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马西奎工程电磁场课件
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目录
电磁场基础理论
01
电磁场的数值分析
03
电磁兼容性设计
05
电磁场的数学模型
02
电磁场在工程中的应用
04
实验与仿真
06
电磁场基础理论
01
静电场的基本概念
静电场是由静止电荷产生的，电荷是电场的源头，电场强度与电荷量成正比。
电荷与电场
电场线是电场的方向和强度的可视化表示，电场强度越大，电场线越密集。
电场线与电场强度
静电场中某点的电势表示单位正电荷在该点的电势能，电势差驱动电荷移动。
电势与电势能
稳恒磁场的原理
安培环路定理表明，在稳恒磁场中，穿过任意闭合环路的磁场强度总和与环路内电流的代数和成正比。
01
安培环路定理
磁场的高斯定律说明，没有磁单极子存在，因此闭合曲面上的磁场强度通量总和为零。
02
磁场的高斯定律
毕奥-萨伐尔定律描述了电流元产生的磁场分布，是计算稳恒磁场中任意点磁场强度的基础。
03
毕奥-萨伐尔定律
电磁感应定律
法拉第定律指出，穿过闭合回路的磁通量变化产生感应电动势，是电磁感应现象的定量描述。
法拉第电磁感应定律
例如，变压器和发电机都是基于电磁感应定律工作的，它们在电力系统中扮演着至关重要的角色。
电磁感应的应用实例
楞次定律说明了感应电流的方向，即感应电流产生的磁场总是试图抵抗引起电流的磁通量变化。
楞次定律
01
02
03
电磁场的数学模型
02
麦克斯韦方程组
高斯定律
描述电场线的发散情况，表明电荷是电场的源头，是麦克斯韦方程组的基础之一。
安培定律的修正形式
包含了麦克斯韦添加的位移电流项，解释了变化电场如何产生磁场。
高斯磁定律
法拉第电磁感应定律
说明磁场线是闭合的，没有磁单极子存在，即磁荷不存在。
描述了时间变化的磁场如何产生电场，是电磁感应现象的数学表达。
波动方程的推导
通过麦克斯韦方程组，可以推导出电磁波的波动方程，这是电磁场理论的基础。
麦克斯韦方程组
01
在特定条件下，如无源区域，波动方程可简化为齐次波动方程，便于求解。
波动方程的简化形式
02
波动方程描述了电磁场随时间和空间的变化规律，反映了波动传播的物理本质。
波动方程的物理意义
03
在波动方程的求解过程中，边界条件是不可或缺的，它决定了电磁波在介质交界处的行为。
边界条件的应用
04
边界条件的应用
01
在解决静电场问题时，边界条件帮助确定电荷分布，如平板电容器中的电场分布。
02
时变电磁场中，边界条件用于分析导体表面的电流和电荷密度，例如在天线设计中。
03
波导问题中，边界条件用于确定电磁波的传播模式和截止频率，如微波炉中的波导管。
静电场问题的边界条件
时变电磁场的边界条件
波导中的边界条件
电磁场的数值分析
03
有限差分法
有限差分法通过将连续的电磁场问题离散化，用差分方程近似微分方程，简化复杂计算。
基本原理介绍
在电磁波传播模拟中，有限差分法能够有效预测信号在不同介质中的传播路径和强度。
应用实例分析
分析有限差分法的稳定性条件和收敛性，确保数值解的准确性和计算过程的可靠性。
稳定性与收敛性
讨论如何在有限差分法中合理设置边界条件，以模拟电磁场在不同边界条件下的行为。
边界条件处理
有限元法
有限元法通过将连续域离散化为有限个小单元，对每个单元进行方程求解，从而近似求得整个域的解。
有限元法的基本原理
01
在电磁场分析中，有限元法用于计算复杂几何形状和材料属性的电磁场分布，如电机和变压器的设计。
有限元法在电磁场分析中的应用
02
有限元法
商业软件如ANSYSMaxwell和COMSOLMultiphysics利用有限元法模拟电磁场，帮助工程师进行精确分析。
有限元软件工具
01
有限元法的计算步骤包括建立模型、网格划分、施加边界条件、求解方程组和结果后处理等关键环节。
有限元法的计算步骤
02
矩量法
矩量法的基本原理
矩量法通过将连续问题离散化，将积分方程转化为矩阵方程，简化电磁场问题的求解。
01
02
矩量法在天线分析中的应用
利用矩量法可以精确计算天线的辐射模式和输入阻抗，广泛应用于复杂天线结构的设计与分析。
03
矩量法的计算步骤
从定义基函数和权函数开始，通过矩量法的步骤包括矩阵填充、求解线性方程组，最终得到场的近似解。
电磁场在工程中的应用
04
电力系统中的应用
利用电磁场理论优化输电线路布局，减少能量损耗，提高输电效率。
输电线路设计
电磁场传感器用于监测电力系统中的异常电磁场变化，及时发现故障并进行保护。
电力系统保护
变压器内部电磁场的变化是其能量转换的关键，通过电磁感应原理实现电压的升高或降低。
变压器工作原理
通信系统中的应用
电磁场用于无线通信，如手机信号和Wi-Fi，通过电磁波实现远距离信息传输。
无线信号传输
01
02
卫星利用电磁波与地面站进行通信，支持全球定位系
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