电磁场课件1电磁场模型场论基础旋度

联系：QQ：77899428电话：[phone]E-mail：[e-mail]望江基教B203室在近五年期间，先后参与研究国家863项目4项，主持研究国家自然科学基金项目1项，主持研究教育部博士点基金项目1项。以第一作者发表专业学术论文8篇，其中SCI收录2篇，期刊为IEEETransactiononMagnetics和IEEETransactiononPlasmaScience；EI收录论文有6篇；申请专利有2项。朱英伟，博士，电工理论与新技术专业，2006—2011年硕博连读于西南交通大学电气工程学院。研究方向主要为电磁发射技术、超导储能技术、运动导体涡流问题求解、电磁场数值计算与分析等。获得2012年度西南交通大学优秀博士学位论文称号；入选2012—2013年“四川大学青年骨干教师奖励计划”；2014年1月参加美国亚利桑那州立大学英语文化和教学培训；2014年7月至2015年7月在英国诺丁汉大学做访问学者一年。使用教材：《工程电磁场导论》—冯慈璋,马西奎，高教出版参考教材：《工程电磁场原理》《电磁场与电磁波》《电动力学》电子教案邮箱:账号：[e-mail]密码：1425362015平时表现×10%期末卷面×70%+实验成绩×20%+平时表现：1.每次上课前三分钟点名，到一次加5分，共50分；2.每次作业情况登记，交一次加5分，共50分；3.课堂表现，注意力集中，积极思考者，奖励分。NoPaining,NoGaining!期末成绩评定：！为什么要学《电磁场》？《电磁场》是电气信息类专业本科生应具备的基础理论知识，它是电气工程、自动化、通信、医学信息专业的技术基础课。学习目标：培养用场的观点对电气工程中的电磁现象和电磁作用进行定性判断与定量分析的初步能力。学习任务：阐明电磁场的基本概念、基本规律和基本分析计算方法，形成理论体系。电磁场是什么？在电荷、电流或磁体周围存在着一种“场”的物质，正是这种“场”传递着电或磁的作用，可以通过物理效应感受它的存在。带电体对电荷的作用电磁现象：闪电、磁石、电动机、手机、、、通电导线对磁针的作用INS我认为《电磁场》学什么？•四大类型场静电场、恒定电流场、静磁场、时变电磁场•四大定理（定律）高斯定理、磁通连续性原理、电磁感应定律、全电流定律•两种麦克斯韦方程组积分形式、微分形式•有关电、磁现象及其相互作用的场论。《电磁场》难学在哪里？理论性较强，抽象思维多；但逻辑严谨；模型定律多，数学公式多，但形式优美；运用演绎法、归纳法、类比法进行推理和论述。物理概念抽象；微积分、矢量分析多；数理方程求解复杂。我认为《电磁场》的特色：知难而进，其乐无穷！Nevergiveup！《电磁场》学习的建议：明确电磁现象，理解物理模型；熟悉定理规律，掌握数学描述；构建电磁方程，形成场论体系。课堂学习：听（上课认真听讲、跟上课程思路）记（记笔记、划重点、推演算）我以前学习《电磁场》的方法：课后自习：读（精读教材、归纳总结、自学思考）做（抄书、相互讨论问题、积极完成作业）衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴。《电磁场》如何学好？《电路》与《电磁场》的对比学习“场”的观点“路”的观点研究方法麦克斯韦方程组直流：代数方程；交流或瞬态：常微分方程数学方程高斯定理；电磁感应定律；磁通连续性原理；全电流定律欧姆定律；基尔霍夫定律（KVL、KCL）基本定律电场强度E，磁感应强度B电压u，电流i基本参量电荷、电流或磁体电阻、电感、电容基本元件源量、场量、场线电源、负载、导线、开关理想模型电磁场电路或者，电磁场与重力场的类比学习！第一节学习内容0引言1.1电磁场物理模型的构成1.2矢量分析1.3场论基础1.4麦克斯韦方程组0引言科学内涵和应用领域发展历程与发展简史电磁场理论的科学内涵和应用领域1.物理学的一个分支学科：电磁相互作用与统一场理论微观量子电磁现象及应用2.电气工程学科理论核心:电磁能量的产生转换电磁能量的传输和储存电磁场能的开发和应用电磁场理论的学科内涵3.无线电技术的理论基础：电磁场与物质相互作用信息传输新器件和系统信息获取新方法和技术国家自然科学基金对《电气科学与工程学科》的定义：•电气科学与工程学科包含电（磁）能科学、电磁场与物质相互作用两大领域以及电网络理论、电磁场理论、电磁测量等共性基础领域，所涉及的研究主要包括电能转换(含新能源与可再生能源的电能转换)、电机与电器、电力系统、电力电子器件与系统、超导电工、脉冲功率、高电压与绝缘、电工材料、放电与等离子体、电磁生物、电磁兼容、电磁环境、电磁测量、电力传动与运动控制、电网通讯与信息等。电工科学电力系统及其自动化技术高电压及绝缘技术电机及其控制技术电力电子技术新能源发电技术电工新技术智能电网人工智能及神经元网络固体介质击穿理论界面放电冲击波的传播过程电机在线监测与诊断电机物理场计算及优化设计电机结构、材料及原理的探索功率变换技术电力电子器件电力电子在电源技术中的应用高功率脉冲技术超导电工技术等离子体技术生物、医学中的电工技术电磁场对生态环境的效应电工科学电力系统及其自动化技术高电压及绝缘技术电机及其控制技术电力电子技术新能源发电技术电工新技术智能电网人工智能及神经元网络固体介质击穿理论界面放电冲击波的传播过程电机在线监测与诊断电机物理场计算及优化设计电机结构、材料及原理的探索功率变换技术电力电子器件电力电子在电源技术中的应用高功率脉冲技术超导电工技术等离子体技术生物、医学中的电工技术电磁场对生态环境的效应电工科学的分类结构图：1）电气工程领域（ElectricalEngineering）电磁能量的产生、转换、传输、分配和利用电力系统+电工设备设备：旋转电机、变压器、电容器、电抗器、互感器、开关设备等。系统：发电厂、输电线路、变电站、换流站等。电磁场的主要应用领域水力发电站发电机绕组2）电子与信息工程领域电磁信息的发送、传输、接收与转换通信与信息系统+电子与信息设备设备：电波设备、天线、雷达、卫星、光纤、大规模集成电路和芯片等。系统：各类通信系统（有线和无线）等。3）科学研究发现自然中的科学规律，反之利用发现的科学规律为人类服务。电子加速器、等离子体约束、核聚变、空间探测、生物电磁等。4）国家安全军事应用是创新的原动力。高功率电磁脉冲武器、电磁炮、电磁干扰、电子战等。DCS驱动线圈抛体线圈同轴线圈型电磁推进器•电磁发射器是借助电磁力推进加速抛体运动的装置。5）其他应用领域（工业、交通、医疗）电磁兼容、无损电磁探伤、磁悬浮、超导储能、核磁成像等。电磁场理论是理解、发展和实现一切与电磁现象与电磁效应相关技术必不可少的知识本源。电磁场的发展历程1.1电磁场物理模型的构成1.2矢量分析1.3场论基础电磁场是一种矢量场！理想化假设实际的电工、电子技术装置电路模型(一种具体的物理模型)电路模型：理想电路元件(R、L、C)及其组合理想电压源、电流源(e,i)分析问题以u，I为基本物理量给定激励(e,i)求响应(u,i)电路分析：1.1.1电磁场物理模型的构成电磁场分析：电磁场的物理模型：理想化的场源(q,i)连续媒质的场空间(、、及其相应的几何结构)分析问题以E、B、D、H为基本物理量(场量)给定源量(q,i),求场分布(E、B、D、H)理想化假设实际电磁装置中的电磁现象和过程电磁场的物理模型(数学关系方程)以上电磁场与电路分析的求解过程均可归结为：(1)给出与所分析的物理模型对应的基本规律性的数学描述（泛定方程）及其定解条件，即构造相应的数学模型；(2)运用相应的分析计算方法；(3)解出数学模型中的待求物理量，即得所分析问题的确定解。《电路》与《电磁场》的对比学习“场”的观点“路”的观点研究方法麦克斯韦方程组直流：代数方程；交流或瞬态：常微分方程数学方程高斯定理；电磁感应定律；磁通连续性原理；全电流定律欧姆定律；基尔霍夫定律（KVL、KCL）基本定律电场强度E，磁感应强度B电压u，电流i基本参量电荷、电流或磁体电阻、电感、电容基本元件源量、场量、场线电源、负载、导线、开关理想模型电磁场电路电磁场是矢量场，矢量场的性质由其旋度和散度确定.——通量源强度的量度F()1.1.2电磁场分析的数学模型SdqFS旋度是环量(矢量线积分)的面密度，散度是通量（矢量面积分）的体密度。通量：散度：——旋涡源强度的量度F()JldIFl环量：旋度：麦克斯韦方程组电磁场基本规律麦克斯韦方程组积分形式麦克斯韦方程组微分形式全电流定律电磁感应定律磁通连续性原理高斯定律tDHJtBE0BD()lSddtDHlJSlSddtBElS0SdBSSVddVDS电磁场分析的数学模型——EDHBEJ辅助方程：标量与矢量标量：只有大小，没有方向的物理量（长度、高度、温度等）矢量：既有大小，又有方向的物理量（力，电、磁场强度）矢量的表示方式矢量可表示为：其中，为其模值，表征矢量的大小；为其单位矢量，表征矢量的方向；AAAeAAeA矢量的几何表示1.2.1矢量代数1.2矢量分析注意：矢量印刷体加粗，如A，教材上符号即为印刷体。矢量手写体上加箭头，如A，不加箭头就成了标量，错误！AAAe矢量用坐标分量表示zAxAAyAzxyOzzyyxxeAeAeAA矢量A的代数表示：矢量A的模：单位矢量（方向矢量）：222xyzAAAAAcoscoscosAxyzeeee2.矢量的运算矢量相加和相减可用平行四边形法则求解：BAABBAABByyyxxxeBAeBABA)()(cosABxxyyzzABABABABAB矢量的点乘（标积）ABAB•若A⊥B，则A•B=0•若A∥B，则A•B=|A||B|sin()()()xyznABxyzxyzxyzzyyzxxzzxyyxeeeABeABAAABBBeABABeABABeABAB矢量的叉乘（矢积）sinABBABA•若A∥B，则A×B=0•若A⊥B，则A×B=|A||B|矢量函数的微分矢量函数的积分1.直角坐标系（x,y,z）点P(x0,y0,z0)0yy（平面）oxyz0xx（平面）0zz（平面）P直角坐标系xezeyexyz直角坐标系的长度元、面积元、体积元odzdydxzyeSxxdddyxeSzzdddzxeSyyddd1.2.2三种常用的正交坐标系dxdydzdVdSdxdy面微元：体微元：圆柱坐标系中的线元、面元和体积元圆柱坐标系2.圆柱坐标系(,,)zdVdddzdSddz面微元：体微元：球坐标系3.球面坐标系(,,)r2sindVrdrdd体微元：面微元：2sindSrdd1.2.3位置矢量与距离矢量（源点与场点）♥位置矢量——由坐标原点出发引向空间某一点的有方向线段，称为该点的位置矢量或矢径。设场点P的坐标为，则其模zyxzyxeeer222zyxr),,(zyx设源点P′的坐标为，则其模''''xyzxyzeeer''2'2'2rxyz'''(,,)xyz距离矢量(相对位置矢量)zyxzzyyxxeeerrR)()()(222)()()(zzyyxxRrr♥距离矢量——两位置矢量之间的相对位置矢量。场点P与源点P′之间的距离矢量为一般，源点矢量为已知量，场点坐标变化，则距离矢量为场点坐标的函数。R标量场与矢量场按物理量的性质标量场物理量为标量（温度场,电位场）φ=φ(x,y,z,t)矢量场物理量为矢量（速度、电场强度）A=A(x,y,z,t)场函数的引入：物理量（如温度、电场、磁场）在空间中以某种形式分布，若每一时刻每个位置该物理量都有一个确定的值，则称在该空间中确定了该