电磁能量

前言

电磁能量主要符号说明

第1章 导论

1.1 电磁能量概述

1.1.1 场与能

1.1.2 电磁场量

1.1.3 电磁单位制

1.1.4 电磁能量

1.2 电磁能量的分析方法

1.3 电磁能量的学习方法

思考题与习题

第2章 矢量分析

2.1 矢量及其代数运算

2.1.1 正交坐标系统

2.1.2 矢量代数及其运算

2.1.3 空间微元

2.2 标量场的方向导数和梯度

2.3 矢量场的环量和旋度

2.4 矢量场的通量和散度

2.5 矢量场的重要性质

2.6 矢量场的分类

2.7 矢量场的唯一性定理

2.8 泊松方程的解

思考题与习题

第3章 静电学

3.1 场源

3.2 库仑定律

3.3 电场强度

3.4 电位移矢量

3.5 标量电位

3.6 标量电位的方程

3.7 电介质材料的极化

3.8 静电场中的导体

3.9 静电场的交界面衔接条件

3.10 静电场问题求解

3.10.1 直接积分法

3.10.2 高斯定理法

3.10.3 一维泊松方程问题

3.11 镜像法

3.12 格林函数法

3.13 复变换法

3.14 分离变量法

3.14.1 直角坐标系中的分离变量法

3.14.2 圆柱坐标系中的分离变量法

3.14.3 圆球坐标系中的分离变量法

3.15 静电场的能量

3.15.1 静电系统能量

3.15.2 静电系统电场力

3.16 电容器及其储能

思考题与习题

第4章 恒定电流电场

4.1 电流及其密度

4.2 恒定电流电场的特性

4.3 恒定电流电场的交界面衔接条件

4.4 电阻器及其电阻

4.5 静电比拟

4.6 非均匀介质问题

思考题与习题

第5章 静磁学

5.1 洛仑兹力

5.2 安培定律

5.3 毕奥-萨伐尔定律与磁感应强度

5.4 磁场强度

5.5 磁位

5.5.1 矢量磁位

5.5.2 标量磁位

5.6 磁介质特性

5.6.1 磁性材料

5.6.2 磁介质的磁化

5.7 磁化介质产生的磁场

5.7.1 磁偶极子产生的远场

5.7.2 磁化介质产生的矢量磁位与磁化电流

5.7.3 磁化介质产生的标量磁位与磁荷

5.8 静磁场的交界面衔接条件

5.9 电抗器及其电感

5.10 静磁场能量

5.11 磁场力

5.12 磁路

5.13 静磁屏蔽

思考题与习题

第6章 时变电磁场

6.1 麦克斯韦方程组

6.1.1 法拉第电磁感应定律

6.1.2 高斯定理

6.1.3 全电流定律

6.1.4 磁通连续性原理

6.1.5 麦克斯韦方程组的微分和积分形式

6.2 材料的本构关系

6.3 时变场的交界面衔接条件

6.4 电磁场的波动性

6.4.1 电磁场量的波动性

6.4.2 动态位函数的波动性

6.5 时变电磁场的能量

6.6 时谐电磁场

6.7 准静态电磁场

6.7.1 准静态电磁场的概念

6.7.2 准静态电场

6.7.3 准静态磁场

6.7.4 准静态时变电路理论

6.7.5 涡流及其损耗

6.7.6 电磁屏蔽

6.8 自旋电子学

6.9 电磁能量转换装置

思考题与习题

第7章 均匀平面电磁波

7.1 理想媒质中的平面电磁波

7.1.1 平面电磁波的传播特性

7.1.2 任意方向传播的平面电磁波

7.2 有损媒质中的平面电磁波

7.3 平面电磁波的极化

7.3.1 沿z轴正方向传播的平面电磁波极化

7.3.2 不沿坐标轴方向传播的平面电磁波极化

思考题与习题

第8章 传输线

8.1 概述

8.2 传输线分布参数模型

8.3 传输线方程

8.4 无耗均匀传输线

思考题与习题

第9章 超导电磁能量

9.1 历史回顾

9.2 超导特性

9.2.1 零电阻特性；

9.2.2 麦纳斯效应

9.2.3 磁通量子化和约瑟夫逊效应

9.2.4 超导临界状态参数

9.3 伦敦方程

9.3.1 二流体模型

9.3.2 伦敦方程

9.3.3 伦敦方程的应用

9.4 超导体应用

9.4.1 超导磁体（SM）

9.4.2 超导磁浮（SML）

9.4.3 超导故障电流限制器（SFCL）

9.4.4 超导能量存储、传输和转换装置

思考题与习题

附录

附录A 矢量恒等式

附录B 典型圆球面积分公式推导

附录C 标量电位与矢量磁位比较

附录D 电偶极子与磁偶极子比较

参考文献

本书介绍了电磁能量的基本内容，包括静电能量与电容器、恒定电流电场与导体欧姆损耗、静磁能量与磁路、时变电磁能量与坡印亭定理、准静态场与电路理论、涡流及其损耗、自旋电子学基础、均匀平面电磁波的传播特性与极化方式、传输线理论和超导电磁能量。较为系统地介绍了各种电磁能量问题的解析法求解方法，教材内容重在基础知识和方法，并紧紧围绕新技术发展趋势。同时在各章中给出了丰富的例题，便于读者掌握基本概念和理论，并且每章都附有思考题与习题，可供读者选择。该书适于作为高等学校电类专业的本科生教材，也可供从事电磁理论和应用等领域工作的专业人员参考阅读。

电磁辐射所衍生的能量，取决于频率的高低和强度的大小。一般而言，频率愈高，强度越大，能量就愈大。高频率（短波长）电磁波的光子会比低频率（长波长）电磁波的光子携带更多的能量。一些电磁波的每个光子携带的能量可以大到拥有破坏分子间化学键的能力。频率极高的X光和伽玛射线可产生较大的能量，能够破坏构成人体组织的分子。事实上，X光和伽玛射线的能量之巨，足以令原子和分子电离化，故被列为“电离”辐射。这两种射线虽具医学用途，但照射过量将会损害健康。X光和伽玛射线所产生的电磁能量，有别于射频发射装置所产生的电磁能量。射频装置的电磁能量属于频谱中频率较低的那一端，不能破解把分子紧扣一起的化学键，光子的能量不足以破坏分子化学键，故被列为“非电离”辐射。组成我们现代生活重要部分的一些电磁场的人造来源，像电力（输变电、家用电器等）、微波（微波炉、微波信号发射塔等）、无线电波（手机移动通信、广播电视发射塔等），在电磁波谱中处于相对长的波长和低的频率一端，它们的光子没有能力破坏化学键。因此，此类电磁波为非电离性电磁场，对人体影响为即时性，类似声波影响，而电离对人体影响为累积性。

电磁辐射分两个级别，工频段辐射、射频电磁波。工频段国家标准电场强度为4000v/m，磁感应强度为0。1mT；射频电磁波的单位是μW/㎝2，国家标准限值为40，对于一般公众环评取值为其20%。

电磁波是由光子组成的，宇宙深处的星体发射的电磁波含有大量光子，光子在传递过程中由于分散，距离星体越远，单位时间内单位面积上获得的光子数越少，表现为电磁波的能量的衰减。而电磁波频率的改变量很小。

自然界中各类辐射源的电磁波谱是相当丰富、相当宽阔的，与光电子成像技术直接有关的是其中的X线，紫外线，可见光线，红外线和微波等电磁波谱，它们的特征参量是波长λ、频率f和光子能量E。三者的关系是f=c/λ，E=hf=hc/λ和E=1.24/λ，式中，E和λ的单位分别是eV（电子伏）和μm，h为普朗克常数（6.6260755X10 J·S）；c为光速，其真空中的近似值等于

对x线，紫外线，可见光和红外线，常用μm、nm表示波长；对无线电频谱，用Hz或m来分别表示其频率和波长；对高能粒子辐射，常用eV表示能量。

由物理学可知，“辐射”的本质是原子中电子的能级跃迁并交换能量的结果，低能级电子受到某种外界能量激发，可跃迁至高能级，当这些处于不稳定状态的受激电子落入较低能级时，就会以辐射的形式，向外传播能量。上述E=1.24/λ，正好将辐射的波长λ与其能量E联系起来。例如，E高-E低=1.24eV时，辐射的波长λ=1μm。2100433B

物质运动的一般量度，可解释为物质做功的能力，简称能。能的基本形式有机械能(动能与势能的总称)、热能、化学能、电能、核能、光能等。它们分别是机械运动、分子热运动、化学反应、电磁作用、原子核与基本粒子运动所具有的能量。能量的单位与功的单位相同，工程中常用单位有千焦耳(kJ)、千瓦·小时(kW·h)等。

能量可以在物质之间传递，这种传递过程就是做功或传递热量的过程。在传递过程中，若物质运动方式发生变化，能量形式也同时发生转换。例如，物体向上运动时，因克服重力而减慢速度，损失的动能转换为势能;当物体返回地面时，速度加快，势能又转换成动能;河水冲击水轮发电机组做功的过程，就是将河水的势能和动能传递给水轮发电机组并转换为电能的过程;热力发电，则是将燃料的化学能借助热力发电装置先后转换为热能和机械能，并最终将机械能转换为电能的过程。

电能和磁能总是紧密联系的。运动的电荷产生磁场，变化的磁场产生电场，因而可以使机械能和电能相互转换。电能是现代最常用的一种能量。它的传输、转换和利用最为方便、效率很高。因此，电能已成为发展国民经济、改善人民生活、促进社会进步不可缺少的能源。

能量的传递还能以粒子相互作用或以辐射的方式在空间传播(如电磁波的传播)，光是电磁辐射最常见的一种。无线电波、红外线、X射线等都是能的辐射传播。