電磁學基礎：課件概覽探索電磁學的奇妙世界，從基礎理論到實際應用。課程簡介基本概念電場與磁場的相互關系學科重要性現(xiàn)代技術發(fā)展的理論基礎學習目標掌握電磁現(xiàn)象的分析方法電磁學歷史11820年奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應21831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應31864年麥克斯韋提出電磁場理論41887年赫茲驗證電磁波存在課程模塊天線理論電磁波的實際應用電磁波能量傳遞的媒介靜磁學磁場的產生與特性靜電學電荷與電場的基礎學習方法理論學習掌握基本概念和公式案例分析理解實際工程問題動手實驗驗證理論并培養(yǎng)技能小組討論加深理解與拓展思路課程資源教材《電磁學》趙凱華《電磁場與電磁波》劉玉鑫《電磁場理論》謝處方參考書《電磁學》格里菲斯《電磁場與電磁波》程福臻在線資源課程視頻模擬仿真軟件在線習題庫評估方法期末考試占總成績50%平時作業(yè)占總成績20%實驗報告占總成績20%課程項目占總成績10%學術支持助教團隊每周固定答疑時間學習小組促進同伴互助學習線上論壇討論疑難問題開放實驗室提供額外實驗機會成功案例全國大學生物理競賽李明獲一等獎科研成果張華發(fā)表SCI論文就業(yè)成就王芳就職華為研發(fā)部Q&A如何提高成績？多做習題，理解原理推薦哪些輔助材料？習題集與視頻教程如何安排學習時間？理論學習與實踐結合遇到困難怎么辦？及時咨詢助教與教授靜電學簡介電荷物質的基本屬性正電荷與負電荷電荷守恒定律電荷量子化電場電荷周圍的空間狀態(tài)電場強度電場線電場通量庫侖定律描述電荷間相互作用力F=k·q?q?/r2電場與電勢電場強度定義單位正電荷所受力電場計算點電荷、電偶極子、帶電體電勢概念單位電荷的電勢能電場與電勢關系電場是電勢的負梯度導體與電介質導體特性自由電子可移動內部電場為零表面電荷分布靜電平衡電勢處處相等表面電場垂直表面尖端放電效應電介質極化現(xiàn)象介電常數(shù)極化強度高斯定律高斯定律表述閉合曲面上的電通量等于內部電荷量除以介電常數(shù)數(shù)學表達式∮E·dS=Q/ε?對稱性應用球對稱、柱對稱、平面對稱電場計算物理意義電場源于電荷的定量描述電容與電容器電容定義存儲電荷的能力，C=Q/V平行板電容器C=ε?ε?A/d球形電容器C=4πε?ε?ab/(b-a)圓柱形電容器C=2πε?ε?L/ln(b/a)電場能量1/2能量系數(shù)電場能量公式中的常數(shù)因子CV2電容儲能電容器中存儲的能量1/2·ε?E2能量密度單位體積中的電場能量靜電場的應用靜電場實驗實驗準備設備校準與安全檢查數(shù)據采集多次測量取平均值誤差分析計算系統(tǒng)誤差與隨機誤差實驗報告撰寫完整實驗記錄與結論靜電場案例研究行業(yè)領域靜電應用工作原理效益分析電子工業(yè)靜電防護電荷泄放防止元器件損壞環(huán)保行業(yè)靜電除塵顆粒帶電吸附降低空氣污染印刷工業(yè)靜電轉印電場力傳遞墨粉提高印刷質量Q&A為什么相同電荷相互排斥？庫侖力的基本性質如何推導高斯定律？從庫侖定律出發(fā)積分靜電屏蔽的原理是什么？導體內部電場為零如何計算復雜形狀的電容？數(shù)值方法與邊界元素法靜磁學簡介磁場運動電荷周圍的空間狀態(tài)磁感應強度B磁場線磁通量安培定律電流間相互作用力平行電流相互吸引反向電流相互排斥力正比于電流乘積洛倫茲力帶電粒子在磁場中受力F=qv×B方向由右手定則確定大小與速度垂直分量有關電流與磁場直線電流環(huán)形電流螺線管永磁體磁介質順磁性微弱增強外磁場磁化率為正且小鋁、鉀、氧等抗磁性微弱減弱外磁場磁化率為負且小銅、銀、金等鐵磁性顯著增強外磁場磁化率為正且大鐵、鈷、鎳等法拉第電磁感應定律現(xiàn)象描述閉合回路中磁通量變化產生電動勢2數(shù)學表達ε=-dΦ/dt楞次定律感應電流方向阻礙磁通量變化4應用實例發(fā)電機、變壓器、感應加熱自感與互感自感定義電流變化產生自感電動勢自感系數(shù)L=Φ/I，單位亨利互感定義一回路電流變化在另一回路產生電動勢互感系數(shù)M=Φ??/I?，與線圈耦合有關磁場能量1/2能量系數(shù)磁場能量公式中的常數(shù)因子LI2線圈儲能線圈中存儲的磁場能量B2/2μ?能量密度單位體積中的磁場能量∫B·HdV總能量整個空間的磁場能量靜磁場的應用變壓器能量的高效傳輸與轉換醫(yī)療成像核磁共振成像技術磁懸浮高速無接觸運輸系統(tǒng)靜磁場實驗實驗設備亥姆霍茲線圈與高斯計操作步驟調節(jié)電流與測量磁場數(shù)據記錄繪制磁場分布圖結論分析驗證理論預測結果靜磁場案例研究技術領域磁場應用物理原理主要優(yōu)勢信息存儲硬盤驅動器磁化方向記錄信息高密度非易失性存儲醫(yī)療技術磁共振成像氫原子在磁場中共振無輻射高清晰成像工業(yè)分選磁選機磁性物質受磁力偏轉高效率物料分離Q&A地磁場如何形成？地核液態(tài)鐵流動發(fā)電機效應電流為何產生磁場？相對論效應的表現(xiàn)永磁體的原理是什么？電子自旋與軌道磁矩定向超導體中的磁場行為？邁斯納效應排斥磁場電磁波簡介電磁波本質電場與磁場的相互振蕩傳播不需要介質傳播真空中速度為光速電場與磁場互相垂直麥克斯韋方程組電磁理論的數(shù)學基礎高斯電場定律高斯磁場定律法拉第感應定律安培-麥克斯韋定律波的特性頻率、波長與傳播速度c=fλ能量正比于頻率不同介質中速度變化平面電磁波平面波形式電磁場在任一平面上均勻分布場的相互關系E⊥B⊥k，構成右手系數(shù)學表達E=E?sin(kx-ωt)，B=B?sin(kx-ωt)波的極化線偏振、圓偏振、橢圓偏振電磁波的反射與折射入射波初始電磁波到達界面反射波反射角等于入射角3折射波符合斯涅爾定律n?sinθ?=n?sinθ?4菲涅耳公式描述反射與折射波的振幅關系電磁波在介質中的傳播真空傳播無損耗，速度為c介電媒質速度降低，v=c/n3導體介質表面層衰減，趨膚效應4等離子體頻率低于等離子體頻率被反射電磁波譜電磁波的發(fā)射與接收波源原理加速電荷輻射電磁波振蕩電流產生輻射輻射功率正比于加速度平方天線設計電磁能量轉換器長度應接近波長的整數(shù)倍方向性與增益接收原理電磁波在導體中產生感應電流諧振接收效率最高信號放大與解調電磁波的干涉與衍射干涉原理相干波疊加同相增強反相減弱產生明暗條紋楊氏雙縫干涉衍射現(xiàn)象波繞過障礙物單縫衍射光柵衍射與波長尺度相關電磁波實驗實驗目標驗證電磁波傳播特性設備準備微波發(fā)生器與接收器實驗過程測量反射、折射、干涉現(xiàn)象數(shù)據分析計算波長并與理論比較結論撰寫總結實驗結果與誤差分析電磁波案例研究Q&A光為什么是電磁波？符合麥克斯韋方程的解光速為何是常數(shù)？時空結構的基本屬性如何屏蔽電磁波？法拉第籠與導體屏蔽電磁輻射安全標準？基于頻率與功率密度電磁學在通信中的應用無線通信電磁波傳輸信息不同頻段應用調制與解調技術光纖通信全反射原理高帶寬傳輸?shù)蛽p耗長距離衛(wèi)星通信軌道中繼站全球覆蓋多波束技術電磁學在雷達中的應用信號發(fā)射產生高功率電磁脈沖目標反射電磁波從目標表面散射信號接收捕獲微弱回波信號處理分析回波提取目標信息電磁學在醫(yī)療中的應用核磁共振成像利用氫原子在磁場中的共振特性微波治療電磁波熱效應促進組織恢復電磁刺激通過電磁場調節(jié)神經系統(tǒng)功能電磁學在能源中的應用38%風力發(fā)電占比全球可再生能源結構中95%發(fā)電機效率現(xiàn)代電磁感應發(fā)電機25%年增長率電磁能存儲技術60%電能節(jié)約使用電磁調速技術電磁學在軍事中的應用電子戰(zhàn)干擾敵方通信與雷達系統(tǒng)電磁干擾電磁欺騙電磁防護隱身技術降低雷達截面積吸波材料表面處理幾何設計電磁武器利用電磁能量摧毀目標電磁脈沖高能激光軌道炮電磁學在交通中的應用1922年德國科學家提出磁懸浮理論21979年日本建成首條試驗線2003年上海磁懸浮列車商業(yè)運營2027年中國計劃建成時速600公里磁懸浮電磁學在環(huán)境監(jiān)測中的應用精度(m)覆蓋范圍(km2)電磁學在科學實驗中的應用1粒子加速器電磁場加速帶電粒子接近光速2等離子體實驗磁約束核聚變研究電子顯微鏡利用電磁透鏡觀察微觀世界粒子探測器利用電磁相互作用探測基本粒子電磁學案例研究項目名稱電磁應用技術難點解決方案超級高鐵磁懸浮與線性電機高速穩(wěn)定性主動控制算法無線充電電磁感應傳輸效率諧振耦合量子計算機超導磁體量子相干性超低溫屏蔽Q&A電磁波對健康影響？不同頻段影響不同如何提高能量傳輸效率？優(yōu)化諧振與耦合電磁技術的下一個突破？量子電磁學與超材料電磁學領域就業(yè)前景？通信、能源與國防需求大電磁學未來研究方向超材料研究人工設計電磁特性的材料納米電磁學研究納米尺度的電磁現(xiàn)象量子電磁學量子力學框架下的電磁理論計算電磁學復雜系統(tǒng)的數(shù)值模擬方法電磁學與人工智能數(shù)據收集電磁傳感器網絡2智能算法電磁場優(yōu)化與預測自主控制電磁系統(tǒng)智能調節(jié)智能設計AI輔助電磁器件創(chuàng)新電磁學與生物醫(yī)學生物電磁學細胞電磁響應神經信號傳導電磁場生物效應醫(yī)學成像磁共振成像電阻抗斷層掃描電磁追蹤技術納米醫(yī)學磁性納米粒子靶向藥物輸送磁熱治療腫瘤電磁學與能源革命1核聚變能源托卡馬克磁約束超導儲能磁能無損存儲智能電網電磁傳感與控制無線能量傳輸電磁感應與微波傳輸電磁學與空間探索深空通信高增益定向天線能源系統(tǒng)太陽能電池與核電源推進技術離子推進與電磁推進電磁學與環(huán)境保護監(jiān)測識別電