电磁场理论概述和TEM正演技术.ppt

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1、电磁场理论和TEM正演技术汇报人：汪志军时间：2010.7.4（周日）地点：深部岩土与地下工程重点实验室217室内容提要电磁法理论TEM正演技术12第一部分电磁场理论电磁场理论，顾名思义是研究电场与磁场关系的理论。电场与磁场之间的关系可以用右图直观表达。运动电荷电流激发激发电场磁场变化变化产生电磁场的基本理论可以归结为三定律和一方程，其中三大定律包括：(1)库仑定律定律（2）安培-毕奥.萨伐尔定律（3）法拉第电磁感应定律；一方程为麦克斯韦方程组。各种电磁法的理论基础都是法拉第电磁感应定律，其数理基础都是麦克斯韦方程组。1.

2、库仑定律人们在自然界中发现了电荷，便打开了人类认识电磁学的大门。库仑定律是1784-1785年法国工程师和物理学家通过扭秤实验总结发现的，它揭示了两个带电粒子之间的作用力关系，其数学表达式为：库仑定律的应用条件是：真空中静止的点电荷，反应的只是静态电荷之间静电场关系，但库仑定律从力学的角度研究电荷，开辟了研究研究电磁学的新思路，为后来安培定律的发现奠定基础，它是牛顿经典力学定律在电磁学中的应用。库仑定律包含（静）电场的概念，提出了电场强度E，且定义F=Eq，类似于牛顿力学F=ma。2.安培-毕奥.萨伐尔定律电荷定向移动形成

3、电流，1820年丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应。同年法国物理学家毕奥.萨伐尔和安培发现了电流环路之间力的作用，即安培-毕奥.萨伐尔定律。其表达式为：奥斯特电流效应现象的发现，首次将电与磁联系起来。安培-毕奥.萨伐尔定律从牛顿经典力学角度研究电流之间力的作用，这其实已经是一种场概念的雏形，它揭示了稳恒电流产生稳恒磁场的事实。安培-毕奥.萨伐尔定律包含磁场的概念，，提出了磁感应强度B，且dF=BIdl，类似库仑定律电场强度得到：3.法拉第电磁感应定律（稳恒）电场能够产生（稳恒的）磁场，那么磁场是否能够产生电场呢？法拉第电

4、磁感应定律给出了答案：能。法拉第电磁感应定律原始描述：“闭合回路中的一部分导体在磁场中作切割磁感线，导体中就会产生电流，产生的电流称为感应电流。”这就证实了变化的磁场也能产生电场而且是变化的电场。但它只揭示了动生电动势。后来人们发现只要闭合回路中磁通量Ф发生变化就会产生感应电动势，补充了感生电动势（就是后来的位移电流）。因此法拉第电磁感应定律准确表述为：因磁通量变化产生感应电动势的现象。法拉第电磁感应定律揭示了变化的磁场能够产生变化的电场的事实。特别是磁通量变化的提出完善了电磁场理论，感应电动势的发现为后来我们的电磁法勘探

5、奠定了基础，因为电磁法本身就属于一种感应类电法。感应电流产生的条件是：（1）电路是闭合回路（2）dФ/dt≠0(有磁通量变化)。并且定义了感应电动势：（Ф=BSsinθ）前面介绍了静电场、稳恒电磁场和交变电磁场，没有形成一个完备的电磁场理论系统。时代呼唤着一个巨人的降临，这个人就是英国物理学家麦克斯韦。麦克斯韦方程组像牛顿经典力学一样，是对电磁场理论的全面总结和提升。他不仅从数学定义式上给出了完备的电与磁关系，而且提出了“场”的概念。4.麦克斯韦方程组麦克斯韦提出了位移电流和涡旋电场。借助电磁学常用参数（1）介电常数ε（2

6、）磁导率μ（3）电导率σ(4)传导电流面密度jC（5）位移电流面密度jD(6)电荷体密度ρ，并结合欧姆定律微分表达式用方程组高度概括了四个矢量E和D，H和B之间的关系：①②③④麦克斯韦方程组揭示的道理是：①式揭示了变化的磁场产生涡旋的电场，本式可以通过感应电动势结合斯托克斯公式推导得到。②式揭示了变化的电场产生涡旋的磁场，磁场包括传导电流产生的磁场和位移电流产生的磁场，本式可以通过欧姆定律、广义安培定律和高斯公式联合推导得到。③式描述了电场的性质即为有源场，说明了电场可以是库仑稳恒电场（有源无旋）也可以是变化的磁场产生的涡

7、旋电场（有源有旋）本式可以由广义安培定律推导得到。④式描述了磁场的性质即为无源有旋场，说明了磁场可以由传导电流激发，也可以由变化电场的位移电流激发，他们都是无源涡旋场。麦克斯韦方程组的核心思想是：变化的磁场可以产生涡旋的电场，变化的电场可以产生涡旋的磁场，电场和磁场不是孤立的，它们相互联系、相互激发组成一个统一的电磁场。麦克斯韦方程组方程组是时间域的表达式，通过定义便可以得到麦克斯韦方程组频率域表达式。联合推导①和②式（两边取旋度）便可以得到电磁场波动方程（又称赫姆霍兹方程）和扩散方程。一切电磁场正反演都是从麦克斯韦方程组

8、推导出发的。电磁场理论给我们什么启示呢？TEM一次场和二次场波形分析TxI(mA)二次场二次场RxdB/dt(mv/s)t(ms)t(ms)TxdI/dtTxCurrent(I)RxdB/dt第二部分TEM正演技术TEM（TransientElectromagneticMethod）是瞬变电磁法的英文简