工程电磁场
工程电磁场导论课件

电磁场在医疗领域的应用
要点一
总结词
电磁场在医疗领域的应用包括核磁共振成像、微波治疗、 电磁波透视等,为疾病诊断和治疗提供了重要手段。
要点二
详细描述
核磁共振成像是一种无创的影像学检查方法,利用强磁场 和射频脉冲使人体组织中的氢原子发生共振,从而产生人 体结构的图像。微波治疗则利用特定频率的电磁波对病变 组织进行加热,达到治疗肿瘤、炎症等疾病的目的。电磁 波透视则用于观察人体内部器官的形态和功能。
时变电磁场
04
麦克斯韦方程组
麦克斯韦方程组是描述时变电磁场的理论基础, 包括描述电场和磁场变化的微分方程。
麦克斯韦方程组还包括安培环路定律、法拉第电 磁感应定律和洛伦兹力定律等基本物理规律。
这些方程组揭示了电磁场之间的相互依赖关系, 以及它们随时间变化的规律。
波动方程与电磁波速
01
时变电磁场中的波动方程描述了电场和磁场随时间和空间的变 化规律。
电场中的电位差与电动势
电位差
两点之间的电位之差,等于两点之间的电压。
电动势
电源内部非静电力克服静电力做功将其他形式的能转化为电能的本领,其方向由电源负极指向正极。
恒定磁场
03
磁感应强度与磁场强度
磁感应强度
描述磁场强弱和方向的物理量,用B 表示,单位是特斯拉(T)。
磁场强度
描述电流产生磁场能力的物理量,用 H表示,单位是安培/米(A/m)。
静电场
02
电场强度与电位
电场强度
描述电场力的矢量,其方向与电场中 某点的电场方向相同,大小等于单位 正电荷在该点所受的电场力。
电位
描述电场中某点的能量状态,其大小 与电场强度和位置有关,其定义式为 $V = int_{0}^{r}Edl$。
工程电磁场原理倪光正第一章

工程电磁场数值分析方法简
05
介
有限差分法
差分原理
将电磁场连续域问题离散 化,用差分方程近似代替 微分方程。
求解方法
采用迭代法或直接法求解 差分方程,得到电磁场数 值解。
差分格式
构造差分格式,将微分方 程转化为差分方程。
有限元法
有限元原理
将连续域划分为有限个单元,每个单元内用 插值函数表示未知量。
有限元方程
根据变分原理或加权余量法建立有限元方程。
求解方法
采用迭代法或直接法求解有限元方程,得到 电磁场数值解。
边界元法
边界元原理
将微分方程边值问题转化为边界积分方程问题。
边界元方程
根据格林公式和边界条件建立边界元方程。
求解方法
采用迭代法或直接法求解边界元方程,得到电磁场数值解。
各种数值分析方法的比较与选用
工程电磁场原理倪光 正第一章
目录
• 绪论 • 静电场的基本概念和性质 • 恒定电场的基本概念和性质 • 时变电磁场的基本概念和性质 • 工程电磁场数值分析方法简介
01
绪论
电磁场理论的重要性
01 电磁场是物质存在的基本形式之一
电磁场与物质相互作用,是物质存在的基本形式 之一,对于理解物质的本质和相互作用机制具有 重要意义。
研究任务
工程电磁场的研究任务包括揭示电磁场的本质和 规律,探索新的电磁现象和应用,以及解决工程 实际中的电磁问题。
电磁场理论的发展历史
01
静电学和静磁学阶段
早期人们主要研究静电和静磁现象,建立了库仑定律和安培定律等基本
定律。
02 03
电磁感应和电磁波阶段
19世纪初,法拉第发现了电磁感应现象,揭示了电与磁之间的联系。随 后,麦克斯韦建立了完整的电磁波理论,预言了电磁波的存在,并阐明 了光是一种电磁波。
工程电磁场的认识及应用

工程电磁场的认识及应用工程电磁场是指在工程领域中应用电磁场理论和方法进行设计、分析和控制的过程。
电磁场是物理领域中重要的概念之一,广泛应用于各个领域,包括通信、电力系统、雷达、无线电和电子设备等。
下面将对工程电磁场的认识和应用进行探讨。
首先,工程电磁场的理论基础是麦克斯韦方程组,其描述了电场和磁场之间的关系和变化规律。
通过解麦克斯韦方程组,可以得到电磁场的分布与变化情况。
这种理论基础使得工程师可以根据具体需求,设计出满足需要的电磁场分布,如电磁波发射器、电子元器件和电力系统等。
其次,工程电磁场的应用非常广泛。
在通信领域,工程电磁场的应用主要涉及到无线电、移动通信和卫星通信等。
通过合理设计和控制电磁场的传播,可以实现无线电信号的发送和接收,从而实现通信的功能。
在电力系统中,工程电磁场的应用主要涉及电力传输、电力变压器和电力设备等。
合理设计电磁场可以降低能量损耗和提高电力传输效率,同时保证电力设备的安全和稳定工作。
另外,工程电磁场在雷达系统中也有重要的应用。
雷达系统通过发射和接收电磁波来探测目标物体的位置和速度等信息。
合理设计和调控电磁场,可以提高雷达系统的探测性能,提高目标识别和跟踪能力。
此外,在电子设备中,工程电磁场的应用主要涉及电路设计和电子元器件的性能研究。
通过合理设计和控制电磁场,可以提高电子设备的运行效率和性能,同时降低电磁干扰和信号衰减等问题。
除了这些方面外,工程电磁场还可以应用于医学领域、冶金和材料领域等。
在医学领域,工程电磁场的应用主要涉及磁共振成像、生物电信号检测和治疗等。
通过合理设计和控制电磁场,可以对人体进行非侵入式检测,从而实现疾病的早期诊断和治疗。
在冶金和材料领域,工程电磁场的应用主要涉及熔炼和热处理等。
通过合理设计和控制电磁场,可以提高熔炼过程的能量利用效率和材料的质量。
总之,工程电磁场是工程领域中非常重要的基础理论和工具之一,广泛应用于各个领域。
通过合理设计和控制电磁场,可以实现特定需求下的电磁场分布,从而满足各种应用需求。
工程电磁场原理

工程电磁场原理
工程电磁场原理是指电磁学原理在工程领域中的应用。
电磁场是由电荷和电流产生的一种物理场,它在工程中具有广泛的应用,包括电力系统、通信系统、雷达系统、电子设备等。
工程电磁场原理主要涉及以下几个方面:
1.库仑定律:库仑定律描述了两个电荷之间的作用力与它们
之间的距离和电量大小的关系。
在工程中,库仑定律可以
用于计算电荷之间的静电力,并在设计电气设备时考虑电
荷之间的斥力或吸引力。
2.安培定律:安培定律描述了电流元产生的磁场与电流元之
间的关系。
在工程中,安培定律可以用于计算电流元产生
的磁场强度,并在设计电力系统或电磁设备时考虑电流元
的磁场效应。
3.法拉第电磁感应定律:法拉第电磁感应定律描述了一个变
化的磁场引起的电动势与磁场变化率的关系。
在工程中,
法拉第电磁感应定律可以用于解释电力变压器、发电机、
感应电动机等设备的工作原理。
4.麦克斯韦方程组:麦克斯韦方程组是描述电磁场行为的基
本方程集合。
在工程中,麦克斯韦方程组用于描述电磁波
的传播、天线的辐射特性、电磁兼容性等问题。
5.电磁波传播:电磁波是由振荡电场和磁场组成的能量传播
波动。
在工程中,电磁波传播原理被应用于无线通信系统、
雷达系统、无线能量传输等领域。
通过理解和应用这些工程电磁场原理,可以帮助工程师设计、分析和优化与电磁相关的系统和设备。
这些原理对于电力工程、通信工程、电子工程等领域的工程实践具有重要的指导作用。
工程电磁场 第7章 准静态电磁场

S
H J
E 0
B 0
D
H
E
J B
D t
t
B 0
D
准静态场又称为似稳场 工频正弦稳态电路分析
准静态场分析例题
圆盘形状的平行板电容器,间距 d=0.5cm,中间为云母电介质,
r 5.4 ,现加电压 u(t) 110 2 cos 314t V, 求平板间的电场和磁场。
解:低频,看做EQS
u EH
E(t)
u(t ) d
(ez
)
3.11 104
cos 314t(ez
)
V/m
由安培环路定律可得 H 2 r D r 2 E r 2
H(t
)
2.335104
r
sin314t
t (e
)
t
A/m
讨论:
EB
- H
t
H
E
J B
D t
t
B 0
Jd
f
Jdm Em
1KHz
8.89*105
Jcm Em
1MHz
8.89*102
故 Jc Jd
1GHz 106MHz
0.889 8.89*10—4
与频率密切相关
电准静态场——EQS
若 B 0
t
即可忽略位移电流对磁场的影响
H
J
D
t
E 0
B 0
D
H
E
J B
D t
z
在导体的一个透入深度区间
内分布
导电媒质
也称为集肤效应
透入深度与材料的导电导磁参数
E x (z, t ) 2E0ez cost z
工程电磁场 第1章 电磁场的数学基础

《工程电磁场》
第1章 电磁场的数学基础
1
第1章 电磁场的数学基础
1.1 场的概念及其分类
1.2 正交曲面坐标系
1.3 矢量代数
1.4 场的可视化描述
1.5 场的梯度、散度、旋度
1.6 场论分析常用定理
1.7 电磁场麦克斯韦方程组与场论
《工程电磁场》
1.1 场的概念及其分类
《工程电磁场》
《工程电磁场》
标量及其乘积运算
两个标量a与b相乘,标量参数之间可用
“
”号、“ • ” 号或什么符号也不加,
都代表二者之间的倍数关系,即
,
a b a b ab
《工程电磁场》
矢量及其表示方法
《工程电磁场》
一个由大小和方向共同确定的物理量叫做矢量。
=
,
= + + =
ex
ey
ez
A B Ax Ay Az
Bx B y Bz
9. A ( B C ) B (C A) C ( A B )
10. ( A B )C A( B C )
11. A ( B C ) ( A B ) C
Ԧ )
——不随空间变化的时变场 φ(t) , (t
第1章 电磁场的数学基础
1.1 场的概念及其分类
1.2 正交曲面坐标系
1.3 矢量代数1.4 源自的可视化描述1.5 场的梯度、散度、旋度
1.6 场论分析常用定理
1.7 电磁场麦克斯韦方程组与场论
工程电磁场总结笔记

工程电磁场总结笔记
工程电磁场总结笔记
1. 电磁场的概念:电磁场是指由电荷和电流所引起的物理现象,包括静电场和电流场。
2. 静电场:静电场是指电荷之间由于电荷不平衡而产生的电场。
电荷分为正电荷和负电荷,正电荷之间相互排斥,负电荷之间相互排斥,正负电荷之间相互吸引。
静电场的强弱由电荷量和距离的平方倒数决定。
3. 电流场:电流场是指电流通过导体时所产生的电场。
电流流动时会形成环绕导体的电磁场,根据安培定理,电流越大,产生的磁场越强。
电流场的强弱由电流大小和导线距离的关系决定。
4. 电磁场的相互作用:电磁场中的电荷和电流相互作用,电荷和电流受到力的作用。
根据洛伦兹力公式,电荷在电磁场中受到的力等于电荷电场力和磁场力的矢量和。
电磁场的相互作用是电磁感应和电磁辐射的基础。
5. 电磁感应:当导体中的磁通量发生变化时,会在导体中产生感应电动势,从而产生感应电流。
根据法拉第电磁感应定律,感应电动势的大小与磁通量和时间的变化率成正比。
电磁感应是电动机和发电机的基本原理。
6. 电磁辐射:当电荷加速运动时,会产生电磁辐射,即电磁波。
电磁波具有电场和磁场的振荡,可以在真空中传播。
电磁辐射是无线通信和无线电广播的基础。
7. 电磁场的应用:工程电磁场的应用广泛,包括通信、雷达、无线电、电视、计算机等。
通过电磁场的相互作用,可以实现信息的传输和处理。
工程电磁场学是工程学、物理学和电子学等学科的重要基础。
工程电磁场原理

工程电磁场原理工程电磁场原理是一门研究电磁场理论及其应用的学科。
它涵盖了电磁场的基本原理、静电场、恒定磁场、时变电磁场、平面电磁波、导电媒质中的电磁场、电磁辐射与散射、电磁兼容与电磁防护以及电磁场数值分析等内容。
本文将对这些内容进行简要介绍。
一、电磁场基本原理电磁场的基本原理主要包括麦克斯韦方程组和坡印廷定理。
麦克斯韦方程组是描述电磁场变化的数学模型,包括了电场、磁场和它们之间的相互关系。
坡印廷定理则表示了电磁功率流与能量密度的关系,为电磁波传播和能量转换提供了理论基础。
二、静电场静电场是指电场强度不随时间变化的电场。
在静电场中,电荷分布是稳定的,不会产生电流。
静电场的特性包括电场线不闭合、电场力与电场强度成正比等。
静电场的分析方法主要包括高斯定理和电势能的概念。
三、恒定磁场恒定磁场是指磁场强度不随时间变化的磁场。
在恒定磁场中,磁力线是闭合的,不会产生感应电动势。
恒定磁场的特性包括磁场线闭合、磁感应线与磁场强度成正比等。
恒定磁场的应用包括磁力设备和磁记录技术等。
四、时变电磁场时变电磁场是指电场或磁场随时间变化的电磁场。
时变电磁场的分析方法主要包括波动方程和位函数的概念。
时变电磁波的传播速度等于光速,具有频率域的连续性和能量传递方向性等特点。
时变电磁波的应用包括无线通信、雷达探测和电磁成像等。
五、平面电磁波平面电磁波是指电场和磁场在空间中以波的形式传播的电磁波。
平面电磁波具有等相位面和等振幅面的特点,可以沿某一方向传播。
平面电磁波的分析方法主要包括波动方程和傅里叶分析等。
平面电磁波的应用包括卫星通信和电视广播等。
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如何描述线1周围的用来决定对线2作用力的力场?Note that in the third case (perpendicular currents), I2 is in the same direction as H, so that their cross product (and the resulting force) is zero. The actual force computation involves a different field quantity, B, which is related to H through B = μ0H in free space. This will be taken up in a later lecture. Our immediate concern is how to find H from any given current distribution.第三种情况,磁场与电流平行,叉乘=0特别注意与距离的平方成反比, 而且叉矢量指向纸内(右手螺旋法则决定)Note the similarity to Coulomb’s Lawa point charge of magnitude dQ1at Point 1 would generate electric field at Point 2 given by:The units of H are [A/m]To determine the total field arising from the closed circuit path,we sum the contributions from the current elements that make upthe entire loop, orThe contribution to the field at P from any portion of the current will be just the above integral evalated over just that portion...and so the differential current quantity thatappears in the Biot-Savart law becomes:The magnetic field arising from a currentsheet is thus found from the two-dimensionalform of the Biot-Savart law:of three-dimensional current elements, and so the Biot-Savartand so..so that:Integrate this over the entire wire:..after carrying out the cross productExample: concludedfinally:Current is into the page.Magnetic field streamlinesare concentric circles, whose magnitudesdecrease as the inverse distance from the 线是如何画?(力线疏密反应强如何画?定值/ρ 2,所以,磁力线的间隔怎么画?..after a few additional steps (see Problem 7.8), we find:carry out the cross products to find:but we must include the angle dependence in the radialunit vector注意:rho的单位矢量不是常量!!!with this substitution, the radial component will integrate to zero, meaning that all radial components will cancel on the z axis. rho分量消了,仅仅z分量Note the form of the numerator: the product ofthe current and the loop area. We define this asthe magnetic moment:环可定义磁矩似偶极矩的定义横向涡旋磁场路径a和b的磁场环流= 总电流I路径c的磁场环流= 总电流I的一部分ρso that:as before.solid conductors that carry equal and oppositecurrents, I.The line is assumed to be infinitely long, and thecircular symmetry suggests thatφ-directed, and will vary only with radiusOur objective is to find the magnetic fieldfor all values of ρ无限长内外导体等量异向电流仅沿rho变化的phi向磁场求全径向磁场分布导体间磁场内导体可看作无限长线电流束考虑1、2处的电流丝产生的磁场叠加仅phi向存在ab间场直接为But now, the current enclosed isor finally:体外的场As the current is uniformly distributed, and since wehave circular symmetry, the field would have tobe constant over the circular integration path, and so itmust be true that:+外导体圈内反向电流百分比..and so finally:同轴线磁场强度的径向分布s circuital law to the path we find:In other words, the magnetic field is discontinuous across the current sheet by the magnitude of the surface current density.生的磁场(续)电场的均匀分布If instead, the upper path is elevated to the line between and , the same current is enclosed and we would havefrom which we conclude thatconstant in each region(above and below the current plane)a N is the unit vector that is normal to thecurrent sheet, and that points into the region inwhich the magnetic field is to be evaluated.引申为等效电流aN X H = aN X (0.5KXaN)=0.5KKHHKWe will now use this result as a building blockto construct the magnetic field on the axis ofa solenoid --formed by a stack of identical currentloops, centered on the z axis.contribution to the total field from a stack of N closely-spacedloops, each of which carries current I . The length of the stack so therefore the density of turns will be N/d.Now the current in the turns within a differential length, dz , will bez -d/2d/2so that the previous result for H from a single loop:now becomes:in which z is measured from the center of the coil,where we wish to evaluate the field.We consider this as our differential “loop current ”z-d/2d/2长螺线管的场近似z-d/2d/2We now have the on-axis field at the solenoid midpoint (z = 0):Note that for long solenoids, for which , theresult simplifies to:( )This result is valid at all on-axis positions deep within long coils --at distances from each end of several radii.d/2Therefore:In other words, the on-axis field magnitude near the center of a cylindricalcurrent sheet, where current circulates around the z axis, and whose lengthis much greater than its radius, is just the surface current density.Solenoid Field --Off-Axis螺线管非轴线上的场用安培环路定律来求解:The illustration below shows the solenoid cross-section, from a lengthwise cut through thethe windings flows in and out of the screen in the circular current path. Each turn carries currentfield along the z axis is NI/d as we found earlier.Where allowance is made for the existence of a radial H component,The radial integrals will now cancel, because they are oppositely-directed, and because in the long coil,Conclusion: The magnetic field within a long solenoid is approximately constant throughout the coil cross-section, and is H z = NI/d.绕组被建N个流回路,每个承载电流I.镯形环形绕组,横截面可是圆形或其他任意形状individual windings. Under this condition, we would assume:This approximation improves as the density of turns gets higher(using more turns with finer wire).Ampere’s Law now takes the form:so that….Performing the same integrals over contours drawnin the regions or willlead to zero magnetic field there, because no currentis enclosed in either case. 环外场= 0Consider a sheet current molded into a doughnut shape, as shown.The current density at radius crosses the plane in the zdirection and is given in magnitude byleading to…inside the toroid…. and the field is zero outside as before.where:基于Taylor 级数展开的近似And therefore:向路径段的贡献The contribution from the opposite side is:Note the path directions as specified in the figure, andhow these determine the signs used .This leaves the left and right sides…..…and the contribution from the left side (path 4-1) is:The next step is to add the contributions of all four sides to find the closed path integral:合路径积分and using our previous results, the becomes:Dividing by the loop area, we now have:The expression becomes exact as the loop areaapproaches zero:其他方向的结果类似:The same exercise can be carried with the rectangular loop in the other two orthogonal orientations.下的结果.方向的确定遵循右手螺旋法则:四指指向积分路径方向,大拇指指向旋度方向The curl component in the direction N, normal to the plane of the integration loop is:is taken using the right-hand convention: With fingers of the right hand orientedin the direction of the path integral, the thumb points in the direction of the normal (or curl).An easy way to calculate this is to evaluate the following determinant:which we see is equivalent to the cross product of the del operator with the field:Look these up as needed….…..静磁场的麦克斯韦方程(思考总磁场的形式):同时也是安培环路定律的点形式(微分形式).总电场的形式):(applies to a static electric field) Recall the condition for a conservative field: that is, its closed path integral is zero everywhere.Therefore, a field is conservative if it has zero curlis paritioned into sub-regions, each of small areaThe curl component that is normal to a surface element canWe now apply this to every partition on the surface, and add the results…..cancellation here:Theorem.We now take our previous result, and take the limit asIn the limit, this side becomes the path integral of H over the outer perimeter because all interior paths cancel 等效于外围闭合路径积分In the limit, this sidebecomes the integralof the curl of H over surface S等效于在整个S 上积分两个定律均可直接从纯高等数学的角度直接展开证明)This is a valuable tool to have at our disposal, because it gives us two ways to evaluate the same thing!积分联系起来了Integrate both sides over surface..in which the far right hand side is found from the left hand sideusing Stokes’Theorem. The closed path integral is taken around theperimeter of S. Again, note that we use the right-hand convention inchoosing the direction of the path integral.so we are left with the integral form of Ampere应强度)in which the electric flux density in free space is:and where the free space permittivity ismagnetic flux in units of Webers (Wb):磁通密度(磁感应强度)in free space is:and where the free space permeability is有关。