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北航课件电磁学

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目录

壹

电磁学基础概念

贰

电磁场理论

叁

电磁学应用领域

肆

电磁学实验与实践

伍

电磁学课程教学方法

陆

电磁学前沿研究

电磁学基础概念

第一章

电磁学定义

电磁场是电磁力作用的区域，由电场和磁场组成，是电磁学研究的核心对象。

电磁场的概念

麦克斯韦方程组是描述电场和磁场如何随时间和空间变化的基本方程，是电磁学的理论基础。

麦克斯韦方程组

电磁波是电场和磁场相互垂直并以光速传播的波动，是电磁辐射的基本形式。

电磁波的性质

01

02

03

基本物理量

电压

电荷量

01

03

电压是推动电荷流动形成电流的电势差，单位是伏特，是电路中电能转换的关键因素。

电荷量是描述物体带电多少的物理量，以库仑为单位，正负电荷相互作用产生电力。

02

电流强度表示单位时间内通过导体横截面的电荷量，单位是安培，是电磁学中的核心概念之一。

电流强度

静电场基础

静电场由静止电荷产生，电场强度与电荷量成正比，与距离平方成反比。

电荷与电场的概念

描述了点电荷间相互作用力的大小，力与电荷量的乘积成正比，与距离平方成反比。

库仑定律

电势能是电荷在电场中由于位置不同而具有的能量，电势是单位电荷在电场中的电势能。

电势与电势能

高斯定律表明通过任何闭合曲面的电通量与该闭合曲面内部的总电荷量成正比。

高斯定律

电磁场理论

第二章

麦克斯韦方程组

麦克斯韦方程组由四个基本方程构成，描述了电场、磁场与电荷、电流之间的关系。

01

麦克斯韦方程组预言了电磁波的存在，指出变化的电场能产生磁场，反之亦然，从而形成电磁波。

02

方程组中的法拉第电磁感应定律说明了时间变化的磁场如何产生电场，是发电机和变压器工作的基础。

03

麦克斯韦引入位移电流概念，修正了安培环路定律，解释了电流变化时电场的连续性问题。

04

麦克斯韦方程组的组成

电磁波的产生与传播

法拉第电磁感应定律

安培环路定律的修正

电磁波的传播

电磁波是由振荡的电场和磁场相互感应产生的，例如无线信号的发射过程。

电磁波的产生

电磁波在传播过程中电场方向的变化称为极化，如手机信号的水平或垂直极化。

电磁波的极化现象

电磁波在真空中的传播速度是光速，约为3×10^8m/s，是宇宙中最快的速度之一。

电磁波的传播速度

电磁波可以在真空中传播，也可以通过介质如空气或导体传播，例如无线电波通过空气传播。

电磁波的传播方式

电磁波的频率和波长成反比，频率越高，波长越短，例如微波和X射线的波长差异。

电磁波的频率与波长

辐射与散射

电磁辐射是能量以电磁波形式传播的现象，如无线电波、微波等。

电磁辐射的基本概念

电磁波在遇到不同介质时会发生散射，如大气中的水滴和尘埃会散射阳光形成蓝天。

电磁波的散射效应

散射分为瑞利散射、米氏散射等，根据散射粒子大小和波长关系不同而分类。

散射现象的分类

在无线通信中，电磁波的辐射和散射被用于信号的传播和接收，如Wi-Fi和手机信号。

辐射与散射在通信中的应用

电磁学应用领域

第三章

无线通信原理

无线通信依赖于电磁波的传播，如无线电波通过大气层传输信息。

电磁波的传播

01

调制技术如AM和FM，用于在无线信号中编码信息，确保数据传输的准确性和效率。

信号调制技术

02

天线是无线通信的关键部件，设计不同类型的天线可优化信号的发送和接收。

天线设计与应用

03

无线信号在传播过程中会遇到多径效应，需通过技术手段管理干扰，保证通信质量。

多径效应与干扰管理

04

电磁兼容性

在电子设备中，通过屏蔽和滤波技术减少电磁干扰，确保设备正常运行。

电磁干扰的控制

对电子产品进行严格的电磁兼容性测试，确保其在复杂的电磁环境中稳定工作。

电磁兼容性测试

设计阶段考虑电磁兼容性，采用合理的布线和接地策略，避免设备间的相互干扰。

电磁兼容性设计

电磁感应应用

电力传输

电磁感应原理在电力变压器中得到广泛应用，实现电压的升高或降低，以适应不同用电需求。

01

02

电动机运作

电动机利用电磁感应原理，通过电流产生磁场，进而驱动机械部件旋转，广泛应用于工业和交通领域。

03

无线充电技术

无线充电技术基于电磁感应原理，允许电子设备在不接触充电器的情况下进行充电，如智能手机无线充电板。

电磁学实验与实践

第四章

实验设备介绍

电磁波发生器用于产生不同频率的电磁波，是研究电磁波传播特性的基础设备。

电磁波发生器

示波器能够实时显示电压变化，是分析和测量电磁信号波形的重要工具。

示波器

霍尔效应实验装置用于验证霍尔效应，测量载流导体在磁场中的霍尔电压。

霍尔效应实验装置

电磁铁通过电流产生磁场，是研究电磁感应和磁场分布的关键实验设备。

电磁铁

实验操作流程

在开始实验前，确保所有仪器设备如电源、导线、电磁铁等都已正确连接并检查无误。

准备实验设备

使用万用表等