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貌阳孔
5 years ago
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1 工工程电磁场程电磁场绪论南京航空航天大学王世山

2 绪论 1. 场 2. 电场磁场及统一的电磁场 3. 电磁场的发展与应用展望 4. 电磁场的工程性 5. 与其它学科的关系 6. 学期计划 7. 参考文献

3 1 场 (1) 数学矢量 : F=F(r,t) 标量 : F=F(r,t) 空间矢量时间空间的函数, 时间的函数给定区域各点数值的集合, 概括了区域内某一特定量特性如 : 温度标量场 T=T(r), 流体速度场 v=v(r,t), 重力场 F(r,t)

4 (2) 物理动态性 : 限定空间区域, 存在着某种效应卫星克服地球引力而存在的重力场自然界的热电磁分别对应温度场电场和磁场场特性需一定物理量 ( 场量, 如上所述的函数 ) 描述, 如温度重力电场强度应力位移流速研究场的目的 : 寻找这种函数, 寻找该类效应, 由此而解决一定的问题

5 2 电场磁场及统一的电磁场 (1) 电场存在电荷周围, 对引入电荷有机械力 (2) 磁场存在通电导线周围, 对引入运动电荷 ( 电流 ) 有机械力同点 : 电荷的效应, 磁场是一个别名异点 : 电场力只与电荷大小有关, 磁场力与电荷的运动状态有关

6 (3) 统一的电磁场电场与磁场互相依赖和制约, 互为源泉变化的电场可以产生磁场, 变化的磁场可以产生电场, 在空间产生电磁波

7 3 电磁场的发展与展望 3.1 早期发展大致历程中国的指南针世界上第一个系统阐述电磁现象 :( 英 ) 吉尔伯特, 1600 年, 论磁 1733 年,( 法 ) 迪费, 摩擦起电, 玻璃和琥珀分别带电, 同性相斥, 异性相吸 1747 年,( 美 ) 富兰克林, 定义正电和负电, 总结电荷守恒定律 1785 年,( 法 ) 库仑, 扭秤实验, 静电力和磁极力都遵循平方反比率

8 1820 年,( 丹 ) 奥斯特, 电流的磁效应, 打开了电应用的新领域 1825 年, 斯特金发明电磁铁, 电的应用创造了条件 1833 年, 高斯和韦伯制造出了第一台简陋的单线电报机 1861 年, 贝尔, 发明电话 1831 年,( 英 ) 法拉第发现电磁感应现象, 为能源的开发和利用开创了崭新前景, 提出场的概念 1866 年, 西门子, 发明了可供实用的自激发电机 19 世纪末, 电能的远距离输送实现, 电动机在生产和交通运输中得到广泛使用, 极大改变了工业生产的面貌

9 1861 年起, 麦克斯韦对法拉第的力线进行数学化 1873 年, 建立了经典电磁理论方程组麦克斯韦方程组提出了涡旋电场和位移电流假说, 预言了电磁波的存在, 计算了电磁波的传播速度, 证明了光是一种电磁波 1893 年,( 德 ) 赫兹实现了电磁波的发送和接收 ; 证明了电磁波具有反射折射干涉衍射等性质, 为麦克斯韦理论的确立给出了权威性的证明实现了物理学大综合电磁光的综合电磁理论 : 扩展了人类认识自然范围, 认识到场和实物是物质存在的两种形式, 是人类对自然界认识的又一次大跨越 ; 人类生活方式从机械化变为电气化, 发电机和电动机的发明, 实现了机械能热能光能和电能间的相互转化

10 1893 年,( 美 ) 特斯拉, 发明无线电信号传输系统 1895 年,( 美 ) 特斯拉, 发明机械振荡器和电振荡发生器 1895 年,( 俄 ) 波波夫, 发明了无线电收发报机 1895 年,( 意 ) 马可尼, 电磁波通讯试验, 获无线电报专利 1904 年,( 英 ) 弗莱明发明了二极管 1906 年,( 美 ) 德福雷斯特, 发明了三极管 1906 年,( 美 ) 费森登, 应用调制技术, 实现了无线有声广播 1908 年,( 英 ) 肯培尔, 提出电子扫描原理, 奠定了现代电视技术的基础无线电技术在通讯领域得到广泛应用, 人类向信息化时代迈出了第一步

11 3.2 麦克斯韦对电磁场理论的推进麦克斯韦电磁场理论体系, 是在继承和发展法拉第思想和观点的基础上逐步探索向前推进的, 其发展主要体现在三篇论文中 1855 年, 论法拉第的力线, 认为场的力线图象反映空间各点的连续变化, 每一点对应一个或一组矢量, 引入一种新的矢量函数来描述电磁场推导出电流四周的磁力线与磁力之间的关系, 表示描述电流和磁力线的一些物理量之间的定量关系的微分方程, 以及电流间作用力和电磁感应定律的定量公式将法拉第的力线概念由一种直观的想象上升为科学的理论

12 年, 论物理力线, 为对电学量和磁学量之间的关系物理解释, 设计电磁作用力学模型引进了位移电流概念变化的电流不再象管中的流水被完全限制起来, 它能够以一定的分量进人导线周围空间 1864 年 12 月 8 日, 电磁场的动力学理论首次提出电磁场能量局域性概念 ; 导出了电磁场能量密度总能量方程 ; 建立了电磁场方程 1873 年麦克斯韦出版了科学名著电磁学通论, 系统全面完美地阐述了电磁场理论

13 3.3 赫兹加速了经典电磁场理论的发展和完善消除麦克斯韦理论中基本概念的混乱, 重新推导和论证了静止物体电磁学基本方程组建立运动物体电磁学基本方程组, 引伸和拓展了麦克斯韦电磁场理论 1888 年, 实验证明了电磁波的存在, 电磁场理论被普遍接受

14 Maxwell 方程组 H = E = B = 0 J + B t C D t 全电流定律电磁感应定律磁通连续性原理 D = ρ 高斯定律 Maxwell 电磁场理论是十九世纪物理学中的最伟大成就, 是继牛顿力学之后物理学史上又一次划时代的伟大贡献, 它的建立标志着电磁学的发展达到了一个新阶段, 为电工学和电子技术等的应用提供了基础, 对生产实践和人类文明都起到了巨大作用

15 3.4 电磁场理论的应用展望 ( 举例 ) 电磁场理论是日趋发展的电工电子信息技术的理论基础, 军事生态医疗天文地质等众多领域新技术的生长点材料科学金属材料熔炼熔体提纯组织细化控制熔体凝固与成型制造复合材料电磁加工过程的控制材料组织和性能的改善, 无污染操作方便和效果显著等

16 军事领域电磁波能量来破坏敌方设施的电磁武器电磁波传输能技术使传统的飞行器推进技术发生变革电磁炮

17 骨电磁重建电磁学和生物学结合起来交叉领域, 用组织工程方法来制造人造骨, 具有临床应用价值工程地质勘探电磁法勘察是工程地质勘探中一项比较新的勘察方法城市及公路照明电磁感应无极灯, 高新技术产品, 以高频感应磁场将能量耦合到灯泡内, 形成等离子体, 自发辐射出 254nm 的紫外线, 灯泡内壁荧光粉受紫外线激发而发出可见光

18 4 电磁场的工程性 (Engineering) 电磁感应定律 : 开创了人类进入电气化时代的新纪元电磁波的存在展示了信息时代的前景电力设备, 过热振动损耗等问题, 要求电磁场数值计算及其逆问题的优化雷达卫星通信电视接收遥感遥测和遥控技术, 提出电磁波的一系列问题新技术 : 电磁兼容生物电磁场电磁医疗及设备无损检测磁悬浮超导

19 绝缘子电场分布 (V) (V/m) 绝缘子主体剖分电位分布电场强度

20 变压器短路时线匝轴向振动线匝振动位移的分布规律

21 电力变压器磁场 - 铁芯线圈中的磁力线分布铁芯中磁场远高于其它区域线圈存在漏磁, 因此线匝要受到磁场力

22 电力变压器短路时线圈受力 A B C 三内线圈永远受压力, 外线圈受到张力不同的时刻, 其受力的值不同

23 避雷器内部电场强度阀片垫片阀片垫片阀片垫片阀片垫片 (A) 最上端芯体内的电场强度 (B) 最下端

24 电抗器设计剖分剖分概貌全图线圈部分剖分

25 电流互感器电场分布 (V) (V) (V/m) 电位电场强度

26 分压器等效电路的建立来波 R d L d 传输线 n C n R s C s 0 L s n-1 C n- 1,n R s L s C s C m C m 0 1 m R s L s C s n C 0 n 500kV 电阻分压器等效电路 0

27 PCB 电磁干扰场强分布

28 5 与其它学科 ( 课程 ) 的关系 (1) 高等数学 : 微积分是工具 (2) 工程数学矢量分析与场论 : 矢量标量及其运算, 承上梯度散度旋度, 各类积分 (3) 计算机技术 : 熟悉计算机语言或相关软件 (4) 普通物理 : 电磁学基本概念的建立 (5) 电路 : 是积分观点, 场是微分观点

29 (6) 电机学 : 为电机的设计制造, 优化提供工具, 分析其中的电磁过程启下 (7) 电器原理 : 电力设备中的电磁现象 (8) 电力电子 : 分析其中的电磁干扰 (9) 电力工程 : 高电压技术电力系统稳态电力系统暂态电力系统继电保护

30 6 学期计划目标掌握电磁场的基本理论, 为学习本专业相关课程中的电磁问题提供一定的理论知识初步了解电磁场数值计算的应用, 能够编写解决简单电磁场问题的程序学会查阅相关中英文资料

31 6 学期计划内容电磁场的发展历史, 简单矢量理论, 静电场, 恒定电场, 恒定磁场, 时变场 Matlab 软件一种数值计算 FDM, 编写程序实现南航网站 : 中国期刊网 IEEE/IEE Explore 查找相关电磁场资料

32 6 学期计划实施课堂讲授为主 : 总共 40 学时, 复习 2 学时, 无实验课外阅读 : 同步指定参考书, 但非习题集作业 : 习题, 大作业 (3-4 个 ), 不主张题海战考核 : 期末 ( 闭卷,75-80%)+ 平时及大小作业 (20-25%) 答疑 : 待定, 商议考试时间 :

33 学习建议 (1) 最好提前将 PPT 打印, 课堂做到消化, 不要忙于抄笔记, 可以在 PPT 上做标记 (2) 课堂练习很重要, 每次上课带上稿纸准备练习, 争取当堂消化, 减少课后学习时间 (3) 课堂可以随时举手发问 (4) 无论是课堂还是课后作业, 希望独立或者讨论完成, 期末试题类似形式

34 7 参考文献 [1] 陈熙谋, 陈秉乾. 电磁学定律和电磁场理论得建立和发展 [M]. 高等教育出版社, [2] 徐在新. 宓子宏. 从法拉第到麦克斯维 [M]. 北京 : 科学出版社,1986. [3] M.H. 沙摩斯. 物理史上的重要实验 [M]. 北京 : 科学出版社,1985. [4] 倪光正. 工程电磁场原理 [M]. 北京 : 高等教育出版社,

35 Release

考试时间课程名称级人数考试地点机械工程 17 级卓越 1 30 D-386 机械工程 17 级卓越 2 30 D-386 自动化 17 级 1 30 D-3108 自动化 17 级 2 30 D-3108 电子信息工程 17 级 1 32 C-170 电子信息工程 17 级 2 32 C-242

考试时间课程名称级人数考试地点机械工程 17 级卓越 1 30 D-386 机械工程 17 级卓越 2 30 D-386 自动化 17 级 1 30 D-3108 自动化 17 级 2 30 D-3108 电子信息工程 17 级 1 32 C-170 电子信息工程 17 级 2 32 C-242 考试时间课程名称级人数考试地点纺织工程 17 级 1 26 D-282 纺织工程 17 级 2 28 D-282 纺织工程 17 级 3 29 D-284 纺织工程 17 级 4 29 D-284 纺织工程 17 级 5 28 D-286 纺织工程 17 级 6 26 D-286 高分子材料与工程 17 级 1 31 C-142 非织造材料与工程 17 级 1 24 D-2108 纺织工程 17