电磁场有限元分析1.ppt
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1、西安交通大学西安交通大学1 1 电磁场基本概念及理论电磁场基本概念及理论1.1 1.1 电磁场基本理论电磁场基本理论1.2 1.2 运动导体中的电磁场运动导体中的电磁场1.3 1.3 电磁场能量和力电磁场能量和力1.4 1.4 物质的磁性物质的磁性 3/8/20231M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversity西安交通大学西安交通大学a)电荷与电流在空间的每一点产生具有它本身真实性的场。电磁场是由电荷引起的,它对电荷又有作用。b)在我们的应用中,讨论的是宏观场,我们所研究的场量是对无穷小的体积和时间间隔内场量的时间和空间的统计平均值。在宏观理论中的无穷小量,
2、是一个抽象的概念,一方面它是小到不影响场中物理量连续变化的充分小,另一方面它与分子、原子、晶胞等微观结构相比又是充分大。c)麦克斯韦理论所根据的一些试验定律,忽略了物质构造的不均匀性,是把一些有关的物理量进行了统计平均得到的。1.1.基本概念基本概念1.1 1.1 电磁场基本理论电磁场基本理论 3/8/20232M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversity西安交通大学西安交通大学a)牛顿力学中的长度、质量、时间和力等基本概念都是适用的。b)电荷的量值与运动无关|q|=1.60081019C。c)电荷守恒:d)J是电流密度,是电荷的体积密度。e)在任何媒质中,
3、电磁扰动以速度:f)相对于接收者传播。g)在电磁场中,作用于单位电荷的力为:h)电荷体密度大小为处单位体积所受的力:2.2.基本假设基本假设1.1 1.1 电磁场基本理论电磁场基本理论 3/8/20233M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversity西安交通大学西安交通大学a)a)电极化电极化 电介质中电荷的分布不同于正常状态而发生畸变。可用电偶极子模型来描述,极化的程度可以用极化强度表示:+-即每单位体积的电偶极矩,极化后,在介质内部要引起作体分布的束缚电荷,在介质表面出现面分布的束缚电荷。a)表示电介质极化特性的参数:介电常数(电容率)。电位移矢量和电场强
4、度的关系:当电介质为各向同性且线性时,可简化为:3.3.媒质的极化和磁化媒质的极化和磁化 1.1 1.1 电磁场基本理论电磁场基本理论 3/8/20234M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversity西安交通大学西安交通大学b)b)媒质的磁化媒质的磁化 可用磁偶极子模型描述。磁化程度可用磁化强度表示:表示媒质磁化特性的参数:磁导率 。磁场强度和磁感应强度的关系:当媒质为各向同性且线性时,可简化为:E E和和H H是由场源产生的电磁场本身的特性,与媒质无关;是由场源产生的电磁场本身的特性,与媒质无关;D D和和B B则是考虑受媒质极化和磁化影响后的电磁场特性则是
5、考虑受媒质极化和磁化影响后的电磁场特性。1.1 1.1 电磁场基本理论电磁场基本理论 3/8/20235M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversity西安交通大学西安交通大学以E E 和 B B 表示的麦克斯韦方程组:第四个方程中多出一项位移电流密度,是因为没有此项,就不能同时满足电荷守恒方程,也即右面三个方程不能同时成立:4.4.媒质中的电磁场媒质中的电磁场 1.1 1.1 电磁场基本理论电磁场基本理论 3/8/20236M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversity西安交通大学西安交通大学以E E、D D、B B、H H
6、表示的麦克斯韦方程组:构成关系:上面七个方程构成了媒质中电磁现象严格的宏观描述的基础。1.1 1.1 电磁场基本理论电磁场基本理论 3/8/20237M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversity西安交通大学西安交通大学赫姆赫兹定理:一个有限区域的矢量场由它的旋度和散度唯一赫姆赫兹定理:一个有限区域的矢量场由它的旋度和散度唯一确定确定矢量磁位A:1 1)库伦规范:)库伦规范:对于静态场:因此矢量位A是唯一确定的。2 2)洛伦兹规范:)洛伦兹规范:5.5.用矢量磁位用矢量磁位A A和标量位和标量位表示的电磁场方程组表示的电磁场方程组 1.1 1.1 电磁场基本理
7、论电磁场基本理论 3/8/20238M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversity西安交通大学西安交通大学对于时变场:1.1 1.1 电磁场基本理论电磁场基本理论 3/8/20239M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversity西安交通大学西安交通大学对于非导电媒质(波动方程):导电媒质中低频场(扩散方程):1.1 1.1 电磁场基本理论电磁场基本理论 3/8/202310M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversity西安交通大学西安交通大学 用 E E、D D、B B、H H 表示的麦克斯韦
8、方程组对于空间中媒质特性连续点处成立。在穿过不同媒质的分界面时,媒质参数、要发生突变,因而场矢量会出现相应的不连续。设想用一很薄的过渡层代替媒质设想用一很薄的过渡层代替媒质1 1和媒质和媒质2 2的分界面,的分界面,媒质参数媒质参数、很快地但是连续地从媒质很快地但是连续地从媒质1 1中值变中值变到媒质到媒质2 2中去。中去。在过渡层内,场矢量及其一阶导数是连续、有界的。在过渡层内,场矢量及其一阶导数是连续、有界的。6.6.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 1.1 1.1 电磁场基本理论电磁场基本理论 3/8/202311M&ISISchool of MEXian Jiaot
9、ongUniversity西安交通大学西安交通大学当 ,柱壁的贡献为无限小;则 那么 时,1.1 1.1 电磁场基本理论电磁场基本理论 (1).B(1).B 满足的边界条件满足的边界条件 3/8/202312M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversity西安交通大学西安交通大学n n是分界面的法线单位矢量,由媒质1到媒质2;n n0 0是切向单位矢量,与回路的绕向成右螺旋。1.1 1.1 电磁场基本理论电磁场基本理论 (2).H(2).H 满足的边界条件满足的边界条件 3/8/202313M&ISISchool of MEXian JiaotongUniver
10、sity西安交通大学西安交通大学而 ,因此1.1 1.1 电磁场基本理论电磁场基本理论 (a)若假定 和 有界,当 ,时,式中的面积分都为零,两条侧边的贡献也为零。=?3/8/202314M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversity西安交通大学西安交通大学(b)若假定 时,原先通过回路的电流 总量不变,被挤压到S面上的无限薄层里,则分界面S上 ,也就是说,必须用面电流密度K来表示:因此,当 ,时,对应的矢量:1.1 1.1 电磁场基本理论电磁场基本理论 矛盾矛盾 3/8/202315M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversi
11、ty西安交通大学西安交通大学1.1 1.1 电磁场基本理论电磁场基本理论 (磁通连续性磁通连续性)B B的的法向法向分量连续分量连续 H H的的切向切向分量连续,只有在跨越理想分量连续,只有在跨越理想完纯导体或超导体的边界时,完纯导体或超导体的边界时,K0K0,它才会不连续,它才会不连续如果两种媒质都不是理想导体,则:(H的切向分量连续)(B的法向分量连续)因此:3/8/202316M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversity西安交通大学西安交通大学1.1 1.1 电磁场基本理论电磁场基本理论 上式描述了磁场的折射性质:如果媒质如果媒质1 1是非磁性的,而媒
12、质是非磁性的,而媒质2 2是铁磁性的则是铁磁性的则 ,这意味着,对于任意一个不接近,这意味着,对于任意一个不接近0 0的角度的角度 ,在铁磁性媒质中,磁场几乎是与分界面平行;,在铁磁性媒质中,磁场几乎是与分界面平行;如果媒质如果媒质2 2是非磁性的,而媒质是非磁性的,而媒质1 1是铁磁性的则是铁磁性的则 ,这意味着,如果磁场起源于铁磁性媒质,这意味着,如果磁场起源于铁磁性媒质,则磁通将以近似垂直的角度穿出分界面。则磁通将以近似垂直的角度穿出分界面。3/8/202317M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversity西安交通大学西安交通大学1.1 1.1 电磁场基
13、本理论电磁场基本理论 (4 4)电场矢量满足的边界条件:)电场矢量满足的边界条件:(3 3)用矢量磁位)用矢量磁位A A表示的边界条件表示的边界条件:3/8/202318M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversity西安交通大学西安交通大学对于低速运动情况下的电磁场,分析计算的方法之一是:选定一个静止的坐标系,运动物体对于该坐标系有相选定一个静止的坐标系,运动物体对于该坐标系有相对运动。对运动。计算时仍从静止系统的麦克斯韦方程出发,但要计入计算时仍从静止系统的麦克斯韦方程出发,但要计入自由电荷、极化电荷和物质磁化等因素由于运动而自由电荷、极化电荷和物质磁化等因
14、素由于运动而引起的附加效应。也就是说,电磁场的场源,除了引起的附加效应。也就是说,电磁场的场源,除了自由电荷、传导电流和运流电流以外,还将出现若自由电荷、传导电流和运流电流以外,还将出现若干附加项表示由于运动引起的影响。干附加项表示由于运动引起的影响。众所周知,在所有在所有惯性坐标系惯性坐标系中,麦克斯韦方程具有相同的形式,中,麦克斯韦方程具有相同的形式,在与电磁场有关的问题中,伽利略变换不适用。在与电磁场有关的问题中,伽利略变换不适用。但是对于但是对于低速运动低速运动情况下的电磁场,使用伽利略变换情况下的电磁场,使用伽利略变换仍然可以得到非常准确的结果。仍然可以得到非常准确的结果。1.2 1
15、.2 运动导体中的电磁场运动导体中的电磁场 3/8/202319M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversity西安交通大学西安交通大学其中而在两个参照系中的构成方程分别为:对于在电磁场中匀速运动的导体,如图所示,坐标系x1-y1-z固结在转子上,相对于惯性系x-y-z以角速度绕z轴匀速转动,电磁场量在两个系中的伽利略变换为:1.2 1.2 运动导体中的电磁场运动导体中的电磁场 3/8/202320M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversity西安交通大学西安交通大学 从应用角度来说,许多电磁器件就是为了传递能量或进电磁器件就是
16、为了传递能量或进行能量转换行能量转换而设计的。因此必须关注电磁场中的能量和力。另一方面,从能量的观点考虑问题有时可以很容易得到场的重要性质。有电介质时的电场能量 媒质中的磁场能量 1.1.电磁场能量电磁场能量 1.3 1.3 电磁场能量和力电磁场能量和力 3/8/202321M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversity西安交通大学西安交通大学a)a)力学中的应力张量和表面应力力学中的应力张量和表面应力应力张量T:2.2.静态场中的力静态场中的力 1.3 1.3 电磁场能量和力电磁场能量和力 3/8/202322M&ISISchool of MEXian Ji
17、aotongUniversity西安交通大学西安交通大学表面应力(矢量)Tn:力平衡力矩平衡(体积力密度与应力张量间的关系)(对称张量,九个分量,只有六个独立)1.3 1.3 电磁场能量和力电磁场能量和力 3/8/202323M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversity西安交通大学西安交通大学b)b)电磁应力张量和表面应力电磁应力张量和表面应力 根据场的观点,所有的力都要通过场以连续的方式从一个物体传递到另一个物体。法拉第认为法拉第认为:电场和磁场处于一种特殊的张紧状态。把一个处于静平衡下的系统,用一个闭合面A把它一分为二,则部分2对部分1作用的合力,应按某
18、一方式通过表面A。麦克斯韦证明了麦克斯韦证明了:部分1所受到的体积力可以用包围部分1的边界面A上的表面力来表示。力平衡关系:磁场中的表面应力:A211.3 1.3 电磁场能量和力电磁场能量和力 3/8/202324M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversity西安交通大学西安交通大学电磁应力张量电磁应力张量:T是正方向为单位面积外法线时的应力张量形式,S是常用的电磁应力张量形式。(两者相差一个负号)表面应力表面应力:1.3 1.3 电磁场能量和力电磁场能量和力 3/8/202325M&ISISchool of MEXian JiaotongUniversity
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