工程电磁场数值方法编程实验1－电磁理论及计算电磁学概述.ppt

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1、工程电磁场数值方法编程实验1电磁理论及计算电磁学概述 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望课程教材课程教材参考教材：参考教材：1 1、倪光正，杨仕友等，倪光正，杨仕友等，倪光正，杨仕友等，倪光正，杨仕友等，工程电磁场数值计算工程电磁场数值计算工程电磁场数值计算工程电磁场数值计算，机械工业出版社，机械工业出版社，机械工业出版社，机械工业出版社，20042004年。年。年。年。2 2、David J.K.David J.K.，VC+6.0VC+6.0技术内幕

2、技术内幕技术内幕技术内幕第五版，第五版，第五版，第五版，北京希望电子出版社，北京希望电子出版社，北京希望电子出版社，北京希望电子出版社，19991999。3 3、网络编程资源网络编程资源网络编程资源网络编程资源。课程介绍课程介绍n n学习电磁场数值计算中的常用方法：学习电磁场数值计算中的常用方法：学习电磁场数值计算中的常用方法：学习电磁场数值计算中的常用方法：数值积分方数值积分方数值积分方数值积分方法和有限差分法法和有限差分法法和有限差分法法和有限差分法，以及编写，以及编写，以及编写，以及编写科学计算代码和应用科学计算代码和应用科学计算代码和应用科学计算代码和应用程序的高级编程程序的高级编程程

3、序的高级编程程序的高级编程练习。练习。练习。练习。n n重点重点重点重点1 1：工程电磁场数值：工程电磁场数值：工程电磁场数值：工程电磁场数值算法原理算法原理算法原理算法原理及如何应用这些及如何应用这些及如何应用这些及如何应用这些算法进行分析电磁问题算法进行分析电磁问题算法进行分析电磁问题算法进行分析电磁问题的思路。的思路。的思路。的思路。n n重点重点重点重点2 2：用：用：用：用C C语言编写科学计算语言编写科学计算语言编写科学计算语言编写科学计算代码，编写代码，编写代码，编写代码，编写VCVC基本基本基本基本应用程序界面应用程序界面应用程序界面应用程序界面，VCVC调用调用调用调用Mat

4、labMatlab图形界面编程图形界面编程图形界面编程图形界面编程。n n重点重点重点重点3 3：编写：编写：编写：编写基于数值算法的计算实例基于数值算法的计算实例基于数值算法的计算实例基于数值算法的计算实例一个完整应一个完整应一个完整应一个完整应用程序。用程序。用程序。用程序。n n它是它是它是它是通信工程、电子信息工程、电子科学与技术通信工程、电子信息工程、电子科学与技术通信工程、电子信息工程、电子科学与技术通信工程、电子信息工程、电子科学与技术及电磁场与微波技术及电磁场与微波技术及电磁场与微波技术及电磁场与微波技术等专业十分重要的专业选修等专业十分重要的专业选修等专业十分重要的专业选修等

5、专业十分重要的专业选修课程。课程。课程。课程。课程内容课程内容1 1电磁理论及计算电磁学概述电磁理论及计算电磁学概述2 2科学计算科学计算编程（编程（C语言）语言）实践实践3 3电磁场电磁场数值积分方法数值积分方法4 4VC编程及调用编程及调用Matlab编程编程实践实践5 5电磁场电磁场有限差分方法有限差分方法6 6数值仿真数值仿真课程设计课程设计课程性质课程性质n n属于非计算机专业计算机教育第三层次属于非计算机专业计算机教育第三层次属于非计算机专业计算机教育第三层次属于非计算机专业计算机教育第三层次-计算机综计算机综计算机综计算机综合应用层次的课程。合应用层次的课程。合应用层次的课程。合

6、应用层次的课程。n n全校专业选修课，创新学分课程全校专业选修课，创新学分课程全校专业选修课，创新学分课程全校专业选修课，创新学分课程n n先修课程先修课程先修课程先修课程：1 1、电磁场与电磁波；、电磁场与电磁波；、电磁场与电磁波；、电磁场与电磁波；2 2、数学物理方法；、数学物理方法；、数学物理方法；、数学物理方法；3 3、C/C+C/C+语言语言语言语言4 4、MATLABMATLAB工具软件。工具软件。工具软件。工具软件。课程安排课程安排n n共共共共3232学时，学时，学时，学时，8 8周次。其中理论讲解周次。其中理论讲解周次。其中理论讲解周次。其中理论讲解1212学时，编程学时，编

7、程学时，编程学时，编程实践实践实践实践2020学时。学时。学时。学时。n n理论讲解侧重理论讲解侧重理论讲解侧重理论讲解侧重算法分析算法分析算法分析算法分析。n n编程实践侧重编程实践侧重编程实践侧重编程实践侧重算法应用算法应用算法应用算法应用和和和和编程锻炼编程锻炼编程锻炼编程锻炼。n n作业作业作业作业：4 4次课堂编程实践次课堂编程实践次课堂编程实践次课堂编程实践作业作业作业作业n n考试考试考试考试：选择一个课程设计题目作为设计内容，要：选择一个课程设计题目作为设计内容，要：选择一个课程设计题目作为设计内容，要：选择一个课程设计题目作为设计内容，要完成完成完成完成一个数值计算的应用程序

8、一个数值计算的应用程序一个数值计算的应用程序一个数值计算的应用程序开发，完成开发，完成开发，完成开发，完成一份标一份标一份标一份标准实验报告准实验报告准实验报告准实验报告。第第1章章 电磁理论及电磁理论及计算电磁学概述计算电磁学概述工程电磁场数值方法编程实验电磁理论及计工程电磁场数值方法编程实验电磁理论及计工程电磁场数值方法编程实验电磁理论及计工程电磁场数值方法编程实验电磁理论及计算电磁学概述算电磁学概述算电磁学概述算电磁学概述电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 赖生建赖生建赖生建赖生建主要内容主要内容1 1 1 1介绍介绍2 2 2 2电磁场特性和数学模型电磁场特性和数学模型3

9、 3 3 3计算电磁学的发展历史计算电磁学的发展历史4 4 4 4计算电磁学的应用计算电磁学的应用1、介绍、介绍 n n在现代电子工程设计中，要对工程中复杂电磁系统进行电在现代电子工程设计中，要对工程中复杂电磁系统进行电在现代电子工程设计中，要对工程中复杂电磁系统进行电在现代电子工程设计中，要对工程中复杂电磁系统进行电磁分析，就是求解工程系统中电磁场满足的磁分析，就是求解工程系统中电磁场满足的磁分析，就是求解工程系统中电磁场满足的磁分析，就是求解工程系统中电磁场满足的MaxwellMaxwell方程方程方程方程组组组组。我们知道。我们知道。我们知道。我们知道MaxwellMaxwell理论是分

10、析电气工程必要的工具，理论是分析电气工程必要的工具，理论是分析电气工程必要的工具，理论是分析电气工程必要的工具，早期的电磁分析是使用笔和纸进行解析推导，只能求解一早期的电磁分析是使用笔和纸进行解析推导，只能求解一早期的电磁分析是使用笔和纸进行解析推导，只能求解一早期的电磁分析是使用笔和纸进行解析推导，只能求解一些些些些简单规则系统简单规则系统简单规则系统简单规则系统的严格解和不是很复杂系统的的严格解和不是很复杂系统的的严格解和不是很复杂系统的的严格解和不是很复杂系统的近似解近似解近似解近似解。n n数值计算方法和计算机技术的发展，改变了电磁分析手段。数值计算方法和计算机技术的发展，改变了电磁分

11、析手段。数值计算方法和计算机技术的发展，改变了电磁分析手段。数值计算方法和计算机技术的发展，改变了电磁分析手段。如果把如果把如果把如果把MaxwellMaxwell理论、数值计算方法与计算机技术的优势理论、数值计算方法与计算机技术的优势理论、数值计算方法与计算机技术的优势理论、数值计算方法与计算机技术的优势结合起来，完全求解结合起来，完全求解结合起来，完全求解结合起来，完全求解MaxwellMaxwell方程组，这能加快许多电子方程组，这能加快许多电子方程组，这能加快许多电子方程组，这能加快许多电子工程设计进程，这将对现代电子工程设计产生巨大的影响，工程设计进程，这将对现代电子工程设计产生巨大

12、的影响，工程设计进程，这将对现代电子工程设计产生巨大的影响，工程设计进程，这将对现代电子工程设计产生巨大的影响，这就是计算电磁学，这就是计算电磁学，这就是计算电磁学，这就是计算电磁学，n n现代科学研究的基本模式是现代科学研究的基本模式是现代科学研究的基本模式是现代科学研究的基本模式是“科学实验、理论分析、高性科学实验、理论分析、高性科学实验、理论分析、高性科学实验、理论分析、高性能计算能计算能计算能计算”三位一体，而计算电磁学正是体现这种模式，具三位一体，而计算电磁学正是体现这种模式，具三位一体，而计算电磁学正是体现这种模式，具三位一体，而计算电磁学正是体现这种模式，具有十分重要的地位。有十

13、分重要的地位。有十分重要的地位。有十分重要的地位。2、电磁场的特性和数学模型、电磁场的特性和数学模型n n回回回回顾顾顾顾自自自自然然然然科科科科学学学学发发发发展展展展的的的的历历历历史史史史，早早早早在在在在伽伽伽伽利利利利略略略略年年年年代代代代，已已已已认认认认为为为为理理理理解解解解宇宇宇宇宙宙宙宙的的的的原原原原理理理理是是是是数数数数理理理理。其其其其后后后后牛牛牛牛顿顿顿顿（I.I.Newton,Newton,1642172716421727）将将将将力力力力学学学学法法法法则则则则用用用用单单单单纯纯纯纯的的的的数数数数学学学学式式式式来来来来表表表表达达达达，结结结结合合合

14、合他他他他创创创创始始始始的的的的微微微微积积积积分分分分方方方方法法法法，通通通通过过过过数数数数学学学学分分分分析析析析地地地地球球球球上上上上的的的的潮潮潮潮汐汐汐汐降降降降落落落落、摆摆摆摆的的的的周周周周期期期期和和和和天天天天体体体体行行行行星星星星运运运运动等自然现象，创立了牛顿力学。动等自然现象，创立了牛顿力学。动等自然现象，创立了牛顿力学。动等自然现象，创立了牛顿力学。n n此此此此后后后后，在在在在自自自自然然然然科科科科学学学学领领领领域域域域内内内内，利利利利用用用用数数数数学学学学来来来来阐阐阐阐明明明明自自自自然然然然现现现现象象象象是是是是科科科科学学学学的的的的

15、发发发发展展展展趋趋趋趋势势势势，人人人人们们们们应应应应用用用用单单单单纯纯纯纯的的的的数数数数学学学学关关关关系系系系式式式式描描描描述述述述自自自自然然然然法法法法则则则则，求求求求其其其其解解解解答答答答，并并并并在在在在与与与与实实实实验验验验和和和和观观观观测结果比对的基础上，去理解和应用自然现象测结果比对的基础上，去理解和应用自然现象测结果比对的基础上，去理解和应用自然现象测结果比对的基础上，去理解和应用自然现象数学模型数学模型n n当当当当应应应应用用用用数数数数学学学学方方方方法法法法解解解解决决决决上上上上述述述述物物物物理理理理及及及及非非非非物物物物理理理理问问问问题题

16、题题时时时时，必必必必须须须须建建建建立立立立与与与与问问问问题题题题相相相相应应应应的的的的数数数数学学学学模模模模型型型型，并并并并在在在在此此此此基基基基础础础础上上上上进进进进行行行行分分分分析析析析和和和和研研研研究究究究。因因因因此此此此，所所所所建建建建立立立立的的的的数数数数学学学学模模模模型型型型必必必必须须须须精精精精确确确确地地地地逼近逼近逼近逼近所探讨的问题。所探讨的问题。所探讨的问题。所探讨的问题。n n数数数数学学学学模模模模型型型型是是是是对对对对客客客客观观观观事事事事物物物物的的的的抽抽抽抽象象象象模模模模拟拟拟拟，它它它它按按按按事事事事物物物物固固固固有有

17、有有的的的的规规规规律律律律性性性性，通通通通过过过过数数数数学学学学语语语语言言言言描描描描绘绘绘绘出出出出客客客客观观观观事事事事物物物物的的的的本本本本质质质质属属属属性性性性及及及及其其其其与与与与环环环环境境境境的的的的内内内内在在在在联联联联系系系系。实实实实际际际际的的的的数数数数学学学学模模模模型型型型往往往往往往往往是是是是在在在在一一一一些些些些理理理理想想想想化化化化或或或或工工工工程程程程化化化化的的的的条条条条件件件件下下下下给给给给出出出出的的的的数数数数学学学学描描描描述述述述 ，数数数数学学学学模模模模型型型型的的的的确确确确立立立立必必必必须须须须有有有有实实

18、实实验验验验及及及及测测测测试试试试结结结结果果果果来来来来证证证证实实实实，或或或或能被推广乃至预测为人们所公认的结果能被推广乃至预测为人们所公认的结果能被推广乃至预测为人们所公认的结果能被推广乃至预测为人们所公认的结果n n麦麦麦麦克克克克斯斯斯斯韦韦韦韦方方方方程程程程也也也也为为为为百百百百多多多多年年年年来来来来电电电电磁磁磁磁学学学学科科科科的的的的发发发发展展展展进进进进程程程程所所所所公公公公认认认认，证证证证明明明明它它它它是是是是宏宏宏宏观观观观电电电电磁磁磁磁现现现现象象象象普普普普适适适适的的的的数数数数学学学学模模模模型型型型，因因因因而奠定了而奠定了而奠定了而奠定了

19、经典电磁理论的基础经典电磁理论的基础经典电磁理论的基础经典电磁理论的基础。3、电磁场基本规律、电磁场基本规律麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组n n媒质本构方程为媒质本构方程为媒质本构方程为媒质本构方程为 电磁场的基本规律电磁场的基本规律麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组n n描绘运动电荷守恒的电流连续性方程和洛仑兹力公式描绘运动电荷守恒的电流连续性方程和洛仑兹力公式描绘运动电荷守恒的电流连续性方程和洛仑兹力公式描绘运动电荷守恒的电流连续性方程和洛仑兹力公式n n麦氏方程微分形式对应的麦氏方程微分形式对应的麦氏方程微分形式对应的麦氏方程微分形式对应的积分形式积分形式积分形式积分形式表示表示表示表示 场向量

20、微分方程场向量微分方程 n n麦麦麦麦克克克克斯斯斯斯韦韦韦韦方方方方程程程程组组组组有有有有4 4个个个个矢矢矢矢量量量量变变变变量量量量，不不不不便便便便于于于于计计计计算算算算，化解方程化解方程化解方程化解方程场向量微分方程场向量微分方程 n n一般化的齐次波动方程一般化的齐次波动方程一般化的齐次波动方程一般化的齐次波动方程n n理想介质理想介质理想介质理想介质=0=0中的中的中的中的波动方程波动方程波动方程波动方程n n导电媒质导电媒质导电媒质导电媒质中的中的中的中的涡流方程涡流方程涡流方程涡流方程n n无空间电荷分布无空间电荷分布无空间电荷分布无空间电荷分布=0=0时的时的时的时的静

21、态电场方程静态电场方程静态电场方程静态电场方程n n无传导电流分布无传导电流分布无传导电流分布无传导电流分布J=0J=0的的的的恒磁场方程恒磁场方程恒磁场方程恒磁场方程位函数与定解条件位函数与定解条件 n n场场场场矢矢矢矢量量量量微微微微分分分分方方方方程程程程对对对对应应应应着着着着三三三三个个个个标标标标量量量量微微微微分分分分方方方方程程程程，在在在在场场场场点点点点处处处处，待待待待求求求求场场场场的的的的自自自自由由由由度度度度数数数数为为为为3 3，离离离离散散散散化化化化处处处处理理理理后后后后的的的的等等等等价价价价离离离离散散散散数数数数学学学学的的的的自自自自由由由由度度

22、度度数数数数一一一一般般般般相相相相当当当当可可可可观观观观，为为为为有有有有效效效效地地地地减减减减少少少少待待待待求求求求量量量量的的的的自自自自由由由由度度度度数数数数，提高计算效率，在电磁计算中提高计算效率，在电磁计算中提高计算效率，在电磁计算中提高计算效率，在电磁计算中引入和应用如下动态位引入和应用如下动态位引入和应用如下动态位引入和应用如下动态位 位函数与定解条件位函数与定解条件 n n引引引引入入入入标标标标量量量量位位位位和和和和矢矢矢矢量量量量位位位位是是是是有有有有无无无无数数数数个个个个，为为为为保保保保证证证证唯唯唯唯一一一一性性性性，引入引入引入引入约束条件约束条件约

23、束条件约束条件位函数与定解条件位函数与定解条件 n n满足如下位函数波动方程满足如下位函数波动方程满足如下位函数波动方程满足如下位函数波动方程 n n达朗贝尔方程达朗贝尔方程达朗贝尔方程达朗贝尔方程 位函数与定解条件位函数与定解条件 n n对对对对不不不不同同同同的的的的实实实实际际际际电电电电磁磁磁磁问问问问题题题题而而而而言言言言，实实实实际际际际物物物物理理理理问问问问题题题题的的的的背背背背景景景景电电电电磁磁磁磁问问问问题题题题的的的的“个个个个性性性性”描描描描述述述述定定定定解解解解条条条条件件件件是是是是数数数数学学学学模模模模型型型型构构构构造造造造的的的的另另另另一一一一个

24、个个个重重重重要要要要因因因因素素素素。即即即即由由由由给给给给定定定定方方方方程程程程与与与与定定定定解解解解条条条条件件件件组组组组合合合合才才才才能能能能构构构构成成成成有有有有唯一解的偏微分方程唯一解的偏微分方程唯一解的偏微分方程唯一解的偏微分方程的定解问题的定解问题的定解问题的定解问题 n n包括待求场函数的初始条件和边界条件包括待求场函数的初始条件和边界条件包括待求场函数的初始条件和边界条件包括待求场函数的初始条件和边界条件 不同媒质分界面上的边界条件不同媒质分界面上的边界条件 n nD D的的的的法法法法向向向向分分分分量量量量一一一一般般般般是是是是不不不不连连连连续续续续的的

25、的的，其其其其不不不不连连连连续续续续值值值值相相相相当当当当于于于于在在在在界界界界面面面面上上上上可能存在的面电荷密度可能存在的面电荷密度可能存在的面电荷密度可能存在的面电荷密度n nE E的的的的切向分量总是连续的切向分量总是连续的切向分量总是连续的切向分量总是连续的n n完纯导体表面没有电场切向分量，即完纯导体表面没有电场切向分量，即完纯导体表面没有电场切向分量，即完纯导体表面没有电场切向分量，即电场与导体表面垂直电场与导体表面垂直电场与导体表面垂直电场与导体表面垂直 不同媒质分界面上的边界条件不同媒质分界面上的边界条件 n nB B的法向分量总是连续的的法向分量总是连续的的法向分量总

26、是连续的的法向分量总是连续的n nH H的的的的切切切切向向向向分分分分量量量量一一一一般般般般是是是是不不不不连连连连续续续续的的的的，其其其其不不不不连连连连续续续续值值值值相相相相当当当当于于于于在在在在界界界界面面面面上上上上可能流过的面自由电流密度可能流过的面自由电流密度可能流过的面自由电流密度可能流过的面自由电流密度值值值值J Jn n完完完完纯纯纯纯导导导导体体体体表表表表面面面面没没没没有有有有磁磁磁磁场场场场法法法法向向向向分分分分量量量量，即即即即磁磁磁磁场场场场与与与与导导导导体体体体表表表表面面面面相相相相切切切切 B4、计算电磁学的发展历史、计算电磁学的发展历史n n

27、MaxwellMaxwell用用用用一一一一组组组组优优优优美美美美的的的的数数数数学学学学方方方方程程程程概概概概括括括括了了了了宏宏宏宏观观观观电电电电磁磁磁磁场场场场的的的的基基基基本本本本规规规规律律律律，从从从从而而而而奠奠奠奠定定定定了了了了理理理理论论论论电电电电磁磁磁磁学学学学的的的的基基基基础础础础。电电电电磁磁磁磁理理理理论论论论在在在在2020世世世世纪纪纪纪6060年年年年代代代代的的的的研研研研究究究究成成成成果果果果大大大大部部部部分分分分总总总总结结结结在在在在几几几几部部部部经经经经典典典典著著著著作作作作中中中中，主要有主要有主要有主要有n nJ.J.A.A.

28、StrattonStratton的的的的 电电电电 磁磁磁磁 理理理理 论论论论 (Electromagnetic Electromagnetic Theory,1941)Theory,1941)n nR.R.F.F.HarringtonHarrington的的的的正正正正弦弦弦弦电电电电磁磁磁磁场场场场(Time-Harmonic Time-Harmonic Electromagnetic Fields,1961)Electromagnetic Fields,1961)n nR.R.E.E.ColinColin的的的的导导导导波波波波场场场场论论论论(Field Field Theory T

29、heory of of Guided Guided Waves,1960)Waves,1960)等等等等n n这这这这些些些些研研研研究究究究成成成成果果果果均均均均可可可可归归归归结结结结为为为为麦麦麦麦克克克克斯斯斯斯韦韦韦韦方方方方程程程程组组组组在在在在各各各各种种种种条条条条件件件件下下下下的求解问题的求解问题的求解问题的求解问题。计算电磁学的发展历史计算电磁学的发展历史n电电子子计计算算机机的的出出现现和和发发展展开开创创了了电电磁磁场场计计算算研研究究的的新新时时代代，进进入入20世世纪纪60年年代代，几几种种适适应应于于在在计计算算机机上上进进行行大大型计算的电磁场数值计算方法

30、陆续出现型计算的电磁场数值计算方法陆续出现n1968年年，Harrington的的计计算算电电磁磁场场的的矩矩量量法法（Field Computation by Moment Method）的的出出版版被被认认为为是是一一个标志性的事件，宣告计算电磁学的形成个标志性的事件，宣告计算电磁学的形成.nK.S.Yee于于1966年年发发表表了了论论文文标标志志着着用用于于电电磁磁场场计计算算的的一个全新方法的诞生，后来成为一个全新方法的诞生，后来成为时域有限差分法时域有限差分法n成成熟熟应应用用的的有有限限元元法法（finite element method,FEM）移植过来移植过来n应应该该指指出

31、出的的是是，所所有有这这些些方方法法应应用用于于电电磁磁场场计计算算之之前前，数数学学家家们们都都做做了了长长期期深深入入的的基基础础性性的的研研究究，奠奠定定了了牢牢固固的数学基础的数学基础。电磁场数值计算分类电磁场数值计算分类5、计算电磁学的应用、计算电磁学的应用4、计算电磁学的应用、计算电磁学的应用n n军事方面的应用军事方面的应用军事方面的应用军事方面的应用 计算电磁学的应用计算电磁学的应用n n军事方面的应用军事方面的应用军事方面的应用军事方面的应用 计算电磁学的应用计算电磁学的应用n n高速电子电路方面的应用高速电子电路方面的应用高速电子电路方面的应用高速电子电路方面的应用 计算电磁学的应用计算电磁学的应用n n超超超超高高高高速速速速光光光光集集集集成成成成电电电电路路路路的应用的应用的应用的应用 计算电磁学的应用计算电磁学的应用n n超超超超高高高高速速速速光光光光集集集集成成成成电电电电路路路路的应用的应用的应用的应用