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电磁学

2025-09-16

电磁学(electromagnetism)是研究电磁现象的规律和应用的物理学分支学科,起源于18世纪。广义的电磁学可以说是包含电学和磁学,但狭义来说是一门探讨电性与磁性交互关系的学科。主要研究电磁波电磁场以及有关电荷、带电物体的动力学等等。

分支

理论

00001. 1.
静电磁学(静态电磁学)

研究内容:静态(不随时间变化)的电场和磁场,包括静电场(库仑定律、高斯定理、电势分布)、静磁场(安培定律、毕奥 - 萨伐尔定律、磁通量)。

核心问题:电荷 / 电流分布与场的关系、导体 / 电介质在静场中的行为。

00002. 2.
时变电磁学(动态电磁学)

研究内容:随时间变化的电场与磁场,以及电磁感应(法拉第定律)、位移电流(麦克斯韦修正安培定律)、电磁波的产生与传播。

核心工具:麦克斯韦方程组(描述电磁场动态行为的统一理论),涵盖波动方程、坡印廷定理等。

应用

00001. 1.
电路理论与网络分析

研究内容:集总参数电路(电阻、电容、电感、电源等元件)的电流、电压关系,基尔霍夫定律、欧姆定律、交流电路(阻抗、相位分析)、暂态过程(RC/RL 电路响应)。

应用领域:电子电路设计、电力系统分析、集成电路(IC)原理。


00002. 2.
电磁波与微波技术

研究内容:高频电磁波(微波、射频、光频)的产生、传输、辐射与接收,包括波导理论、天线设计(辐射方向图、阻抗匹配)、谐振腔、雷达原理。

应用场景:无线通信(5G/6G)、卫星通信、雷达探测、微波炉、光通信(光纤传输)。

00003. 3.
电磁测量与仪器

研究内容:电磁量(电压、电流、电阻、电容、电感、磁场强度等)的高精度测量方法,涉及传感器原理(如霍尔效应测磁场)、测量误差分析、仪器校准(示波器、频谱分析仪、电桥)。

关键技术:微弱信号检测、高频测量、非接触式测量(如电磁感应测厚)。

00004. 4.
电磁兼容(EMC)与电磁环境

研究内容:电磁干扰(EMI)的产生、传播与抑制,确保电子设备在复杂电磁环境中正常工作,包括接地设计、屏蔽技术、滤波电路、电磁辐射安全标准(如欧盟 CE 认证)。

应用挑战:高速数字电路的信号完整性、车载电子设备的抗干扰设计。

材料与介质

00001. 1.
材料电磁特性研究

研究内容:不同材料(导体、半导体、绝缘体、超导体、铁磁材料、介电材料)在电磁场中的响应,包括电导率、介电常数、磁导率、超导临界磁场、铁磁材料的磁滞回线。

应用实例:变压器铁芯(硅钢片磁特性)、电容器电介质(高介电常数材料)、超导电缆(零电阻导电)。

00002. 2.
等离子体电磁学

研究内容:等离子体(电离气体)与电磁场的相互作用,包括等离子体振荡、电磁波在等离子体中的传播(如电离层对无线电波的反射)、受控核聚变(托卡马克装置中的磁场约束)。

交叉领域:空间物理(太阳风与地球磁场)、天体物理(星际等离子体)。

计算与数值

00001. 1.
计算电磁学

研究内容:通过数值方法求解复杂电磁问题,如有限元法(FEM)、时域有限差分法(FDTD)、矩量法(MoM),模拟天线辐射、电磁散射、微波器件性能。

工具平台:HFSS、CST、FEKO 等商用软件,用于优化设计(如手机天线布局、电磁屏蔽结构)。

交叉与前沿

00001. 1.
电磁工程与设备

研究内容:电力系统中的电磁设备设计,如发电机、电动机(电磁感应原理)、变压器(电磁耦合)、电抗器(电感滤波),侧重能量转换与效率优化。

00002. 2.
生物电磁学与医学应用

研究内容:电磁场对生物组织的影响(如细胞电生理、电磁辐射生物效应),以及医学技术(MRI 磁共振成像、经颅磁刺激(TMS)、电磁热疗)。


关键问题:电磁场安全阈值、生物组织介电特性建模。

00003. 3.
地球物理与环境电磁学

研究内容:利用电磁法勘探地球内部结构(如大地电磁测深、激电法找矿),环境监测(地下水污染电磁成像),以及地磁场与空间天气(磁暴对电网的影响)。

物理简介

电磁学是研究电、磁、二者的相互作用现象,及其规律和应用的物理学分支学科。根据近代物理学的观点,磁的现象是由运动电荷所产生的,因而在电学的范围内必然不同程度地包含磁学的内容。所以,电磁学和电学的内容很难截然划分,而"电学"有时也就作为"电磁学"的简称。
电磁学从原来互相独立的两门科学(电学、磁学)发展成为物理学中一个完整的分支学科,主要是基于两个重要的实验发现,即电流的磁效应和变化的磁场的电效应。这两个实验现象,加上麦克斯韦关于变化电场产生磁场的假设,奠定了电磁学的整个理论体系,发展了对现代文明起重大影响的电工和电子技术。
导线所载有的电流,会在四周产生磁场,其磁场线是以同心圆图案环绕着导线的四周。
使用电流表可以直接地测量电流。但这方法的缺点是必须切断电路,将电流表置入电路中间。间接地测量伴电流四周的磁场,也可以测量出电流强度。优点是,不需要切断电路。应用这方法来测量电流的仪器有霍尔效应感测器、电流钳(current clamp)、变流器(current transformer) 、Rogowski coil 等等。
电子的发现,使电磁学和原子与物质结构的理论结合了起来,洛伦兹的电子论把物质的宏观电磁性质与光学性质归结为原子中电子的效应,统一地解释了电、磁、光现象
电磁学是物理学的一个分支。电学与磁学领域有着紧密关系,广义的电磁学可以说是包含电学和磁学,但狭义来说是一门探讨电性与磁性交互关系的学科。主要研究电磁波电磁场以及有关电荷、带电物体的动力学等等。

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