说确定质量物体之间具有吸引力称为万有引力。万有引力说明为带电粒子高速形成的磁场力。明为带电粒子高速形成的磁场力。2016 2016年年2 2月月11 11日，日，Ligo(Ligo(激光干涉引力波天文台激光干涉引力波天文台)探测到距离地探测到距离地球球13 13亿光年的两个黑洞并合产生的引力波亿光年的两个黑洞并合产生的引力波工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论导言导言导言导言二、二、电磁场理论的发展电磁场理论的发展2.2 电磁场理论的建立电磁场理论的建立2022/11/4 13工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论导

12、言导言导言导言 麦克斯韦深化探讨了电与磁之间相互联系问题。在法麦克斯韦深化探讨了电与磁之间相互联系问题。在法拉第试验的基础上，总结了宏观电磁现象的基本规律，引拉第试验的基础上，总结了宏观电磁现象的基本规律，引入位移电流的概念，提出了描述电磁现象的规律的偏微分入位移电流的概念，提出了描述电磁现象的规律的偏微分方程，即麦克斯韦方程组，建立了宏观经典的电磁场理论。方程，即麦克斯韦方程组，建立了宏观经典的电磁场理论。麦克斯韦探讨电磁场重要时辰表：麦克斯韦探讨电磁场重要时辰表：1855 1855年，起先致力于电磁学的探讨年，起先致力于电磁学的探讨 1864 1864年，年，“电磁场的动力学理论电磁场的动

13、力学理论”发表发表 1873 1873年，年，“电磁通论电磁通论”著作完成，经典宏观的电磁场著作完成，经典宏观的电磁场理论建立。理论建立。二、二、电磁场理论的发展电磁场理论的发展2022/11/4 14工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论导言导言导言导言 电磁场理论电磁场理论光速不变原理光速不变原理 光速不变原理由联合求解麦克斯韦方程得到，是爱因光速不变原理由联合求解麦克斯韦方程得到，是爱因斯坦创立狭义相对论的基本动身点：斯坦创立狭义相对论的基本动身点：光速不变原理：真空中的光速对任何惯性系中的观测光速不变原理：真空中的光速对任何惯性系中的观测者来说都相同，不随光源和观测者

14、所在参考系的相对运动者来说都相同，不随光源和观测者所在参考系的相对运动而变更。而变更。物体高速运动时将发生尺短钟慢的现象，当物体速物体高速运动时将发生尺短钟慢的现象，当物体速度达到光速时，物体沿空间方向的尺度会缩短为零，时间度达到光速时，物体沿空间方向的尺度会缩短为零，时间会慢到停止。会慢到停止。二、二、电磁场理论的发展电磁场理论的发展2.3 电磁场理论的发展电磁场理论的发展2022/11/4 15工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论导言导言导言导言 德国科学家赫兹1887年用火花隙激励一个环状天线，用另一个带隙的环状天线接收，证明白麦克斯韦关于电磁波存在的预言。这一重要试

15、验导致了后来无线电报的独创，从今起先了电磁场与电磁波理论的应用与发展时代。无线电报（telegraph）：1895年，马可尼进行2.5公里无线 电报传送；1896年，波波夫进行250米无线电报传送试验；1899年，跨越英吉利海峡的电报传送试验成功；1901年，跨越大西洋3200公里的电报传送试验成功。二、二、电磁场理论的发展电磁场理论的发展2.4 电磁场理论的发展与应用探讨2022/11/4 16工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论导言导言导言导言l有线电话（有线电话（telephonetelephone）：）：18761876年年,美国科学家贝尔在美国建美国科学家贝尔在美

16、国建国国100100周年博览会上展示了他所独创的有线电话。周年博览会上展示了他所独创的有线电话。l广播（广播（broadcastingbroadcasting）;1906;1906年年,美国费森登用美国费森登用5050千赫的发电机千赫的发电机作放射机，用微音器接入天线作为调制，使大西洋航船作放射机，用微音器接入天线作为调制，使大西洋航船上的报务员听到了广播播出的音乐，上的报务员听到了广播播出的音乐，19191919年第一个无线年第一个无线广播电台在英国建立。广播电台在英国建立。l电视电视(television set(television set）：）：18841884年，德国尼普科夫提出机械

17、扫描年，德国尼普科夫提出机械扫描电视；兹沃霄金在电视；兹沃霄金在19231923年和年和19241924年相继独创了摄像管和显年相继独创了摄像管和显像管；像管；19311931年，世界上第一个全电子电视系统出现。年，世界上第一个全电子电视系统出现。二、二、电磁场理论的发展电磁场理论的发展2.4 电磁场理论的发展与应用探讨2022/11/4 17工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论导言导言导言导言l雷达（雷达（RadarRadar）：雷达英文）：雷达英文RadarRadar是是Radio Detection and Ranging Radio Detection and Ra

18、nging 的缩写，意思是无线电探测和测距。的缩写，意思是无线电探测和测距。l 1922 1922年年,马可尼发表无线电波能检测物体的论文，是雷马可尼发表无线电波能检测物体的论文，是雷达最早的概念。雷达作为一种探测目标的电子设备，产达最早的概念。雷达作为一种探测目标的电子设备，产生于二次世界大战。生于二次世界大战。l19361936年，英国设计的警戒雷达投入运行；年，英国设计的警戒雷达投入运行；1938 1938年，美国年，美国研制成第一部炮火限制雷达；研制成第一部炮火限制雷达；1940 1940年，微波雷达出现；年，微波雷达出现；19441944年，自动跟踪飞机的雷达研制成功；年，自动跟踪飞

19、机的雷达研制成功；1945 1945年，显示年，显示运动目标的显示技术独创。运动目标的显示技术独创。二、二、电磁场理论的发展电磁场理论的发展2.4 电磁场理论的发展与应用探讨2022/11/4 18工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论导言导言导言导言l卫星通信（卫星通信（Satellite communicationSatellite communication）：）：l 1958 1958年，美国低轨年，美国低轨“探险者探险者”卫星放射成功；卫星放射成功；l 1964 1964年，同步卫星通信实现了三大洲的通信；年，同步卫星通信实现了三大洲的通信；l 1965 1965年

20、，第一颗商用定点同步卫星投入运行；年，第一颗商用定点同步卫星投入运行；l 1969 1969年，卫星通信发展趋于成熟。年，卫星通信发展趋于成熟。l卫星定位技术（卫星定位技术（Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System _GPSPositioning System _GPS）l19571957年，卫星放射成功后，以卫星为基地的对地球表面年，卫星放射成功后，以卫星为基地的对地球表面及近地空间目标的定位和导航成为可能。及

21、近地空间目标的定位和导航成为可能。二、二、电磁场理论的发展电磁场理论的发展2.4 电磁场理论的发展与应用探讨2022/11/4 19工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论导言导言导言导言l卫星定位技术（卫星定位技术（Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System _GPSPositioning System _GPS）l19581958年，美国起先探讨实施这一支配，年，美国起先探讨实施这一支配，196

22、41964年探讨成功子年探讨成功子午仪卫星导航系统。午仪卫星导航系统。19731973年美国提出了由年美国提出了由2424颗星组成的颗星组成的GPSGPS支配。支配。l北斗定位系统：北斗系统是我国建立的区域导航定位系北斗定位系统：北斗系统是我国建立的区域导航定位系统。北斗一代以运行，北斗二代统。北斗一代以运行，北斗二代20112011年完成系统组网，年完成系统组网，基本具备运行实力，基本具备运行实力，20202020年完成建设任务。年完成建设任务。二、二、电磁场理论的发展电磁场理论的发展2.4 电磁场理论的发展与应用探讨2022/11/4 20工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁

23、场导论导言导言导言导言三、三、电磁磁场理理论应用用3.1 3.1 电磁场（与电磁波）的基本应用电磁场（与电磁波）的基本应用 当今的无线通信、广播、当今的无线通信、广播、雷达雷达、遥控遥测、微波遥、遥控遥测、微波遥感、无线因特网、无线局域网、感、无线因特网、无线局域网、卫星定位卫星定位以及光纤通信以及光纤通信等信息技术都是利用电磁波作为媒介传输信息的。等信息技术都是利用电磁波作为媒介传输信息的。静电复印、静电除尘以及静电喷漆等技术都是基于静电复印、静电除尘以及静电喷漆等技术都是基于静电场对于带电粒子具有力的作用。静电场对于带电粒子具有力的作用。电电磁磁铁铁、磁磁悬悬浮浮轴轴承承以以及及磁磁悬悬浮

24、浮列列车车等等，都都是是利利用用磁场力的作用。磁场力的作用。2022/11/4 21工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论导言导言导言导言3.2 电磁问题电磁问题静电干扰问题静电干扰问题(大气静电、高压静电、绝缘及绝缘材料）大气静电、高压静电、绝缘及绝缘材料）电磁辐射干扰问题（各种电气或无线电设备放射的辐射电磁辐射干扰问题（各种电气或无线电设备放射的辐射电磁场对处于场内其它电气和电子设备的干扰）电磁场对处于场内其它电气和电子设备的干扰）电磁环境问题（各种电磁场及波对环境和人体的影响）电磁环境问题（各种电磁场及波对环境和人体的影响）须要探讨和发展各种电磁环境中的电磁兼容技术须要

25、探讨和发展各种电磁环境中的电磁兼容技术.2022/11/4 22工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论导言导言导言导言3.3 电磁场与波应用探讨热点电磁场与波应用探讨热点l 电机技术电机技术l 1870 1870年比利时工程师格拉姆独创了年比利时工程师格拉姆独创了直流发电机。直流发电机。l 1888 1888年南斯拉夫诞生的美国独创家年南斯拉夫诞生的美国独创家特斯拉独创了沟通电动机。特斯拉独创了沟通电动机。l 1902 1902年瑞典工程师丹尼尔森首先提年瑞典工程师丹尼尔森首先提出同步电动机构想。出同步电动机构想。l 就在法拉第发觉电磁感应原理的其次就在法拉第发觉电磁感应原理

26、的其次年年(1832(1832年），年），法国人皮克希应用电磁感应法国人皮克希应用电磁感应原理制成了最初的发电机。原理制成了最初的发电机。l 1867 1867 年，德国独创家韦纳年，德国独创家韦纳冯冯西西门子对发电机提出了重大改进。他利用电磁门子对发电机提出了重大改进。他利用电磁铁替代永磁体产生磁场，使磁力增加，产生铁替代永磁体产生磁场，使磁力增加，产生强大的电流。强大的电流。2022/11/4 23工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论导言导言导言导言雷达技术（雷达技术（Radio Detection and Ranging）在整个其次次世界大战期间在整个其次次世界大战期

27、间,雷达成了电磁场理论最活跃的部分。雷达成了电磁场理论最活跃的部分。卫星定位技术卫星定位技术（GPS）电磁兼容技术电磁兼容技术（EMC）EMC(electromagnetic compatibility)电磁兼容指的是一个产品和其它产品共存于特定的电磁环境中，而不会电磁兼容指的是一个产品和其它产品共存于特定的电磁环境中，而不会引起其它产品或者自身性能下降或损坏的实力。引起其它产品或者自身性能下降或损坏的实力。3.3 电磁场与波应用探讨热点电磁场与波应用探讨热点2022/11/4 24工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论导言导言导言导言3.4 3.4 电磁场理论的进一步发展电

28、磁场理论的进一步发展 以上新技术的广泛应用又促进了电磁理论的发展。由此创建了很多分析电以上新技术的广泛应用又促进了电磁理论的发展。由此创建了很多分析电磁场与波的新方法，研制了很多电磁性能优越的新材料。特殊是随着大容量的磁场与波的新方法，研制了很多电磁性能优越的新材料。特殊是随着大容量的高性能及高速度计算机出现，不但解决了很多电磁理论的计算问题，同时也萌高性能及高速度计算机出现，不但解决了很多电磁理论的计算问题，同时也萌生了计算电磁场与波的新方法，从而形成计算电磁学（数值解）的新学科，它生了计算电磁场与波的新方法，从而形成计算电磁学（数值解）的新学科，它是当今电磁学的重要分支。是当今电磁学的重要

29、分支。如有限差分法、有限元法、矩量法等如有限差分法、有限元法、矩量法等 。另一个具有魅力的探讨主题是被电磁场干扰的气态等离子体。另一个具有魅力的探讨主题是被电磁场干扰的气态等离子体。2022/11/4 25工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论导言导言导言导言四、学四、学习目的、要求及学目的、要求及学习支配支配4.1.4.1.学习目的与要求学习目的与要求驾驭宏观电磁场的基本属性与运动规律驾驭宏观电磁场的基本属性与运动规律驾驭宏观电磁场问题的基本分析方法驾驭宏观电磁场问题的基本分析方法了解宏观电磁场的主要应用领域及原理了解宏观电磁场的主要应用领域及原理训练分析、归纳和提炼工程电

30、磁问题的方法训练分析、归纳和提炼工程电磁问题的方法训练用数学工具解决工程电磁问题的实力训练用数学工具解决工程电磁问题的实力独立细致完成作业。上课不缺课，不迟到不早退，不独立细致完成作业。上课不缺课，不迟到不早退，不玩手机，上课不走动，做好课堂记录玩手机，上课不走动，做好课堂记录2022/11/4 26工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论导言导言导言导言四、学四、学习目的、要求及支配目的、要求及支配4.2 4.2 学习支配学习支配 讲解矢量分析及书本前三章内容，讲到恒定磁场一章，讲解矢量分析及书本前三章内容，讲到恒定磁场一章，介绍时变电磁场和与工程联系的准静态场。课程实行考介

31、绍时变电磁场和与工程联系的准静态场。课程实行考试形式，成果为试卷和平常成果分别为试形式，成果为试卷和平常成果分别为70%70%和和30%30%。4.3.4.3.参考书目参考书目 冯慈璋、马西奎，工程电磁场导论，高等教化出版社冯慈璋、马西奎，工程电磁场导论，高等教化出版社 2022/11/4 27工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论导言导言导言导言B2 隐形轰炸机隐形轰炸机 i r反 射 定 律 的 应 用2022/11/4 28工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论工程电磁场导论导言导言导言导言 全全 球球 定定 位位 系系 统统 Global Positioning System(GPS)信 息 载 体 的 应 用 人有了学问，就会具备各种分析实力，明辨是非的实力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富学问，培育逻辑思维实力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培育文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的学问面。有很多书籍还能培育我们的道德情操，给我们巨大的精神力气，鼓舞我们前进。