《电动力学NanoImag》课件

电动力学NanoImag欢迎来到《电动力学NanoImag》课件。课程概述课程目标本课程旨在帮助学生理解电动力学的基本原理，并将其应用于纳米成像领域。课程内容课程内容涵盖电磁场理论、麦克斯韦方程组、电磁波、以及电磁波在微纳米尺度的应用等。教学目标掌握电动力学的基本理论和方法。培养学生分析和解决电磁场问题的能力。了解电动力学在纳米光学和纳米成像等领域的应用。课程内容简介1电磁场理论基础介绍电磁场的基本概念、定理和方程，包括库仑定律、高斯定理、安培定律、法拉第电磁感应定律等。2电磁波的传播与特性深入探讨电磁波的传播特性，包括波速、波长、频率、偏振等。3电磁波在微纳米尺度的应用重点介绍电磁波在纳米光学、超材料、生物医学等领域的应用，并探讨其未来发展趋势。电场的基本概念静电场由静止电荷产生的电场，称为静电场。电场强度电场强度是描述电场力的一个物理量，定义为单位正电荷在电场中所受的力。电势电势是描述电场能的一个物理量，定义为单位正电荷在电场中从参考点移动到该点所做的功。静电场电荷分布静电场由静止电荷产生的电场。它是由静止电荷的相互作用产生的力场。电场强度静电场强度定义为单位正电荷所受的力，它是一个矢量量。电势静电场中电势的定义为将单位正电荷从无穷远处移到该点的功，它是一个标量量。电势定义电势是描述电场中某一点的能量状态的物理量，表示单位正电荷从该点移到参考点所做的功。单位电势的单位是伏特（V），它等于1焦耳（J）的功除以1库仑（C）的电荷量。应用电势是电学中重要的概念，它可以用于计算电场力、电势差以及电场能等。电通量和高斯定理1电通量穿过曲面的电场线数量2高斯定理封闭曲面的电通量等于该曲面所包围的净电荷量3应用计算电场、电势等物理量电介质极化电介质在电场的作用下，内部的分子会发生极化，形成电偶极矩。介电常数电介质的介电常数反映了电介质的极化能力，数值越大，极化能力越强。电容与电容器储能元件电容器是电子电路中常用的储能元件，可以储存电荷。结构与原理电容器通常由两个金属板构成，中间隔着绝缘层。电容定义电容是描述电容器储存电荷能力的物理量，单位是法拉（F）。电流和电阻电流电流是指电荷在导体中定向移动的现象。电流的大小用电流强度表示，单位是安培(A)。电阻电阻是指导体对电流的阻碍作用。电阻的大小用电阻值表示，单位是欧姆(Ω)。电流密度电流密度描述了单位面积上的电流强度。它是矢量，其方向与电流方向一致。电流密度与导体截面积和电流强度成正比。电源1直流电源为电子设备提供稳定的直流电压，例如笔记本电脑适配器。2交流电源将交流电转换为直流电，例如手机充电器。3电池储存化学能并将其转换为电能，例如手机电池。欧姆定律乔治·欧姆德国物理学家乔治·欧姆在19世纪早期发现了欧姆定律，描述了电压、电流和电阻之间的关系。电压、电流和电阻欧姆定律指出，在恒定温度下，通过导体的电流与导体两端的电压成正比，与导体的电阻成反比。电路元件电阻器电阻器是电路元件，用来限制电流。电容器电容器是用来存储电荷的元件，可以用来滤波或储存能量。电感器电感器是用来储存磁场的元件，可以用来滤波或储存能量。串并联电路1串联元件依次连接，电流相同，电压叠加2并联元件两端共用节点，电压相同，电流叠加3混合实际电路中，串联和并联混合使用电磁感应法拉第定律当穿过闭合回路的磁通量发生变化时，回路中就会产生感应电动势。楞次定律感应电流的方向总是阻碍引起它的磁通量变化。应用电磁感应是许多重要技术的基础，例如发电机、变压器和电磁感应加热。磁场磁力线磁场是由磁力线组成的，它们从磁体的北极出发，指向南极，并构成闭合的曲线。磁感应强度磁感应强度是描述磁场强弱和方向的物理量，单位为特斯拉(T)。磁场源磁场是由运动的电荷或电流产生的，例如磁铁、电流线圈和电磁波。磁感应强度定义磁感应强度是描述磁场强弱和方向的物理量，也称为磁通密度。它是一个矢量，其方向与磁力线的方向一致。单位磁感应强度的国际单位制单位是特斯拉(T)，1特斯拉等于1牛顿每安培米(N/A·m)。应用磁感应强度在电磁学和电子学中有广泛的应用，例如在电机、发电机、磁共振成像(MRI)和磁存储设备中。法拉第电磁感应定律磁通量变化当穿过闭合回路的磁通量发生变化时，回路中就会产生感应电动势。方向感应电流的方向总是试图阻止产生它的磁通量变化。公式感应电动势的大小等于穿过回路的磁通量变化率的负值。自感应电势变化的磁通量当线圈中电流变化时，线圈本身产生的磁通量也会变化。感应电动势根据法拉第电磁感应定律，变化的磁通量会在线圈中感应出电动势。自感应电势这种由线圈本身电流变化引起的感应电动势称为自感应电势。互感应电势1磁通量变化当一个线圈的电流变化时，会产生变化的磁场，进而影响到另一个线圈的磁通量。2感应电动势这种磁通量的变化会在第二个线圈中感应出电动势，称为互感应电动势。3互感系数互感应电动势的大小与两个线圈的几何形状、相对位置以及电流变化率有关。马克斯韦方程组电场描述电场与电荷之间的关系。磁场描述磁场与电流之间的关系。电磁波描述电磁波的传播规律。边界条件电场边界条件在不同介质的交界面上，电场强度和电位移矢量满足特定的关系。磁场边界条件磁场强度和磁感应强度在不同介质的交界面上也存在特定的边界条件。电磁波电场与磁场电磁波是由相互垂直的电场和磁场构成的，并以光速传播。波长与频率电磁波的波长和频率成反比，频率越高，波长越短。光谱电磁波谱涵盖了各种波长，从无线电波到伽马射线。发射与接收天线发射天线发射天线将电磁波能量转换为无线电波，并将其辐射到空间。接收天线接收天线从空间捕获无线电波，并将能量转换为电信号。天线类型常见的类型包括偶极子天线、单极天线和螺旋天线。电磁波的传播特性横波特性电场和磁场相互垂直振动，并垂直于传播方向。光速传播电磁波在真空中以光速传播，速度约为3x10^8米/秒。频率和波长电磁波的频率和波长成反比关系，频率越高，波长越短。电磁波在微纳米尺度的应用纳米光学利用电磁波操控和探测纳米尺度的物质，例如纳米材料的合成和表征。超材料设计和制造具有特殊光学性质的超材料，实现对电磁波的精细控制和调控。光子芯片利用光子芯片实现高速、低能耗的光信