电磁学
什么是电磁学?
电磁学属于工程领域,传统上来说,人们是通过分属于众多子领域(例如静电学或光学)的专业术语和设备来逐渐了解电磁学的。静电设置中使用的设备(如电容器)和光学器件(如光纤)几乎没有共同之处,尽管它们的特性有很大的差异,但所有这些应用基本上都用麦克斯韦方程组进行描述。在工程应用中,这些方程几乎总是需要使用其他定律作为补充,通过这些定律来描述电磁场与介质相互作用的方式。下表列出了麦克斯韦方程组的微分形式:
方程名称微分形式
麦克斯韦-安培定律
法拉第定律
高斯定律
高斯磁定律
我们将在以下各个章节中介绍这些方程的含义。
在实际应用中,我们很少需要考虑可能发生的所有电磁现象。相反,我们往往是通过分析各种特殊情况来获取对电磁学更实际的理解,其中包括静电、恒定电流、静磁、准静态交流电、电感现象、微波工程和光学。
静电学
静电学是电磁学的一个子领域,研究静(非运动)电荷引起的电场。静电学是麦克斯韦方程组的近似表述,只能用于描述完全以介电常数(有时称为电容率)表征的绝缘材料或电介质材料。在执行静电分析时,我们首先从分析中去除所有导电材料(通常是金属),然后从电介质材料的角度将金属表面视为外部边界。静电分析的典型输入和输出汇总如下:
输入符号几何位置
相对介电常数体
电位导电边界
表面电荷密度边界
体电荷密度体
极化体
输出符号几何位置
电位体
悬浮电位导电边界
表面电荷密度导电边界
电场体
电位移场体
电容矩阵全局
静电力全局
请注意,在静电分析中,我们将所有电荷都视为静止,因此没有电流输入或输出。在某些情况下,体电荷密度也可以作为分析的输出。
平行板电容器周围整个体的电位和电场横截面视图。图中用填充等值线表示电位,并通过标签表明电位水平。电场显示为具有对数比例的箭头。电位还受到远处周围介质的影响(图中未显示)。
平行板电容器周围整个体的电位和电场横截面视图。图中用填充等值线表示电位,并通过标签表明电位水平。电场显示为具有对数比例的箭头。电位还受到远处周围介质的影响(图中未显示)。
静电分析的典型应用是电容器件和传感器(如触摸屏)的电容计算,以及绝缘体、MEMS 加速度计和 MEMS 陀螺仪