传输原理-第二十三章 传输现象的耦合特性
传输原理课件
二、研究流体运动的方法
－－充满运动流体的“空间”。
关注的是 流场中的“质点”。 追踪质点在每个瞬间的运动参数。
拉格朗 日法 研 究 方 法
v f ( x0 , y0 , z0 , t )
综合所有质点即得流体的运动特点。
关注的是 “空间点”。
欧拉法
观察随时间的变化，该点的流体运动
的物理参数的变化情况。 综合所有空间点即得流体的运动特点
液体：具有一定的体积；有自由表面；不可压缩(分子间距与
别区
分子有效直径几乎相等)。 气体：体积不定；无自由表面；可以压缩(分子间距与分子有 效直径相差很大) 。
二、连续介质模型(宏观流体模型)
欧拉1753年首先提出。 模型的含义: 忽视流体微观结构的分散性, 将流体看成是由无限多个 流体质点或微团组成的密集而无间隙的连续介质。 —— 假定了流体的稠密性和连续性 提出该模型的目的: 将反映宏观流体的各种物理量视为空间坐标的连续函 数，可引用连续函数的解析方法来研究流体处于平衡和运 动状态下的各物理参数间的数量关系。
三、菲克定律
j A DAB
d A dy
d ( v) dy
q a d ( C pT ) 相似性 dy
•通式：
通量＝－（扩散系数×浓度梯度）
•ν、α、ＤAB的量纲一致
2 （m / s）。
j A DAB
d A dy
•通量的传递方向与该量的浓度梯
度的方向相反，故通式中有一个
273 T Vt V0 T
1 dV V 根据体胀系数的定义，有： V dT
Vt V0 V V0 V0V T V （ 0 1+V T）
1 V 273
电磁干扰传播和耦合理论
RL UL = Us Rs + 2 Rt + RL
电磁干扰传播和耦合理论
讨论： 讨论： ρl (1)低频时 低频时， 其中l为导线长度 为导线长度， 为导线截面积 为导线截面积， (1)低频时， Rt = (Ω) ，其中 为导线长度，S为导线截面积，ρ S 为电阻率。 为电阻率。 d 5 1 RAC = RDC i = i µrσ r f ×10−7 (Ω) (2)高频时 高频时， (2)高频时， 4δ 6 d 二、电容性耦合 两个电路中的导体，当它们靠得比较近而且存在电位差时， 两个电路中的导体，当它们靠得比较近而且存在电位差时， 会产生电场耦合，其程度取决于两导体的分布电容C。 会产生电场耦合，其程度取决于两导体的分布电容 。 U1为干扰电压， 为干扰电压， A为干扰源电路 为干扰源电路 B为接收电路 为接收电路
电磁干扰传播和耦合理论
电磁干扰的传播途径 一、电磁干扰传输的二种方式 1、传导方式 2、辐射方式 二、常见辐射耦合 1、天线对天线耦合 2、场对线的耦合 3、线对线感应耦合
电磁干扰传播和耦合理论
传导耦合的基本理论 三种基本的耦合性质: 电阻性耦合、 三种基本的耦合性质 电阻性耦合、电感性耦合和电容性耦合 一、电阻性耦合 这是最常见最简单的传导耦合方式。 这是最常见最简单的传导耦合方式。例如 可控硅调速装置中较严重的高频干扰通过导线传输给电动机 各种按键开关操作时因触头抖动引起的瞬态干扰 印刷电路板受潮后引起线间绝缘强度降低易发生电干扰等 典型电路图： 典型电路图：
电磁干扰传播和耦合理论
结论:①电偶极子的近区场与静态场有相同的性质，称为似稳场 结论: 电偶极子的近区场与静态场有相同的性质， 准静态场) (准静态场)。 * S = E × H = 0 ，即近区场没 电场和磁场有π/2的相位差 的相位差， ②电场和磁场有π/2的相位差，平均 有能量向外辐射，又称束缚场。 有能量向外辐射，又称束缚场。 (2)远区场 远区场－ (2)远区场－辐射场 λ r >> kr>>1时 距离r>> r>>λ 称为远区。 当kr>>1时，即 2π 时，距离r>>λ，称为远区。
光的耦合原理
光的耦合原理
光的耦合原理是指通过光的传播将光束从一个光纤传递到另一个光纤的过程。
它是光纤通信中非常重要的一项原理，用于实现光纤之间的信号传输和光纤连接。
光的耦合原理实际上是将两个光纤的模式场相互影响，使它们能够交换能量。
在光的耦合中，要实现高效的能量传递，需要考虑一些因素，如光纤的几何形状、折射率分布以及耦合介质的特性等。
在光纤之间进行光耦合时，需要将两个光纤尽可能地靠近，并且使它们的光线轴线保持一致。
常用的耦合方式有直接耦合和间接耦合两种类型。
直接耦合是指将两个光纤的端面直接对准，并保持一定的空气间隙。
这种方式实现了光能的最大传输，但在实际操作中需要非常精确的对准，而且容易受到振动和温度变化的干扰。
间接耦合则是通过一些耦合元件或器件，如光纤耦合器、球透镜等，将光能从一个光纤传递到另一个光纤。
这种方式可以降低对准要求，提高耦合效率，并且可以实现不同接口类型的光纤之间的耦合。
光的耦合原理在光纤通信系统中起着关键的作用。
良好的光纤耦合能够保证信号传输的质量和稳定性，提高通信系统的性能。
因此，深入理解光的耦合原理，并结合实际应用需求，选择合适的耦合方式和器件，对于光纤通信技术的发展具有重要意义。
传输的基本原理以及特性
p1
1k
const
与气体的子结构有关 （1-6）
k=Cp /Cv
Cp ：定压比热容
pV k p1V1k const
Cv：定容比热容
TV k1 const
单原子气体：k=1.6；双原子气体：k=1.4（如氧气、空气）
多原子气体：k=1.3(如过热蒸汽）；干饱和蒸汽： k=1.135
为什么把“三传”放在一起作为一个整体：
① “三传”具有共同的物理本质：都是物理过程。 ② “三传”具有类似的表述方程和定律。 ③ 在实际金属热态成形过程中往往包括有两种或两 种以上传输现象，它们同时存在，又相互影响，是 一个有机的整体。
（3）传输原理课程发展历程
在传输原理这一课程被提出之前，流体力学（动量传 递）、传热学（热量传递）和传质学（质量传递）是一 些大学独立开设的课程。
恒压下气体膨胀系数的推导：
单位质量气体在273K时的体积为V0，温度升高ΔT后其体
积为Vt，当压强一定时，有：
V0 273
Vt 273 T
Vt
V0
273 T 273
根据气体膨胀系数的定义，有：
Vt V0 V V0 V0T V0 (1 T )
比较这两式可得：气体膨胀系数 1
1960 年前后，出现了“动量、热量与质量传递”或“传递现 象”这一课程。期间美国威斯康辛大学的R.B.伯德等人合著 了《传递现象》一书，这是最早将动量、热量和质量传输现 象归于一体的教材，用统一的理论进行分析研究三种传输现 象。
我国自1980年以来，冶金类院校就将《传输原理》作为冶金专 业一门重要的专业技术基础课程。
273
压力不变时，一定质量气体的体积随温度升高而膨胀。温 度升高1K，体积便增加273K时体积的1/273，此即盖吕萨 克定律。
磁感应耦合技术的无线能量传输原理
磁感应耦合技术的无线能量传输原理磁感应耦合技术是一种基于磁场能量传输原理的无线能量传输技术。
它利用两个相互感应的线圈之间的磁场耦合来传输能量。
其中一个线圈作为发射器架设在能量源端，另一个线圈作为接收器架设在能量接收端。
接下来，我们将详细介绍磁感应耦合技术的无线能量传输原理。
首先，我们需要了解两个关键概念：磁感应耦合和电磁感应。
磁感应耦合是指当一个线圈中通过电流时，它会产生一个磁场，并且这个磁场会感应到另一个线圈中。
电磁感应是指当一个线圈发生磁场变化时，它会在另一个线圈中产生感应电流。
在磁感应耦合技术中，发射器线圈中通电，产生一个在空间中产生变化的磁场。
这个变化的磁场会感应到接收器线圈中，从而在接收器中产生感应电流。
接下来，通过一个将交流电变换为直流电的电路，感应电流被转换为电能，供给接收器终端的电子设备使用。
为了使磁感应耦合技术能够高效进行能量传输，我们需要考虑一些关键因素。
其中最重要的因素是两个线圈之间的距离和线圈的几何形状。
距离越近，能量传输效率越高。
此外，线圈的几何形状也会影响耦合效率。
一般来说，使用与接收线圈相对应的发射线圈形状可以提高耦合效率。
此外，通过改变发射线圈的电流频率，可以进一步提高能量传输效率。
根据磁感应耦合的原理，发射线圈中的电流频率与磁场变化的速度成正比。
因此，提高电流频率可以增加磁场变化的速度，从而增加感应到接收器中的磁场的强度，进一步提高能量传输效率。
需要注意的是，磁感应耦合技术的无线能量传输原理有一定的局限性。
首先，能量传输的距离有限，一般只能在几厘米到几十厘米范围内进行有效传输。
此外，磁感应耦合技术对于空间中的障碍物敏感，障碍物会显著影响能量传输效率。
总结起来，磁感应耦合技术是一种基于磁场能量传输原理的无线能量传输技术。
通过在发射器线圈中通电产生磁场，再通过感应原理，使接收器线圈中产生感应电流，最终将感应电流转化为电能，实现无线能量传输。
然而，需要注意的是该技术有一定的能量传输距离限制和障碍物影响。
耦合器基本原理
2.3 工作带宽
单窗窄带耦合器(Standard Coupler) 单窗宽带耦合器(WFC) 双窗宽带耦合器(WIC)
2.4 传导模式
单模耦合器(Singlemode Coupler) 多模耦合器(Multimode Coupler)
耦合器的光学特性参数
1、插入损耗（Insertion Loss，IL） 指耦合器输出端口相对全部输入光功率的减少值。
1-F2sin2(
C F
z)
P2(z)=
F2sin2(
C F
z)
P1(z)是直通臂的光功率， P2(z)是耦合臂的
光功率，z为拉锥长度。
1 2
2 耦合系数 C
1/ F
1
(1 2
4C 2
)2
2U 2K0(Wd r)
rV 3K12 (W )
U
r(k
n2 2 co
2
)
r是光纤半径，d是两光纤中心的间距，
2、如果拉伸停在D点，就能够改善两个中心波长的工作带 宽，即获得“双窗口宽带耦合器”。
熔融拉锥型WDM耦合器
在两光纤耦合过程中，其耦合系数C是包含波长λ 的量，因此，耦合系数对波长是敏感的，在制作过程中， 可以通过改变熔融拉锥条件，来增强这种敏感性，从而 制成波分复用器(WDM)。
如拉锥曲线图，拉伸终止在E点，两输出端口的一 端将获得1310nm波长的全部输出光功率，而另一端获 得1550nm波长的全部输出光功率。
Pin
Coupler
Pout1 Pout2
ILi=
-10×lg
Pouti Pin
2、附加损耗（Excess Loss，EL）
指耦合器全部输出端口光功率总和相对全部输入光功率 的减少值。
物理中的耦合效应
物理中的耦合效应物理学中，耦合是指两个或多个物理系统之间相互影响的现象。
这些系统可以是不同的物体，也可以是相同的物体的不同部分。
而耦合效应则是描述这种影响的结果。
本文将会介绍物理学中的常见耦合效应及其应用。
一、热力学中的热耦合效应热力学中常见的耦合效应是热耦合效应。
热耦合效应是指介质之间连通时，由于介质温度的差异而发生的能量传输现象，表现为能量的转移、热扩散等现象。
例如，一个房间里的暖气会向周围的空气散发热量，使得房间内的温度变化。
而在自然界中，地面的温度比空气温度低，导致了冬天时风速大的地方有大量的雪，从而形成了雪原和冰川。
热耦合效应应用广泛，包括在太阳能和风能的能量转换中，以及在生物学、地球物理学和化学工程等领域中的研究中也有广泛的应用。
二、电力中的电耦合效应电耦合效应是指介质中由于电流的流动而引起的介质内部电场的变化，进而影响电子的运动，最终产生电流的传输。
电耦合效应在电子器件和通信技术中有着广泛的应用。
其中，一个典型的例子就是晶体管。
在晶体管中，电源电压通过控制电极影响了源极电极之间的电路，从而控制了电子流的传输。
而在通信技术中，数字信号转成模拟信号时则需要经过电耦合效应的影响，从而变成更容易传输和处理的信号。
三、机械学中的机械耦合效应在机械学中，机械耦合效应常常表现为振动和声音的产生。
这种耦合效应与物体间的相对位置及运动状态有关。
其中，振动时机械系统之间的相动性，而声音则是介质中的机械振动产生的一种传输形式。
在机械工程中，机械耦合效应的应用主要体现在振动减振技术和噪声控制领域。
例如，汽车、飞机等大型机械设备就需要减少振动和噪声才能更好地运行和使用。
总之，耦合效应是物理学中不可避免的现象，也是我们能够研究和改善物理现象的基础。
我们需要在实际应用中认真探索，并将耦合现象纳入到我们的设计和研究中去，以推动物理学的发展和应用。
耦合电路知识点总结
耦合电路知识点总结一、耦合电路的种类耦合电路根据传输信号的方式和形式，可分为磁耦合电路、电容耦合电路和电感耦合电路三种类型。
1. 磁耦合电路磁耦合电路是利用磁场的传输作用实现信号的耦合。
其基本结构为两个线圈（一对）相互靠近，通过磁感应线圈之间产生的磁场，实现信号传输。
磁耦合电路常见于变压器和互感器中，能够实现信号传输的隔离和变换。
2. 电容耦合电路电容耦合电路使用电容器来实现信号的耦合。
当两个电路之间通过电容器连接时，可以实现交流信号的传输。
电容耦合电路常用于放大器中，能够实现对交流信号的放大。
3. 电感耦合电路电感耦合电路是利用电感的传感和传输作用实现信号的耦合。
在电感耦合电路中，通过电感的互感作用，可以实现信号的传输和变换。
电感耦合电路常用于无线电收发器中，能够实现对无线信号的接收和放大。
以上三种耦合电路各有其特点和应用领域，掌握耦合电路的不同种类对于电子电路的设计和应用都是非常重要的。
二、耦合电路的工作原理耦合电路的工作原理主要是通过两个电路之间的相互影响，实现信号的传输和耦合。
具体来说，磁耦合电路是通过磁场的传输实现信号的耦合；电容耦合电路是通过电容器的传输实现信号的耦合；电感耦合电路是通过电感的传感实现信号的耦合。
在耦合电路中，通过合适的设计和连接方式，可以实现不同种类和形式的信号传输和耦合，从而实现电子设备的各项功能。
三、耦合电路的性能参数耦合电路的性能参数包括传输特性、频率响应、带宽、增益、失真度等指标。
1. 传输特性传输特性是指耦合电路在不同工作状态下对输入信号和输出信号的传输效果。
一般来说，传输特性包括传输系数、相位差、功率损耗等指标，它们可以反映出耦合电路在信号传输过程中的衰减和失真情况。
2. 频率响应频率响应是指耦合电路对不同频率信号的响应情况。
在实际应用中，耦合电路需要能够有效地传输和处理各种频率的信号，因此频率响应是耦合电路的重要性能参数。
3. 带宽带宽是指耦合电路能够传输的频率范围。
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到底是物质扩散。因此第二项的量纲也是单位时间通 过单位面积的物质的量。 同样，体系中存在浓度梯度而导致热量迁移，也导致 温度梯度，这称为杜伏(Dufour)效应。其流密度表达式 (唯象方程)可写成： Jq gradT lgradC
n
Ji Lik Xk (i=1,2...n) k 1
式中， Lii称为自唯象系数；Lik (i≠k)称为互唯象系数， 或耦合系数、干涉系数，描述第k个过程对第i个过程的 干涉。
上式中自唯象系数永远是正的，而互唯象系数则可正 可负，因为干涉效应可正可负。
对于多元系的扩散，各组元的迁移都对另一组元的迁 移有影响。应用上式考察各组元间的扩散耦合(干涉)时， 式中1, 2……, n表示各个组元。由此可见，某一组元的 扩散流密度，不仅与自身浓度梯度有关，还取决于体 系内其他组元的浓度梯度。
(2) 熵增速率：
在近平衡系中，由于不可逆过程引起的体系熵增速率的
表达式如下： dSi
dt
Ji xi 0
23.2 不可逆过程热力学的基本概念
• 式中, xi 为热力学推动力，即广义力，如化学位或浓度 梯度、温度梯度、速度梯度等；J为由推动力引起的热 力学流密度，如质量、热量、动量流密度；Si 为由于 体系内部发生不可逆过程而引起的熵变，称内熵变。
23.2 不可逆过程热力学的基本概念
I相： dQI diQI deQI II相： dQII diQII deQII
是可逆的。然而，对于导热或扩散过程，流密度方程
如下
T t
2T
a
x2
2T y2
2T z 2
CA t
DAB
2CA x2
2CA故这两个过程是不可逆的。
23.2 不可逆过程热力学的基本概念
23.2.2 基本原理和熵增速率
(1) 局部平衡原理：
23.1 线性流密度和耦合效应
• 式中，l为考虑耦合时的扩散传质系数。
于是，传热与传质耦合时，可用唯象方程组来描述：
Jm DgradC KgradT
Jq gradT lgradC
上式表示的唯象方程组是，当体系同时发生质量传输和 热量传输时，对质量传输与热量传输之间相互作用所造 成的附加传输流密度的进一步考虑。
亲合势。 导电欧姆定律： Je grad • 式中，为导电率；为电势。
23.1 线性流密度和耦合效应
前面的式的线性流密度表达式，可以看成在体系中仅 考虑一种传输现象，而没有考虑体系中另一传输现象
对它的影响。但是，在初始均匀的多元物系中，因存
在温度梯度而导致了物质扩散，即产生浓度梯度，这
种相互作用就是传热与传质的耦合，称为索瑞(Soret) 效应，亦称热扩散效应。其流密度表达式，或称为唯
第二十三章 传输现象的耦合特性
第23章 传输现象的耦合特性
23.1 线性流密度和耦合效应 23.2 不可逆过程热力学的基本概念 23.3 近平衡体系的线性不可逆过程
热力学 23.4 昂色格(Onsager)倒易关系 23.5 小结
23.1 线性流密度和耦合效应
前面讨论的动量、热量和质量传输现象，在一维条件 下的传输流密度可以写成下面的线性表达式：
牛顿黏性定律： J grad
• 式中，η为黏滞系数，υ为速度。
傅里叶导热定律： Jq grad T • 式中，λ为导热系数，T为温度。
费克扩散定律： Jm Dgrad C • 式中，D为扩散系数，C为浓度。
化学反应： Jc kA • 式中，k为化学曳力系数；A为化学曳引力；A/T为化学
23.1 线性流密度和耦合效应
对于不等温三元体系的(广义)扩散，流密度显然包括以
下4种，即质量流密度 Jm1、Jm2、Jm3和热量流密度Jm4， 因此唯象方程组如下：
Jm1 L11X1 L12 X 2 L13 X3 L14 X 4 Jm2 L21X1 L22 X 2 L23 X3 L24 X 4 Jm3 L31X1 L32 X 2 L33 X3 L34 X 4 Jm4 L41X1 L42 X 2 L43 X3 L44 X 4
上式中的K与l，称为唯象系数，统一记为L，它们与可
测传输性质(D、、)之间，有一定的关系。唯象方程
组可反映干涉效应，对两个不可逆过程间的耦合，可写
出两个唯象方程通式：
JJ12
L11 X1 L21 X1
L12 X2 L22 X 2
23.1 线性流密度和耦合效应
如果n个不可逆过程耦合，唯象方程可表述为：
以热流引起熵变为例。对于两个闭合相(I相和II相)组成 的体系，两相各自维持均匀的温度TI和TII。由于熵是广
延量，因此体系的熵有可加和性，即：dS dSI dSII
图为热量传递过程。将每相
获得的热量划分为两部分，
一部分是分界面处与环境交
换的热量deQ，另一部分是体 系内部交换的热量diQ。I相 和II获得的热量分别为：
热力学体系可以分类如下：平衡系、近平衡系和非平衡 系，其中非平衡系就是远离平衡的体系，它不在本课程 的视野之内，而平衡系是经典热力学的研究范畴。对于 近平衡系，虽然整个体系处于非平衡状态，但它的局部 可看成平衡状态。这样，平衡系热力学的全部状态量和 它们的函数关系，就能以适当的形式应用于近平衡系。
• 式中，X1 、X2 、X3为组分1、2、3的浓度(化学位)梯度， X4为温度梯度。
不难看出，上式是线性方程组，其成立条件如下： 一是非平衡过程(即不可逆过程)，这一点显而易见，因
为平衡过程的梯度均为零；
二是近平衡过程，即离平衡态不远的非平衡过程。只 有在这种近平衡条件下，线性的耦合关系才能成立。
23.2 不可逆过程热力学的基本概念
23.2.1 不可逆过程
不可逆过程热力学的理论基础来源于统计热力学。对
于与时间有关的物理方程，如果以-t代替 t后方程并不
改变，则方程描述的物理过程就是可逆的，否则是不
可逆过程。例如：描述波在无吸收媒质中传播的波动
方程为：
2
c2t 2
2
x2
2
y2
2
z 2
以-t代替t后，此方程并无变化，它表面这种传播过程