中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)電磁學(xué)課程精要演講人：日期:目錄02靜電場特性分析01電磁學(xué)基礎(chǔ)理論體系03靜磁場核心定律研究04電磁感應(yīng)核心現(xiàn)象05電磁波傳播理論06工程應(yīng)用拓展方向01電磁學(xué)基礎(chǔ)理論體系麥克斯韋方程組是描述電場、磁場以及它們之間相互關(guān)系的方程組，是電磁學(xué)的基礎(chǔ)。麥克斯韋方程組框架麥克斯韋方程組是電磁學(xué)的基礎(chǔ)高斯定律（描述電場）、高斯磁定律（描述磁場）、法拉第電磁感應(yīng)定律（描述電磁感應(yīng)）和安培定律（描述電流產(chǎn)生磁場）。方程組包含四個主要方程方程組既有積分形式，又有微分形式，它們分別描述了電場和磁場在不同條件下的行為。麥克斯韋方程組的積分形式和微分形式靜電場與磁場數(shù)學(xué)描述靜電場的基本性質(zhì)磁場的基本性質(zhì)電勢與電勢差磁感應(yīng)強度與磁通量靜電場是由靜止電荷產(chǎn)生的電場，其電場線總是從正電荷出發(fā)，終止于負(fù)電荷，且電場線不相交。電勢是描述電場中某點電勢能的標(biāo)量，電勢差則是電場中兩點電勢的差值，它們與電場強度有關(guān)。磁場是由磁體或電流產(chǎn)生的，其磁感線總是閉合的，且磁場對放入其中的磁體產(chǎn)生磁力的作用。磁感應(yīng)強度是描述磁場強弱的物理量，磁通量則是描述磁場通過某一面積的磁感線條數(shù)。場論與矢量分析工具場的概念與分類場是物質(zhì)存在的一種基本形式，可分為標(biāo)量場和矢量場，電磁場是矢量場的一種。梯度、散度與旋度梯度、散度和旋度是描述場性質(zhì)的三個重要數(shù)學(xué)工具，它們分別用于描述標(biāo)量場的變化率、矢量場的源和匯以及矢量場的旋轉(zhuǎn)性質(zhì)。矢量分析的基本定理包括高斯定理和斯托克斯定理，它們分別將矢量場的積分與微分聯(lián)系起來，為電磁學(xué)中的計算提供了便利。電磁場中的矢量分析在電磁場中，電場和磁場都是矢量場，因此可以運用矢量分析的方法對其進(jìn)行描述和研究。02靜電場特性分析高斯定理與電荷分布高斯定理的基本內(nèi)容高斯定理是電磁學(xué)的基本定理，描述了電場與電荷之間的關(guān)系，指出電場線從正電荷出發(fā)，終止于負(fù)電荷，電場線的疏密表示電場的強弱。電荷分布與電場的關(guān)系高斯定理的應(yīng)用通過高斯定理可以推導(dǎo)出電荷分布與電場之間的關(guān)系，例如點電荷的電場分布、均勻帶電球體的電場分布等。高斯定理在電磁學(xué)中有廣泛的應(yīng)用，如計算電場強度、電通量等物理量，還可以用于解決一些復(fù)雜的電場問題。123靜電場環(huán)路定理驗證靜電場環(huán)路定理是電磁學(xué)中的另一個重要定理，它指出在靜電場中，沿著任意閉合曲線，電場強度的線積分等于零。靜電場環(huán)路定理的內(nèi)容可以通過實驗來驗證靜電場環(huán)路定理，例如利用靜電場中的電勢差測量電場強度，然后沿著閉合曲線進(jìn)行積分，結(jié)果應(yīng)等于零。環(huán)路定理的實驗驗證靜電場環(huán)路定理揭示了靜電場的性質(zhì)，即靜電場是無旋場，電場線總是從正電荷出發(fā)，終止于負(fù)電荷，而不會在閉合曲線內(nèi)形成環(huán)流。環(huán)路定理的意義導(dǎo)體介質(zhì)中的電場響應(yīng)導(dǎo)體中的電場分布導(dǎo)體介質(zhì)中的電場響應(yīng)特性介質(zhì)中的電場分布在導(dǎo)體內(nèi)部，電場強度為零，因為導(dǎo)體內(nèi)的自由電荷會在電場作用下移動，直到達(dá)到靜電平衡狀態(tài)。在導(dǎo)體表面，電場強度垂直于表面，且大小與表面電荷密度成正比。在介質(zhì)中，電場強度會受到介質(zhì)極化的影響而發(fā)生變化。介質(zhì)中的電場強度與介質(zhì)極化程度、電場頻率等因素有關(guān)。導(dǎo)體和介質(zhì)在電場中的響應(yīng)特性不同，這導(dǎo)致了電磁波在導(dǎo)體和介質(zhì)中的傳播特性也不同。了解這些特性對于電磁波的應(yīng)用和防護具有重要意義。03靜磁場核心定律研究安培環(huán)路定律應(yīng)用描述電流元產(chǎn)生的磁場分布，是安培環(huán)路定律的基礎(chǔ)。定義電流元磁場磁場線總是圍繞著電流閉合，且磁場方向與電流方向符合右手螺旋法則。通過計算磁場中某閉合曲線的磁感應(yīng)強度，來確定穿過此曲線的電流代數(shù)和。磁場線方向與電流方向關(guān)系多個電流元產(chǎn)生的磁場可以疊加，總磁場等于各電流元產(chǎn)生磁場的矢量和。磁場疊加原理01020403安培環(huán)路定律的應(yīng)用畢奧-薩伐爾定律推導(dǎo)畢奧-薩伐爾定律概述01描述電流元在空間中某點產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度與電流元大小、距離及夾角的關(guān)系。磁感應(yīng)強度公式推導(dǎo)02基于畢奧-薩伐爾定律，通過積分方法推導(dǎo)出電流元產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度公式。磁場疊加原理在畢奧-薩伐爾定律中的應(yīng)用03說明多個電流元產(chǎn)生的磁場如何疊加，從而得到任意電流分布產(chǎn)生的磁場。畢奧-薩伐爾定律的應(yīng)用場景04如電磁鐵設(shè)計、磁場測量等。磁性材料特性分類磁性材料分類抗磁性材料特性順磁性材料特性鐵磁性材料特性根據(jù)磁化特性，將磁性材料分為抗磁性、順磁性和鐵磁性三類。磁化方向與磁場方向相反，磁化強度較小，如銅、鋁等金屬。磁化方向與磁場方向相同，但磁化強度較弱，如氧氣、金屬鉑等。磁化強度很大，磁化后保留剩磁，如鐵、鈷、鎳等金屬及其合金。04電磁感應(yīng)核心現(xiàn)象法拉第定律實驗驗證實驗?zāi)康尿炞C通過電解過程中電極上通過的電量與電極反應(yīng)物重量之間的關(guān)系，從而驗證法拉第定律的正確性。實驗器材電源、電解池、電極、電流表、計時器、稱重器等。實驗步驟準(zhǔn)備好電解池和電極，將電極插入電解池中并連接電源和電流表，開啟電源并記錄電流和時間，最后稱量電極反應(yīng)物的重量變化。實驗結(jié)果根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算電極上通過的電量和電極反應(yīng)物的重量變化，驗證法拉第定律的正確性，并得出電量與重量之間的比例關(guān)系。渦流效應(yīng)與能量損耗渦流效應(yīng)當(dāng)導(dǎo)體在變化的磁場中運動時，會在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種感應(yīng)電流會產(chǎn)生磁場并反過來影響原磁場，從而導(dǎo)致能量損耗。渦流損耗渦流效應(yīng)在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生的感應(yīng)電流會導(dǎo)致能量損耗，這種損耗與導(dǎo)體的電阻率、磁導(dǎo)率、厚度以及磁場變化的頻率等因素有關(guān)。渦流應(yīng)用雖然渦流效應(yīng)會導(dǎo)致能量損耗，但在某些情況下也可以被利用，例如電磁感應(yīng)加熱、電磁制動等。減小渦流損耗的方法可以通過選擇合適的材料、優(yōu)化導(dǎo)體形狀和尺寸、降低磁場變化的頻率等方法來減小渦流損耗。自感與互感定量計算自感現(xiàn)象當(dāng)一個線圈中的電流發(fā)生變化時，它所產(chǎn)生的磁場也會隨之變化，這個變化的磁場會在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這個現(xiàn)象稱為自感現(xiàn)象。01自感系數(shù)描述自感現(xiàn)象強弱的物理量，自感系數(shù)與線圈的大小、形狀、匝數(shù)以及有無鐵芯等因素有關(guān)。02互感現(xiàn)象當(dāng)一個線圈中的電流發(fā)生變化時，在它附近的另一個線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這個現(xiàn)象稱為互感現(xiàn)象。03互感系數(shù)描述互感現(xiàn)象強弱的物理量，互感系數(shù)與兩個線圈的相對位置、大小、形狀以及匝數(shù)等因素有關(guān)，可以用來計算兩個線圈之間的互感電動勢。0405電磁波傳播理論考慮介質(zhì)對電磁波傳播的影響，推導(dǎo)出波動方程。介質(zhì)中的波動方程根據(jù)電磁波在不同介質(zhì)界面的傳播特性，確定邊界條件。邊界條件01020304描述電場和磁場的相互關(guān)系，揭示電磁波的傳播規(guī)律。麥克斯韋方程組通過數(shù)學(xué)方法求解波動方程，得到電磁波的傳播特性。波動方程的解波動方程推導(dǎo)過程平面電磁波特性參數(shù)6px6px6px波長和頻率是電磁波的基本特性參數(shù)，兩者成反比關(guān)系。波長與頻率振幅反映電磁波的能量大小，強度則是振幅的平方。振幅與強度電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，與介質(zhì)的折射率有關(guān)。波速010302描述電磁波的電場矢量在傳播過程中的方向變化。極化04波導(dǎo)與天線基礎(chǔ)原理波導(dǎo)傳輸電磁波在波導(dǎo)中的傳輸特性，包括傳輸模式、截止頻率等。01天線輻射天線將電磁波從傳輸線輻射到空間中的過程，涉及輻射場強、方向性等參數(shù)。02天線接收天線接收空間中的電磁波，并將其轉(zhuǎn)換為傳輸線中的電信號。03天線增益衡量天線在某一方向上的輻射強度與全向輻射強度之比，反映天線的方向性特征。0406工程應(yīng)用拓展方向超導(dǎo)技術(shù)電磁學(xué)基礎(chǔ)介紹超導(dǎo)材料的零電阻、完全抗磁性等基本特性，及其在低溫下的超導(dǎo)現(xiàn)象。超導(dǎo)材料特性超導(dǎo)電路應(yīng)用超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)探討超導(dǎo)電路在超導(dǎo)磁體、超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)變壓器等方面的實際應(yīng)用。介紹超導(dǎo)磁懸浮的原理，包括磁懸浮力、磁穩(wěn)定性等，以及在交通、磁懸浮列車等領(lǐng)域的應(yīng)用。等離子體物理關(guān)聯(lián)領(lǐng)域等離子體特性闡述等離子體的基本性質(zhì)，包括電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、粒子密度等。等離子體應(yīng)用等離子體與電磁場相互作用介紹等離子體在能源、材料加工、空間探測等領(lǐng)域的應(yīng)用，如核聚變、離子注入、等離子體切割等。探討等離子體與電磁場之間的相互作用，包括電磁波在等離子體中的傳播