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1、电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠电磁场数值计算王泽忠Friday,March 10,20231华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠3/10/20232华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠Charles-Augustin de Coulomb(1736-1806)库仑库仑3/10/20233华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠Charles-Augustin
2、de Coulomb(1736-1806),a military civil engineer,retired from the French army because of ill health after years in the West Indies.Forced from Paris by the disturbances of the revolution,he began working at his family estate and discovered that the torsion characteristics of long fibers made them ide
3、al for the sensitive measurement of magnetic and electric forces.He was familiar with Newtons inverse-square law and in the period 1785-1791 he succeeded in showing that electrostatic forces obey the same rule.3/10/20234华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠Andr-Marie Ampre(1775-1836
4、)安培安培3/10/20235华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠Andr-Marie Ampre(1775-1836)was a child prodigy whose early life was marred by tragedy:Ampres father was beheaded in his presence during the Revolution and,later,his wife died four years after their marriage.As a scientist,Ampre had
5、 flashes of inspiration which he would pursue to their conclusion.When he learned of rsteds discovery in 1820 that a magnetic needle is deflected by a varying nearby current,he prepared within a week the first of several papers on the theory of this phenomenon,formulating the law of electromagnetism
6、(Ampres law)that describes mathematically the magnetic force between two circuits.3/10/20236华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠Michael Faraday(1791-1867)法拉第法拉第3/10/20237华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠Michael Faraday(1791-1867)was born in a village near Londo
7、n.His father was a migrant blacksmith often ill and incapable of providing for his four children.Faradays great opportunity came when he was offered a ticket to attend chemical lectures by Sir Humphrey Davy in London.Faraday went and sent a bound copy of his notes to Davy asking for employment.Farad
8、ay began as Davys laboratory assistant.It has been said that Faraday was Davys greatest discovery.Faraday became the greatest experimentalist in electricity and magnetism of the 19th century.He produced an apparatus that was the first electric motor and in 1831 he succeeded in showing that a magnet
9、could induce electricity.Queen Victoria rewarded his lifetime of achievement by granting him the use of a house at Hampton Court and a knighthood.Faraday accepted the cottage but rejected the knighthood.3/10/20238华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠James Clerk Maxwell(1831-1879)麦克斯
10、韦麦克斯韦3/10/20239华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠James Clerk Maxwell(1831-1879)came from a middle class Edinburgh family.He is ranked with Newton and Einstein for the fundamental nature of his many contributions to physics.Most importantly,he originated the concept of electromagn
11、etic radiation and his field equations(1873)led to Einsteins special theory of relativity,It is ironic that when in 1860 the University of Aberdeen was formed by a merger between Kings College and Marischal College where he held a post,Maxwell was redundant.He applied at the University of Edinburgh,
12、but was turned down in favor of another.He found it necessary to move to Londons Kings College.In 1871,Maxwell was appointed the first Cavendish professor of experimental physics at Cambridge.Maxwell died at forty-nine after a short illness.He was buried in Scotland in the family plot;there were no
13、public honors at his passing.3/10/202310华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠Heinrich Rudolf Hertz(1847-1894)赫兹赫兹3/10/202311华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠Heinrich Rudolf Hertz(1847-1894)was the first to broadcast and receive radio waves.Maxwells theory had be
14、en based on unusual mechanical ideas about the ether and had not been universally accepted.In 1884,Hertz rederived Maxwells equations by a new method,casting them in modern form.Then,between 1885 and 1889,as a professor of physics at Karlsruhe Polytechnic,he produced electromagnetic waves in the lab
15、oratory and measured their wavelength and velocity.He showed that the nature of their reflection and refraction was the same as those of light,confirming that light waves are electromagnetic radiation obeying the Maxwell equations.3/10/202312华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠Albe
16、rt Einstein(1879-1955)爱因斯坦爱因斯坦3/10/202313华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠Albert Einstein(1879-1955),one of the great geniuses of physics,grew up in Munich where his father and his uncle had a small electrical plant and engineering works.Einsteins special theory of relativity,fi
17、rst printed in 1905 with the title On the Electrodynamics of Moving Bodies had its beginnings in an essay Einstein wrote at age sixteen.The special theory is often regarded as the capstone of classical electrodynamic theory.3/10/202314华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠Gustav Robe
18、rt Kirchhoff(1824-1887)基尔霍夫基尔霍夫3/10/202315华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠Gustav Robert Kirchhoff(1824-1887),German physicist,announced the laws which allow calculation of the currents,voltages,and resistances of electrical networks in 1845 when he was only twenty-one.In furthe
19、r studies he demonstrated that current flows through a conductor at the speed of light.His other work established the technique of spectrum analysis which he applied to determine the composition of the Sun.3/10/202316华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠电磁场的工程应用领域1、机电能量转换 发电机、电动机、变压
20、器2、电力系统 传输线参数、线路结构、杆塔、绝缘子等3、通信 电磁波辐射、波导、微波，散射4、生物电磁学 辐射对人体影响、生物影响、治疗5、电磁兼容6、信息 计算机存储、磁带记录3/10/202317华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠地磁场、太阳耀斑、磁暴地磁场、太阳耀斑、磁暴3/10/202318华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠雷电雷电3/10/202319华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计
21、算算任课教师：王泽忠汽轮发电机汽轮发电机3/10/202320华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠水轮发电机水轮发电机3/10/202321华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠变压器变压器3/10/202322华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠变电站变电站3/10/202323华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王
22、泽忠雷达雷达3/10/202324华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠电磁波暗室（无反射）电磁波暗室（无反射）3/10/202325华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠电场脉冲模拟器电场脉冲模拟器3/10/202326华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠开阔地试验开阔地试验3/10/202327华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计
23、算算任课教师：王泽忠电场脉冲模拟器电场脉冲模拟器3/10/202328华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠磁悬浮分析For 1 cm levitation:For 1 cm levitation:Drive:Drive:Current 1320 ACurrent 1320 AFreq 400 kHzFreq 400 kHzCoil:Coil:Radius 1.0 cmRadius 1.0 cmWire 0.89 mmWire 0.89 mmCopper Ball:Copper Ball:Diameter 1 cmDiame
24、ter 1 cmMass 4.66 gMass 4.66 gRef:W.Brisley&B.S.Thornton:Brit.J.Appl.Phys.,v.14,p.682,1962 3/10/202329华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠Magnetic ForceReaction FieldLevitation Force(mN):Theory 45.72Lorentz 42.04 Maxwell Str 44.60 Virt Work 44.73提升力 3/10/202330华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁
25、兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠2-D Magnetostatics (2-D静磁场)电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠波导电磁场场分布波导电磁场场分布3/10/202332华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠HF Application example:同轴波导上波的传播3/10/202333华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠ANSYS/Emag:微波 Coax-to-Waveguide同轴电
26、缆同轴电缆波导波导输入口输入口输出口输出口3/10/202334华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠电磁场数值计算电磁场数值计算一、电磁场理论基础一、电磁场理论基础二、电磁场的边值问题二、电磁场的边值问题三、电磁场数值计算数学基础三、电磁场数值计算数学基础 1、泛函分析、泛函分析 2、变分法、变分法 3、变分原理、变分原理 4、加权余量法、加权余量法 5、伽辽金法伽辽金法 6、里兹法里兹法3/10/202335华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠三、有
27、限元法三、有限元法1、有限元的网格剖分有限元的网格剖分2、有限元的单元插值有限元的单元插值3、有限元的离散化有限元的离散化4、有限元方程组的求解有限元方程组的求解5、矢量有限元矢量有限元四、四、边界元法边界元法五、有限五、有限差分法差分法六、模拟电荷法六、模拟电荷法 七、七、ANSYS软件简介软件简介八、八、工程电磁场分析工程电磁场分析举例3/10/202336华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠电磁场模型：电磁场模型：1、源模型、源模型2、媒质模型、媒质模型3、场域模型、场域模型电磁场问题：电磁场问题：1、正问题（内问题
28、、外问题）、正问题（内问题、外问题）2、逆问题、逆问题3/10/202337华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠一、电磁场理论基础一、电磁场理论基础1、静电场的基本原理、静电场的基本原理库仑定律库仑定律电场强度电场强度点电荷点电荷线电荷线电荷面电荷面电荷体电荷体电荷库仑扭秤实验库仑扭秤实验试验电荷试验电荷3/10/202338华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠静电场的环路定理静电场的环路定理高斯通量定理高斯通量定理辅助方程辅助方程线性材料线性材料？各
29、向同性材料各向同性材料？均匀材料？均匀材料？3/10/202339华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠2、恒定电流场的基本原理电流连续性定理恒定电场的环路定理辅助方程电动势包括库仑电场强度和包括库仑电场强度和据外电场强度据外电场强度3/10/202340华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠3、恒定磁场的基本原理安培定律电流元对电流元电流元对电流元线圈对电流元线圈对电流元线圈对线圈线圈对线圈（可测量）（可测量）3/10/202341华北电力大学（北京）电
30、力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠磁感应强度点电流点电流线电流线电流面电流面电流体电流体电流3/10/202342华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠磁通连续性定理安培环路定理辅助方程磁化强度磁化强度磁场强度磁场强度3/10/202343华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠4、时变电磁场的基本原理法拉第电磁感应定律磁链磁链磁通代替磁磁通代替磁链链微分形式微分形式3/10/202344华北电力大学（北京
31、）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠麦克斯韦位移电流全电流定律运流电流运流电流位移电流位移电流传导电流传导电流3/10/202345华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组3/10/202346华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠电磁场理论总结电磁场理论总结库仑定律库仑定律安培定律安培定律法拉第定律法拉第定律位移电流假设位移电流假设电磁学三大实验定律电磁学三大实验定律3/10
32、/202347华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠问题：1：静电场的基本物理量？2：静电场的基本方程？3：恒定电流场的基本物理量？4：恒定电流场的基本方程？5：恒定磁场的基本物理量？6：恒定磁场的基本方程？7：时变电磁场的基本方程？8：基本物理量的分界面条件？9：电磁场的源及其分布形式？3/10/202348华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠电磁场问题：电磁场问题：正问题：已知源、材料、边界条件。正问题：已知源、材料、边界条件。逆逆问问题题：已已知知部部分分场场，部部分分源源、部部分分材材料料、部分边界条件。部分边界条件。3/10/202349华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所电电 磁磁 场场 数数 值值 计计 算算任课教师：王泽忠主要数值计算方法：主要数值计算方法：1、有限元法（微分方程变分法）、有限元法（微分方程变分法）2、时域有限差分法（微分方程差分法）、时域有限差分法（微分方程差分法）3、矩量法（积分方程法）、矩量法（积分方程法）3/10/202350华北电力大学（北京）电力工程系高电压与电磁兼容研究所