《清华大学电磁学》课件

清华大学电磁学本课件旨在帮助您深入了解电磁学的基本原理，并掌握相关应用。通过精彩的图片和生动的例子，带您领略电磁学世界的奥妙。课程简介及学习目标电磁学概述本课程介绍电磁学的基本原理，探讨电磁场理论以及电磁现象。学习目标掌握电磁学的基本概念、定律和理论，并能够应用这些知识解决实际问题。电磁学的基本概念电荷物质的构成单元，带正电或负电。电场由静止电荷产生的力场，影响其他电荷。磁场由运动电荷或电流产生的力场，影响其他运动电荷或电流。电磁波电场和磁场的交替变化，以光速传播。静电场的基本定律1库仑定律描述了两个点电荷之间的相互作用力。2高斯定律建立了电场与电荷分布之间的关系。3电势表示电场中某一点的能量。静电场的数学描述库仑定律描述了点电荷之间相互作用力的规律。高斯定律描述了电场强度与电荷分布的关系。电势表示电场中某一点的电势能大小。电势梯度描述了电势变化率，它与电场强度成正比。静电场的边界条件导体表面导体表面电场强度垂直于表面，且电势处处相等。介质分界面电场强度在分界面上的法向分量和切向分量满足特定关系。无穷远处电场强度为零，电势为常数。静电场中的能量能量密度单位体积内所储存的电能电势能电荷在电场中具有的能量电容衡量电容器储存电荷能力的物理量静电场中的力库仑定律描述了两个点电荷之间的相互作用力，力的大小与电荷量乘积成正比，与距离平方成反比。电场力电场对带电粒子的作用力，大小等于电荷量乘以电场强度。电偶极子与磁性电偶极子两个等量异号电荷组成的体系称为电偶极子。偶极矩电偶极子的偶极矩等于电荷量乘以两电荷之间的距离。磁性磁性是物质的一种属性，它与物质内部的原子或分子结构有关。磁矩磁矩是衡量磁体强弱的一个物理量，它等于磁偶极子的磁偶极矩。电场和静电场电场由静止电荷或运动电荷产生的力场，用电场线来描述。静电场由静止电荷产生的电场，其电场线是静止的，不会随时间变化。电势电场中某一点的电势，描述的是该点电荷具有的能量。电势差两点之间的电势差，表示电场力将电荷从一点移到另一点所需的功。磁场的基本定律1安培定律描述电流产生的磁场2毕奥-萨伐尔定律描述电流元产生的磁场3高斯磁定律描述磁场是无源的磁场的数学描述1磁场强度磁场强度是用来描述磁场强弱的物理量。2磁感应强度磁感应强度是用来描述磁场对运动电荷的作用力的物理量。3磁通量磁通量是通过某个面积的磁力线的总量。4磁场能量磁场中储存的能量密度。磁场中的感应电动势变化磁场当穿过闭合电路的磁通量发生变化时，电路中就会产生感应电动势。楞次定律感应电流产生的磁场方向总是阻碍引起感应电流的磁通量变化。法拉第定律感应电动势的大小等于磁通量变化率的负值。电磁感应定律当穿过闭合电路的磁通量发生变化时，电路中就会产生感应电动势。感应电动势的大小与磁通量变化率成正比，方向遵循楞次定律。电磁感应定律用数学表达式描述：E=-dΦ/dt。电磁感应的应用电磁感应现象在现代科技领域有着广泛的应用，例如：发电机电动机变压器电磁炉感应加热电磁能与电磁波电磁能电磁能是电磁场中储存的能量，它包括电场能和磁场能。电磁波电磁波是由周期性变化的电场和磁场相互耦合而形成的，它能够在真空中传播。麦克斯韦方程组统一性麦克斯韦方程组将电场和磁场统一起来，揭示了电磁现象的本质联系。完备性该方程组是描述电磁现象最完备的理论体系，涵盖了电磁场的所有基本规律。预测性麦克斯韦方程组预言了电磁波的存在，为无线电通信等技术的发展奠定了基础。电磁波的传播1电磁波的产生电磁波是由变化的电场和磁场相互作用而产生的。当电场或磁场发生变化时，就会产生电磁波。2电磁波的传播电磁波以光速在真空中传播，其传播方向垂直于电场和磁场的振动方向。电磁波可以穿透真空、空气、水等介质，但传播速度会因介质的不同而有所变化。3电磁波的应用电磁波在现代科技中有着广泛的应用，例如无线电通信、微波炉、卫星通信、遥感技术等等。电磁波的反射和折射反射电磁波遇到不同的介质时会发生反射，部分能量返回原介质。折射电磁波从一种介质进入另一种介质时，传播方向会发生改变，称为折射。斯涅耳定律折射角和入射角之间的关系由斯涅耳定律描述。电磁波的极化线性极化电场矢量始终在一个平面上振动，这种极化方式被称为线性极化。圆极化电场矢量的末端在垂直于传播方向的平面上描绘出一个圆形轨迹，这种极化方式称为圆极化。椭圆极化电场矢量的末端在垂直于传播方向的平面上描绘出一个椭圆形轨迹，这种极化方式称为椭圆极化。电磁波的干涉和衍射干涉当两列或多列电磁波相遇时，它们会相互叠加，形成新的波形。如果波的相位相同，它们就会加强，形成波峰和波谷更高的干涉图样。衍射当电磁波遇到障碍物或狭缝时，它们会绕过障碍物或狭缝，形成新的波形。这种现象称为衍射，它会导致波的传播方向发生改变。高频电磁波与天线高频电磁波是无线电通信的核心。天线是高频电磁波发射和接收的关键部件。卫星通信、广播电视等都依赖高频电磁波和天线技术。静电场中的电场力1库仑定律两个点电荷之间的力2电场强度电场对单位正电荷的作用力3电场力电场对电荷的作用力直流电路的分析1欧姆定律电流、电压和电阻之间的关系2基尔霍夫定律电流和电压的守恒定律3电路分析方法节点电压法、网孔电流法等交流电路的分析正弦波分析分析交流电路的基本信号形式-正弦波，理解其幅值、频率和相位等参数。阻抗和相位探讨电阻、电容和电感在交流电路中的阻抗特性，以及电流和电压之间的相位关系。功率分析研究交流电路中的功率特性，包括有功功率、无功功率和视在功率。谐波分析分析交流电路中的谐波成分，识别其对电路性能的影响，并探讨谐波抑制措施。电力系统的基本原理发电电力系统的核心是发电厂，利用各种能源（如煤炭、天然气、水力、核能等）发电。输电发电厂产生的电力通过高压输电线路传输到各个用电区域，保证电力安全可靠地传输。配电输电线路将电力送到配电网，再分配给用户，保证每个用户都能得到稳定的电力供应。用电用户利用电力进行各种活动，如照明、供暖、生产等，为社会发展提供能量。电磁效应在工程中的应用电动机电磁感应原理使电动机将电能转换为机械能，广泛应用于各种工业设备和家用电器。变压器变压器利用电磁感应原理改变电压和电流，在电力传输、电子设备等领域发挥重要作用。无线充电电磁感应技术为移动设备提供无线充电功能，方便用户生活。电磁学前沿研究方向1超材料超材料可以实现对电磁波的操控，开辟了许多新的应用，比如隐形技术和新型天线设计。2太赫兹技术太赫兹技术在生物医学成像、安全检查、高速通信等领域具有巨大的潜力。3纳米光学纳米光学研究的是光与纳米尺度物质的相互作用，将推动光学器件的miniaturization和新型光学材料的开发。总结与展望电磁学是现代科学技术的基础，在未来将继续发挥重要作用。未来电磁学研究将更加关注纳米尺度电磁现象、新型材料和器件的电磁特性。电磁学在无线通信、能源、医疗等领域将不断取得新的突破。课后思考题本