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来源：中国工程科学，2020年第22卷第5期作者：李芳，管仁国，铁镝，刘楚明，乐启炽，宋江凤，曾小勤，蒋斌一、前言基础材料领域的高速发展给世界各国社会、经济、文化体系等各方面带来了重大变化。作为先进基础材料产业的一个重要门类，我国镁合金材料产业自响应落实“十三五”系列战略措施以来，自主研发了10余种镁合金材料并成功应用于航空、航天、国防军工、汽车等领域，大幅降低了镁合金产品的成本，提升了产品市场竞争力。我国镁资源丰富，受汽车节能减排及轻量化等需求刺激，有望促进镁合金材料消费市场的进一步发展，为产业发展带来机遇与挑战。紧跟全球绿色节能发展趋势，我国镁合金材料产业整体正朝低能耗、高效率、高质量方向发展，不断进行产业升级改造。我国镁合金材料相关工艺技术研究起步晚于欧美发达国家，虽然在部分镁合金材料领域突破了一批核心关键技术，但在研发效率、生产质量、市场拓展、环境保护等方面仍存在较大差距。未来，我国镁合金材料产业需以国家战略需求为基准，紧跟国际研究热点，在不断提升行业整体水平的同时，加强先进镁合金材料的研发力度，着力提高自主创新能力。通过优化组织实施方式，助力国家重大工程急需的先进镁合金材料“产学研”体系通道畅通，促进相关科研成果转化并实现产业化运用，实现我国从材料大国向材料强国的战略性转变，满足国民经济、国家重大工程和社会可持续发展对先进镁合金材料的需求。二、我国先进镁合金材料产业发展现状与问题（一）发展现状1.镁合金材料产业升级趋势明显“十三五”以来，我国镁合金材料产业实施自主创新战略，通过“产学研用”结合，紧紧依靠科技进步与技术创新来提高材料质量的均一性，有效提高了中高端材料产业有效供给能力和水平。新常态下，我国逐步改变高投入、高消耗、高污染、高排放的传统模式，向低投入、低消耗、高产出、低污染的发展模式转型，短流程、低成本、低能耗的新工艺和新方法不断涌现。2.原镁产能与市场消费情况近年来，我国镁产业运行总体平稳，产量、出口量持续增长。目前全球原镁产量主要来自于中国，根据中国有色金属工业学会统计，2019年，我国原镁产量为9.69×105t，同比增长12.2%；在价格方面，受供给增加影响，原镁均价为15949元/t，同比下跌3.3%，镁冶炼企业实际盈利水平同比小幅下降；在资源消费及市场方面，我国镁资源的消费量为4.85×105t，同比增长8.6%，增幅同比提升1.6个百分点，但国外对镁资源需求回升，我国2019年全年累计出口各类镁产品约4.52×105t，同比增长10.2%，出口量占我国镁产量的46.6%。3.镁合金材料产业技术研发进展近年来，针对国际上镁合金材料存在力学性能较差的弱点，我国积极开展了先进镁合金材料的研制工作，在稀土镁合金、大尺寸铸棒、大型复杂件的工程技术方面取得重要突破，研制的部分高强镁合金大尺寸复杂铸件、高强耐热镁合金大规格挤压型材/锻件等达到世界先进水平。具体来看，2019年，南京云海特种金属股份有限公司在技术研发和生产整合方面取得重大进展，生产的锻造镁合金轮毂在汽车主机企业得到应用。上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心开发了新型高性能轻质镁稀土合金材料，成功应用于直升机关键复杂承力部件，轻量化效果显著，并已实现批量稳定制造，填补了我国新一代直升机用高强耐热镁合金材料空白。重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心研制出AT、AE、VW系列等40多种新型镁合金，其中有16种合金成为国家标准牌号，十几种合金得到工程应用和产业化推广。东北大学开发了大规格镁合金扁铸锭生产技术，目前能够生产最大截面为1450mm×400mm的镁合金大扁锭；开发了镁合金宽幅板带卷轧制成套技术，已实现产业化应用。中南大学和长春应用化学研究所等单位开发出高强高韧稀土镁合金、高性能压铸镁合金和稀土镁合金批量生产技术，成功应用于航空、航天、国防军工、汽车、电子产品等领域，大幅降低了稀土镁合金产品的成本，提升了市场竞争力，填补了国内相关领域的空白。（二）存在的主要问题1.产业发展起步晚、底子薄，关键设备进口依赖度高，受制于人现象突出我国高性能镁合金材料产业起步晚、底子薄，在应用上整体仍处于产业链和价值链的中低端。同时，相关战略政策的执行率较低，关键工艺技术与国外差距较大，高端设备大多依靠进口。研发所需的技术和设备常受国外出口限制，使得镁合金材料的研发面临困难，尤其是许多高端核心材料的研发举步维艰、性能提升缓慢、产能也严重不足。另外，相关企业研发、生产和服务的智能化水平较低，标准、检测、评价、计量和管理等支撑体系缺失，产品性能稳定性、质量一致性需要进一步提高。2.科研体系尚未健全，研发投入不足，人才队伍建设有待提高目前，健全的科研体系欠缺，以企业为主导的研发机制仍需要进一步完善，“产学研用”合作不紧密，结合仍存在壁垒。相关科研单位的研发投入经费少，人才队伍建设不完善，缺乏激励政策和研发平台，科技人员创新动力不足。另外，对新技术投资风险的保障政策缺失，科研单位的新技术很难在企业中获得推广应用。3.镁合金材料产业结构性产能过剩、市场供求失衡等深层次矛盾与问题逐步显现受国际国内经济形势变化特别是全球新型冠状病毒肺炎疫情的影响，金属材料市场需求低迷，镁合金材料产业长期积累的结构性产能过剩、市场供求失衡等深层次矛盾和问题逐步显现。目前我国镁产业运行总体平稳，产量、出口量持续增长，但在冶炼环保水平、深加工产品应用等方面存在短板，产业转型升级的任务依然艰巨。另外，我国镁合金材料产业的产能规模庞大，对资源、环境等影响深远，在节能、节材、环保的短流程制备加工技术开发与应用方面仍任重道远。三、我国先进镁合金材料产业的市场需求前景分析（一）高性能稀土镁轻质结构合金材料相较于普通镁合金材料，高性能稀土镁轻质结构合金材料在添加稀土后，具有强度高、韧性好、耐热耐蚀等显著优势，解决了制约镁合金材料广泛应用的关键问题，是推进我国航空、航天、汽车、轨道交通等领域轻量化发展的关键基础材料。我国镁、稀土资源丰富，合金成型及加工技术成熟，市场应用空间大，稀土镁合金轻质结构材料产业体系完整，可实现自产自销。高性能稀土镁轻质结构合金材料未来的市场需求主要集中在：①高性能镁稀土母合金、稀土镁合金短流程低成本制备技术开发及推广应用；②面向应用的新型高性能稀土镁合金材料开发；③先进加工成型技术及配套装备研发；④完善稀土绿色冶炼分离技术，加快推广应用；⑤面向材料生命周期的系统研究，建立“产学研用”协同发展平台；⑥加快高性能稀土镁轻质结构材料应用速度，在未来3~5年内实现军用领域向民用领域转化，逐渐扩大市场规模，到2035年将替代普通镁合金材料的比例达到30%。（二）高强高导热镁合金材料随着航空、航天、新一代武器装备、高速列车以及新能源汽车等领域的不断发展，高功率密度电磁器件的数量及排布密度不断增加，而运行过程中产生的热量必须即时导出，否则温度过高将严重影响设备运行的稳定性和可靠性，大大缩短各类器材的使用寿命，因此如何在轻量化背景下，快速有效导出器件生热是亟需解决的重要问题。高强高导热镁合金材料及其制品生产成套技术是支撑飞机、高速列车、汽车以及电脑等散热组件发展的先进基础材料及关键技术，对实现上述装备轻量化、提高系统运行稳定性和使用寿命具有重要作用，到2035年，将替代同类普通高导热合金材料使用量超过30%。传统的高导热金属如Ag、Cu，由于密度太大（分别约为10.5g/cm3、8.9g/cm3）、价格高，难以满足实际应用要求。镁合金材料具有低密度的优势，是满足应用需求的潜在材料体系之一，但常用镁合金的导热系数与铝合金相比还有明显差距，因此，导热系数>125W/(m·K)的高强高导热镁合金材料及其制品的制备加工技术是该领域发展的主要方向。（三）高强高导电镁合金材料手机、全球定位系统（GPS）/北斗卫星导航系统和宽带网络系统等会因高频电磁波干扰产生噪声影响通信品质，普通笔记本电脑运行时容易受电磁信号外泄影响导致信息或数据泄漏。另外，人体如果长期暴露于强力电磁场下或者脑部长期近距离接触电磁源，则可能容易诱发癌症病变。因此，电磁屏蔽既能防止电子设备发射的电磁波对其他设备及人体产生影响，同时也能保护该电子设备不受其他设备的干扰。优良的电磁屏蔽效果是信息家电发展必备且势在必行的选择。电磁屏蔽效果主要取决于电磁仪器设备外壳材料的导电性能情况，导电性能越好，对应的电磁屏蔽效果越优。传统的高导电金属如Ag、Cu，由于密度太大且价格高，难以满足信息家电领域的应用需求，从而对密度比铝合金低、导电率大于常用铝合金的散热材料提出了迫切需求。镁合金材料具有低密度优势，是满足上述需求的潜在材料体系之一，但与铝合金相比常用镁合金材料的导电率还有明显差距。因此，导电率>17MS/m的高强高导电镁合金材料及其制品的制备加工技术是该领域今后发展的主要方向，在产品减轻重量、提高系统运行安全性、保障相关人员健康等方面发挥着重要作用。预计到2035年，高强高导电镁合金材料替代同类普通材料的用量将超过25%。（四）超高强镁合金材料超高强镁合金材料是支撑航空、航天、新一代武器装备、高速列车以及新能源汽车等高端装备不断升级发展的先进基础材料。我国在超高强变形镁合金研发与应用方面处在世界前列。但从进一步扩大镁合金材料应用的角度来看，现有的高强度镁合金材料在比强度、比刚度、断裂韧性以及性能稳定一致性等方面还有明显不足，使镁合金材料在上述领域的应用及提高其终端产品竞争力方面受到严重制约，是当前亟需解决的发展难题。超高强镁合金材料及其强韧化变形加工技术是镁合金领域发展的主要方向，预计到2035年，超高强镁合金材料替代同类普通材料量将超过20%。（五）Mg-Al系、Mg-Zn系、ZK系镁合金材料当前，镁合金牌号众多，已在多领域大量应用的合金系列为Mg-Al系合金，特别是在铸造过程中表现出工艺稳定、烧损较小、室温条件下有着优异力学性能和高强耐腐蚀行为的AZ91镁合金。在变形镁合金方面，获得大量应用的是Mg-Zn系合金，其在热处理过程中表现出优异的时效强化行为。在该系列中，从合金牌号ZM81的相关研究来看，其表现出比Mg–Al合金更优异的力学性能。ZK系合金主要为Mg-Zn-Zr系镁合金，是目前应用最多的变形镁合金之一，代表是ZK61镁合金，其经高温成型冷却和人工时效处理后，抗拉强度大于300MPa，具有良好的塑性及耐蚀性，可加工性良好，能制造形状复杂的大型锻件。（六）轻稀土Mg-RE系镁合金材料我国稀土资源储量居于世界第一位，在稀土开采、冶炼分离等方面具有优势。但目前16种稀土元素（Pm除外）的应用是不平衡的，存在轻稀土闲置、滞销等问题，导致国内以La、Ce等元素为主的稀土形成了大量积压。目前，随着汽车轻量化、电子通信等领域相关产业需求的不断扩大，各大终端企业和材料生产厂家一直致力于轻量化部件的研发，对镁合金材料的性能要求达到前所未有的高度，甚至产生许多结构功能一体化的需求。这给稀土镁合金的发展带来了新的机遇，尤其是轻稀土镁合金的开发应用，充分发挥La、Ce等稀土在镁合金材料中的优势作用，应用前景十分广阔。与Mg-Al、Mg-Zn系合金相比，稀土元素合金化后的Mg-RE系合金，铸造过程中的工艺性能更加稳定，且在力学相关实验中表现出更加优异的力学行为。La、Ce稀土在镁合金中应用发展比较成熟的是AE系镁合金，主要是以混合稀土形式加入，典型代表如AE44、AE41镁合金，具有优异的力学性能，尤其是在延伸率上远远超过AZ91、AM60等传统非稀土镁合金。Mg-RE系合金良好的流动性使其易于压铸成型，价格优势明显，可满足民用产品的规模化生产，如已应用于汽车变速箱壳体等零部件。另外，轻稀土在Mg中的固溶度很低，有利于提高镁合金的导热性能，未来在与第五代移动通信技术相关的电子产品、基站、接入网络设备等的结构件上应用潜力很大。面向民用市场的高性能轻稀土镁合金材料的应用开发，有助于促进稀土元素的平衡应用，解决La、Ce等高丰度稀土元素的积压问题，扩大稀土在新领域的应用，加快稀土产业转型升级，彰显稀土资源在我国高新技术产业中的战略价值和支撑作用。（七）新型超塑性镁合金材料新型超塑性镁合金材料生产成本相对较低、利润较高，在镁合金材料生产和应用中竞争优势明显。已有研究表明，我国研发的新型超塑性镁合金性能指标优于日本生产的同类产品，具有室温强度高（抗拉强度>350MPa、屈服强度>250MPa），冲压过程中的超塑性变形能力强（中、低温延伸率为100%~200%，高温延伸率为700%~800%）。未来需进一步加强该类材料研究，为航空、航天技术领域的发展提供支撑。（八）新型高强高塑铸造镁合金材料铸造镁合金有着优良的铸造性能、加工切削性能及高的比强度和比刚度等优点，在航空和航天领域已广泛用于飞机蒙皮、舱体、发动机部件等结构复杂、大体积薄壁件的制造。随着航空、航天、汽车、轨道交通等领域的不断发展，对轻型复杂结构薄壁零件的需求旺盛，因此发展铸造流动性高、强度优良（抗拉强度>300MPa）、塑性高（伸长率>10%）的新型铸造类镁合金材料意义重大。（九）超轻Mg-Li合金材料Mg–Li合金的密度为1.35~1.65g/cm3，具有超轻高塑性特征，是一种超轻合金材料。美国已将Mg-Li合金应用于制造装甲输送车、航空和航天领域的非结构与次级结构件等。俄罗斯采用Mg–Li合金制成了航天器用的电器仪表件和外壳等零部件。日本把Mg-Li合金用于电子产品壳体和音响振膜等。我国近年来将Mg-Li合金应用于卫星仪表壳体件的制造中。在未来，随着研究的深入及技术的发展，超轻Mg-Li合金将会在航空、航天、汽车、计算机、通信和消费电子产品等领域有着更加深入广泛的应用。（十）高性能耐高温系镁合金目前，高性能耐高温系镁合金已经在汽车发动机罩盖、缸体、引擎活塞及高速飞行器舱体等零部件上有着广泛应用。目前，各国研究者关于高性能耐高温系镁合金的研究大部分还是聚焦于Mg、Al、Zn系的性能调控及稀土元素的合金化行为。其中，高温力学性能最好的是以Mg-Gd系为代表的的镁稀土合金体系。目前亟需解决同步提高强度和塑性的问题，具体措施包括控制析出相形态分布、细化组织和降低杂质含量。另外，镁合金铸造性能应被重视，即合金设计时需综合考虑力学性能和铸造性能。就性能指标而言，超高强（强度>400MPa）耐热（使役温度>250℃）镁合金是目前国家亟需攻关的一类关键材料。随着技术不断地开发与发展，高性能耐高温系镁合金将会在汽车动力系统部件、航天飞行器等对材料强度、耐高温能力及材料轻量化有着苛刻要求的领域中得到广泛应用。（十一）高性能新型镁基复合材料一般的镁合金材料具有绝对强度不高、刚度较低、耐磨性和抗蠕变性较差等问题，限制了其在一些结构件和高温环境下的应用，可通过添加颗粒、晶须或纤维等增强体加以有效解决。并且，通过增强体的类型、形状、尺寸、含量等的使用可有效调控镁基复合材料的各项性能以满足应用需求。镁基复合材料目前大多采用粉末冶金方法来制备小尺寸构件，大规格镁基复合材料的高质量和高效制备是产业界亟需解决的问题。四、我国先进镁合金材料产业发展目标与发展战略（一）先进镁合金产业发展目标面向2030年，我国先进镁合金材料产业将建立健全的可持续发展创新及运用体系，同时整体实现大规模高程度自动化制造，在研发、生产及应用方面达到全球高水平，甚至部分相关技术或产品达到世界精尖水平。国内亟需的大部分高端镁合金材料不再依赖进口，实现自给自足；处于高尖端的超高性能镁合金材料实现对外技术输出与支持，助力全球镁合金产业的整体水平的提升；重点提升装备轻量化材料研发能力和高性能低成本镁合金复杂精密加工能力；国家重大工程用镁合金材料国产化率达到99%，促进交通运输领域节能30%以上、减排40%以上。面向2035年，我国的高端镁合金材料产业整体在研发、生产及应用方面达到全球领先水平，实现大规模、智能化、绿色化制造，对全球镁合金产业的发展起主导作用。实现下一代高强韧大型整体结构件设计及相关设备的产业化；实现国家重大工程用高性能镁合金材料国产化率达到100%，促进交通运输领域节能40%以上、减排50%以上。（二）产业发展战略1.提高自主创新能力，优化产业链，促进产业化应用围绕先进高性能镁合金材料的核心技术，着力提高自主创新能力，通过优化组织实施方式，支持国家重大工程亟需的镁合金材料产业化建设，促进一批镁合金材料实现产业化和规模应用。建立产业链上下游优势互补机制，缩短研发、产业化和规模应用的周期，促进镁合金材料企业加强技术创新，支持一批研究基础好的中青年创新骨干从事原创性研究，形成持续的创新能力，进一步增强我国镁合金材料产业的创新能力。实现我国从材料大国向材料强国的战略性转变，全面满足国民经济、国家重大工程和社会可持续发展对镁合金材料的需求。2.加强顶层规划，优化资源配置，培育优势产品在顶层设计层面，加强国家对高性能镁合金材料基础研究的投入，加大对与世界高水平制造接轨的先进镁合金材料核心技术重视力度。着力突破镁合金材料产业发展的工程化问题，提高镁合金材料的基础支撑能力。加快完善有利于推动镁合金材料产业发展的政策和法规体系，制定镁合金材料产业发展指导目录和投资指南，建立相关的技术标准体系，完善产业链、创新链、资金链。遵循“谁投资、谁负责”的原则，加强对国有资本投资回报率的监管；突出国家对重点产业的聚焦支持，防止出现“投资碎片化”，集中力量培育和塑造我国名牌镁合金材料产品。同时，在注重政府对先进镁合金材料产业发展战略引导作用的基础上，加快营造镁合金材料相关企业自主经营、公平竞争的市场环境，以企业为投资主体和成果应用主体，加强“产学研用”相结合，完善风险保障体系建设，充分发挥市场配置资源的基础性作用，提高资源配置效率和公平性。3.加强企业合作力度，拓展应用领域通过多区域整合及资金合作来加强优秀企业之间的合作力度，助力形成在世界上具有一定影响力的知名企业集团。同时，积极响应我国工业化改革的进程，注重拓展镁合金材料的应用领域，扩大镁合金材料在材料产业中的消费市场。同时，引导企业进行产业结构调整和升级改造，提高产品质量和扩大生产规模，争取与世界先进制造水平接轨，快速助力我国镁合金材料在世界尖端制造领域占有一席之地。4.加强“产学研”建设，构建完善的镁合金材料整体研究体系在“产学研”建设方面，注重镁合金材料相关用于制备及检测高端设备的自主开发运用，降低对进口设备的依赖力度，推进镁合金企业快速、高效、智能化的制造进程。构建完善的镁合金材料整体研究体系，集设计、性能及评价一体化，加快研发进程。以镁合金的产业末端为基础，构建完善的材料大数据体系，促进形成与世界高水平相当的应用研究体系。同时，构建与国内相适应但又与国际接轨的整套镁合金产业相关的自主知识产权体系，集产权保护、创新扩展及运用一体化，开展相关科研成果在企业的适应性生产活动，全面促进镁合金材料产业往高水平方向发展。5.实施创新人才发展战略，完善平台建设，壮大人才队伍在人才和平台建设方面，应实施创新人才发展战略，不断加大镁合金材料领域创新型人才的培养力度，加大科研投入，制定科研人员激励政策，重点支持一批研究基础好的中青年创新骨干从事原创性研究，形成持续创新能力。支持企业加强创新能力建设，建立适宜的人才发展及薪酬体系，吸引国内外人才进行交流和就业。同时，给镁合金相关企业的国际交流提供政策便利，促进企业间的国际合作、管理及技术交流，提高镁合金企业与世界高端制造的接轨力度。积极搭建“产学研用”创新平台，以企业相关产业为基地，汇聚领域内院士、科技创新领军人才等高端创新人才，发挥其引领作用，使创新人才与产业紧密结合，形成良好的创新模式，构建可持续发展的科研团队。五、对策建议五、对策建议（一）注重研究体系的构建加大对镁合金材料产业的规划力度，紧跟国家材料产业战略布局的需要，构建符合中国国情的研究体系。加大对处于研发阶段的核心技术的重视力度，尤其是与世界高水平制造接轨的先进镁合金材料，在研发计划及进程上给予政策倾斜与支持。同时，充分利用大数据优势，在国内构建一套与世界高端制造标准联系紧密的集设计、制备、性能检测及评价一体化的镁合金材料研发系统，整体提升国内高端镁合金材料研发进程。（二）优化产业发展格局依托国内外高校和科研院所的专家学者开展咨询，构建集研发、生产、应用于一体的健康绿色发展格局。充分发挥消费市场的自主调控功能，对资源进行合理分配，在对重点研发企业给予充足资金支持的同时，也需对处于起步阶段且有潜力的研发企业给予一定扶持，形成共同进步、共同成长的产业发展格局。（三）构建高质高效产业结合国家战略需求，进一步提升科研成果与企业生产联系的紧密性，促进企业进行升级改造，朝高质量、高产能、智能绿色、低成本方向发展。同时，注重高端性能镁合金材料的工艺技术研发转化，助力高端性能镁合金生产早日与国际高端生产水平接轨。同时，先进镁合金材料产业产能在满足内需的基础上，实现出口，在全球树立中国自己的高性能镁合金产品品牌。（四）完善配套政策体系在投资方面，国家应加大对从事产业试点升级改造及高端性能镁合金材料生产企业的扶持力度。同时，在企业办理试点生产申请的审批手续和相关优惠政策方面进行政策倾斜，构建并逐步完善国家与企业间的配套政策体系，降低企业生产投资压力与风险，提升企业创新生产积极性，充分发挥资金的投资价值。（五）构建精尖人才体系与国际前沿高端性能镁合金材料研发方向接轨，以“走出去，引进来，满足需求”为原则，落实人才引进及发展的战略措施，构建高端性能镁合金相关产业的精尖人才体系。加大对年轻创新团队的培养及扶持力度，鼓励其与经验丰富的国内外专家学者学习与交流。同时，在国外精尖人才引进方面给予大力的政策优惠及薪酬扶持，鼓励其来国内进行技术交流及服务。企业可以构建规范高效的人才管理制度，培养适应企业生产又高度自主创新的人才团队。最后，加强企业与科研机构相关专家学者的联系，组建与企业对口的精尖人才后备团队，助力企业的人才体系建设。致谢参加本课题研究的主要专家有：聂祚仁、娄花芬、杨斌、刘雪峰、王同敏、李谦、王经涛、王俊升、王渠东、王敬丰、任先京、刘成龙、李廷举、李才巨、李元东、李志辉、李润霞、陈体军、赵刚、赵红亮、赵鸿金、高峰、郭洪民、黄元春、阎峰云等，在此一并致谢！

教材中的内容有哪些？在本课程的PPT中将位移电流独立成一个内容讲解！位移电流是电位移矢量随时间的变化率对曲面的积分。英国物理学家麦克斯韦首先提出这种变化将产生磁场的假设并称其为“位移电流”。位移电流可以存在于真空、导体、电介质中。即使在真空中，没有电荷的实际运动，只要有变化的电场，就会有位移电流。传导电流只能存在于导体中，因为需要有自由电荷在其中做定向运动。在绝缘体或电介质中，由于几乎没有自由电荷，所以不存在传导电流，但可以存在位移电流（前提是有电场变化）。本章的具体内容如下！先来了解电荷的概念！油滴试验（1909年）：美国科学家罗伯特・密立根用一个香水瓶的喷头向一个透明小盒子里喷油滴，小盒子顶部和底部分别放有通正电和负电的电板，当小油滴通过空气时带有静电，其下落速度可通过改变电板电压来控制，经过反复试验，密立根得出电荷的值是某个固定的常量，最小单位就是单个电子的带电量。α粒子散射实验（1909年）：著名科学家卢瑟福用准直的α射线轰击厚度为微米的金箔，他发现绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了较大的偏转，并有极少数α粒子的偏转超过90°，一些粒子甚至达到180°的反弹。此实验开创了原子结构研究的先河，为建立现代原子核理论打下了基础。确定电荷在薄层上的分布方式。可以是均匀分布、非均匀分布或者具有某种特定的对称性分布。如果是均匀分布，可以用电荷面密度描述单位面积上的电荷量。在实际应用中，电荷面密度在电磁学领域有重要作用。例如，在研究平行板电容器时，两极板上的电荷面密度会影响电容器的电场强度等参数。同时，在分析带电导体表面的电场分布等问题时，电荷面密度也是一个关键的物理量。再来了解电流！电荷守恒定律！对于一个孤立系统，不论发生什么变化，其中所有电荷的代数和永远保持不变。也就是说，如果某一区域中的电荷增加或减少了，那么必定有等量的电荷进入或离开该区域；如果在一个物理过程中产生或消失了某种电荷，那么必定有等量的异号电荷同时产生或消失。电荷的多少称为电荷量，常简称为电量，故电荷守恒定律又称电量守恒定律。在国际单位制中，电荷量的单位是库仑，用字母C表示。通常正电荷的电荷量用正数表示，负电荷的电荷量用负数表示。电荷守恒定律是自然界中一条基本的守恒定律，在宏观和微观领域中普遍适用。近代物理实验发现，在一定条件下，带电粒子可以产生和湮没，例如一个高能光子在一定条件下可以产生一个正电子和一个负电子，一对正、负电子也可以同时湮没并转化为光子。不过在这些情况下，带电粒子总是成对产生和湮没，两个粒子带电数量相等但正负相反，而光子又不带电，所以电荷的代数和仍然不变。计算电荷连续分布的带电体的电场强度需要通过积分方法，将带电体视为无限多个点电荷的集合，然后计算每个点电荷对电场的贡献并进行积分求解。在某些对称分布的情况下，可以使用高斯定理来简化计算过程。特斯拉是科学家尼古拉・特斯拉（NikolaTesla）的名字。尼古拉・特斯拉是一位杰出的发明家、物理学家和电气工程师，他在电气工程领域做出了众多重要贡献。以他的名字命名磁感应强度的单位，是为了纪念他在电磁学领域的卓越成就和重要贡献。尼古拉・特斯拉的研究和发明对现代交流电系统的发展产生了深远影响，他的工作为后来的电气工程和电子技术的进步奠定了基础。重点和难点！微分和积分在定义、几何意义、运算性质和应用领域等方面都存在明显的差异。微分主要研究函数的局部变化，而积分则研究函数的整体累积效应。它们是数学分析中不可或缺的两个概念，在各个领域都有着广泛的应用。知识点总结！一、本章内容电荷守恒定律：包括电荷与电荷密度、电流与电流密度、电荷守恒定律（电流连续性方程）。真空中静电场的基本规律：库仑定律、电场强度、静电场的散度与旋度，以及利用高斯定理计算电场强度的方法和示例。真空中恒定磁场的基本规律：安培力定律、磁感应强度、恒定磁场的散度和旋度。媒质的电磁特性：电介质的极化现象、极化强度矢量、极化电荷、电位移矢量、磁介质的磁化、磁化强度矢量、磁化电流、磁场强度，以及媒质的传导特性。电磁感应定律和位移电流：电磁感应定律、引起回路中磁通变化的几种情况、位移电流、全电流定律。麦克斯韦方程组：积分形式、微分形式、媒质的本构关系。电磁场的边界条件：边界条件的一般表达式、两种常见情况（理想介质分界面和理想导体表面）的边界条件，以及相关例题。二、具体内容电荷守恒定律电荷与电荷密度：电荷是物质的基本属性，分为体分布电荷、面分布电荷、线分布电荷和点电荷，可用电荷体密度、电荷面密度、电荷线密度和点电荷的电荷密度表示。电流与电流密度：电流是电荷的定向运动形成的，分为体电流、面电流和线电流，可用电流密度矢量来描述。电荷守恒定律（电流连续性方程）：电荷既不能被创造，也不能被消灭，只能转移，其数学表达式为积分形式和微分形式，当体积为整个空间时，总电荷量守恒。真空中静电场的基本规律库仑定律电场强度：真空中静止点电荷对另一电荷的作用力与电荷量成正比，与距离平方成反比，方向沿两电荷连线，电场强度定义为试验电荷受到的作用力与电荷量的比值，真空中静止点电荷激发的电场强度可根据库仑定律推导。静电场的散度与旋度：静电场散度与高斯定理相关，其微分形式为，积分形式为；静电场旋度与环路定理相关，其微分形式为，积分形式为。利用高斯定理计算电场强度：高斯面的选择原则包括场点位于高斯面上、高斯面为闭合面、在整个或分段高斯面上，或为恒定值。真空中恒定磁场的基本规律安培力定律磁感应强度：载流回路之间的作用力满足安培力定律，磁感应强度是描述磁场的基本物理量，可由安培力定律推导，电流产生的磁场感应强度可通过毕奥-萨伐尔定律计算。恒定磁场的散度和旋度：恒定磁场的散度为0，其微分形式为，积分形式为；恒定磁场的旋度与安培环路定理相关，其微分形式为，积分形式为。媒质的电磁特性电介质的极化电位移矢量：电介质分为无极分子和有极分子，在电场作用下会发生极化，极化强度矢量描述介质极化程度，与电场强度有关，极化会产生极化电荷，电位移矢量的引入使得介质中的高斯定理为。磁介质的磁化磁场强度：磁介质在外磁场作用下会发生磁化，磁化强度矢量描述磁介质磁化程度，磁化会产生磁化电流，磁场强度与磁感应强度的关系为，介质中的安培环路定理为。媒质的传导特性：导电媒质中电流密度矢量与电场强度成正比，符合欧姆定律的微分形式，单位体积功率损耗与电流密度和电场强度有关。电磁感应定律和位移电流电磁感应定律：当穿过导体回路的磁通量发生变化时，回路中会产生感应电动势，其大小等于磁通量的时间变化率的负值，方向阻止回路中磁通量的改变，感应电场是由变化的磁场所激发的有旋场，存在于导体回路内外。位移电流：时变电场会激发磁场，全电流定律揭示了传导电流和变化的电场都能激发磁场，位移电流密度是电位移矢量随时间的变化率，它不产生热效应，引入位移电流是建立麦克斯韦方程组的重要一步。麦克斯韦方程组积分形式和微分形式。媒质的本构关系：，，。电磁场的边界条件理想介质分界面：，，，。理想导体表面：，，，。边界条件一般表达式：通过在分界面上构建圆柱曲面和小环路，推导出电磁场量的法向边界条件和切向边界条件。两种常见的情况：PPT中公式及其知识点的提炼！电荷与电荷密度相关公式：该公式表示空间区域V中的总电量q等于电荷体密度在该区域的体积分，体现了电荷体密度与总电量的关系，用于描述体分布电荷的情况。：此公式表示曲面上的总电量q等于电荷面密度在该曲面的面积分，反映了电荷面密度与曲面总电量的关系，用于描述面分布电荷的情况。：该式表明曲线上的总电量q等于电荷线密度在该曲线的线积分，说明了电荷线密度与曲线总电量的关系，用于描述线分布电荷的情况。：这里的函数用于表示点电荷的体密度，体现了点电荷的特性，即总电量为q的电荷集中在很小区域时，可看作位于该区域中心的点电荷。电流与电流密度相关公式：该公式定义了电流的大小，即单位时间内通过某一横截面S的电荷量，描述了电流的基本概念。：此公式表示流过任意曲面S的电流等于电流密度矢量与曲面S的面积元矢量的点积的积分，体现了电流密度与电流的关系，用于描述体电流的情况。：该式表明通过薄导体层上任意有向曲线L的电流等于面电流密度矢量与的点积的积分，其中为法线方向单位矢量，为曲线L的线元矢量，反映了面电流密度与电流的关系，用于描述面电流的情况。电荷守恒定律相关公式：该公式是电流连续性方程的积分形式，表示电流从任意体积V内流出的通量等于该体积内电荷改变量的负值，体现了电荷守恒定律在积分形式下的表达。：此公式是电流连续性方程的微分形式，通过高斯定理从积分形式推导而来，表示电流密度的散度等于电荷密度的时间变化率的负值，进一步体现了电荷守恒定律在微分形式下的表达。真空中静电场相关公式这是库仑定律的表达式，描述了真空中静止点电荷对的作用力，其大小与两电荷的电荷量成正比，与两电荷距离的平方成反比，方向沿两电荷连线方向，体现了静电场中电荷之间的相互作用力规律。该公式定义了空间某点的电场强度，即置于该点的试验电荷受到的作用力与电荷量的比值，同时给出了真空中静止点电荷q激发的电场强度的表达式，用于描述电场强度的基本概念和静电场的分布。此公式表示体分布电荷产生的电场强度，通过对电荷体密度在空间的积分来计算电场强度，体现了电场强度与电荷分布的关系。该式表示面分布电荷的电场强度，通过对电荷面密度在曲面的积分来计算电场强度，反映了电场强度与面电荷分布的关系。此式表示线分布电荷的电场强度，通过对电荷线密度在曲线的积分来计算电场强度，说明了电场强度与线电荷分布的关系。：这是静电场高斯定理的微分形式，表示静电场穿过闭合面S的通量只与闭合面内所围电荷量有关，体现了静电场的散度与电荷分布的关系。：该公式是静电场中高斯定理的积分形式，进一步说明了静电场通量与电荷总量的关系。：此公式是静电场环路定理的微分形式，表示在静电场中将单位电荷沿任一闭合路径移动一周，静电力做功为0，静电场为保守场，体现了静电场的旋度特性。：该式是静电场环路定理的积分形式，再次强调了静电场的保守性，即电场线不构成闭合回路。真空中恒定磁场相关公式安培力定律的表达式描述了真空中载流回路对的作用力，以及对的作用力，满足牛顿第三定律，体现了恒定磁场中电流回路之间的相互作用力规律。再看另一个公式！该公式表示任意电流回路C产生的磁场感应强度，通过对电流元在回路的积分来计算磁场感应强度，体现了磁场感应强度与电流分布的关系。此公式表示体电流产生的磁场感应强度，通过对体电流密度在体积的积分来计算磁场感应强度，反映了磁场感应强度与体电流分布的关系。该式表示面电流产生的磁场感应强度，通过对面电流密度在曲面的积分来计算磁场感应强度，说明了磁场感应强度与面电流分布的关系。：这是恒定磁场的散度与磁通连续性原理的微分形式，表示磁感应强度矢量穿过任意闭合面的磁通量为0，恒定磁场是无源场，不存在磁力线的扩散源和汇集源。：此公式是磁通连续性原理的积分形式，进一步强调了恒定磁场的无源特性。：该式是恒定磁场的旋度与安培环路定理的微分形式，表示磁感应强度沿任意闭合回路C的积分等于穿过回路C所围面积的电流之和与的乘积，体现了恒定磁场的有旋特性，电流为磁场的漩涡源。此公式是安培环路定理的积分形式，说明了磁场的旋度与电流的关系。媒质的电磁特性相关公式：该公式表示极化强度矢量与电场强度的关系，在线性、各向同性的电介质中，极化强度与电场强度成正比，为电介质的电极化率。：此公式表示极化电荷体密度与极化强度的关系，通过对极化强度的散度取负来计算极化电荷体密度。：该式表示电介质表面的极化电荷面密度与极化强度的关系，极化电荷面密度等于极化强度与表面法线方向单位矢量的点积。：这是介质中的高斯定理的积分形式，表示任意闭合曲面电位移矢量的通量等于该曲面包含自由电荷的代数和。：此公式是介质中的高斯定理的微分形式，进一步体现了电位移矢量与自由电荷的关系。：此公式表示磁化强度矢量与磁场强度的关系，在线性各向同性介质中，磁化强度与磁场强度成正比，为介质的磁化率。：该式表示磁化电流体密度与磁化强度的关系，通过对磁化强度的旋度来计算磁化电流体密度。：此公式表示磁化电流面密度与磁化强度的关系，磁化电流面密度等于磁化强度与表面法线方向单位矢量的叉积。：此公式表示电流密度矢量与电场强度的关系，在线性和各向同性导电媒质中，两者成正比，为媒质的电导率。电磁感应定律和位移电流相关公式：这是法拉第电磁感应定律的表达式，当通过导体回路所围面积的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势的大小等于磁通量的时间变化率的负值，方向是要阻止回路中磁通量的改变。：此公式是法拉第电磁感应定律的微分形式，推广了法拉第电磁感应定律，表示感应电场是由变化的磁场所激发的电场，感应电场是有旋场。：该式是全电流定律的微分形式，表示不仅传导电流激发磁场，变化的电场也可以激发磁场，它与变化的磁场激发电场形成自然界的一个对偶关系。此公式是全电流定律的积分形式，进一步说明了电流和变化的电场对磁场的激发作用。该式表示位移电流密度是电位移矢量随时间的变化率，能像电流一样产生磁场。麦克斯韦方程组相关公式麦克斯韦方程组的积分形式之一，表示传导电流和变化的电场都能产生磁场。公式表明，磁场的环路积分不仅与传导电流有关，还与电位移矢量的变化率有关，即变化的电场也能产生磁场。麦克斯韦方程组的积分形式之二，表示变化的磁场产生电场。公式表明，电场的环路积分与磁感应强度的变化率有关，即变化的磁场能产生电场。：麦克斯韦方程组的积分形式之三，表示磁场是无源场，磁力线总是闭合曲线。：麦克斯韦方程组的积分形式之四，表示电荷产生电场。：麦克斯韦方程组的微分形式之一，与积分形式的第一个方程相对应。：麦克斯韦方程组的微分形式之二，与积分形式的第二个方程相对应。：麦克斯韦方程组的微分形式之三，与积分形式的第三个方程相对应。：麦克斯韦方程组的微分形式之四，与积分形式的第四个方程相对应。电磁场的边界条件相关公式：：该公式是电磁场量的法向边界条件之一，表示分界面上的电荷面密度与电位移矢量的法向分量的关系。：此公式是电磁场量的法向边界条件之二，表示磁感应强度的法向分量在分界面上连续。：该式是电磁场量的切向边界条件之一，表示电场强度的切向分量在分界面上连续。：此公式是电磁场量的切向边界条件之二，表示分界面上的电流面密度与磁场强度的切向分量的关系。：这是理想导体表面上的边界条件之一，表示理想导体表面上的电荷密度等于电位移矢量的法向分量。：此公式是理想导体表面上的边界条件之二，表示理想导体表面上磁感应强度的法向分量为0。：该式是理想导体表面上的边界条件之三，表示理想导体表面上电场强度的切向分量为0。本章完结！修订记录20240815完成初稿；20240911修订内容；来源：通信工程师专辑

本文摘要：（由ai生成）本文讨论了信噪比（SNR）和比特信噪比（BSNR）的概念及其在通信系统中的重要性。强调了了解SNR和BSNR之间转换关系的重要性，并指出高效率的程序运行对于大量数据仿真的必要性，尤其是在追求低误码率（如1e-6）时。文中提到，为了确保误码的随机性，仿真需要运行时间长且产生足够多的误码。同时，探讨了载噪比（CNR）的概念，解释了CNR和SNR的区别以及它们如何衡量通信系统性能。最后，文章通过仿真验证了SNR和CNR之间的关系，并指出在数字调制方式中考虑载波功率的重要性。继续讲解！了解了信噪比和比特信噪比之间的转换关系，自然就要联想到《通信原理》中关于比特信噪比和误码率之间的性能曲线图。因为信噪比和误码率是一对好兄弟，形影不离！当然通过这个图还能看出不同调制方式的特性。疑问来了：如果要得到1e-6误码率的仿真结果，是不是要仿真1e7个比特呢？答案是肯定的。而且为了保证误码出现的随机性，至少要保证出现一百个误码才能算仿真成功！那岂不是很花时间？是的，这是必须的！因此我们首先要想到如何提高程序的运行效率。效率高，花的时间就少。当然电脑CPU不断的升级也会帮你节省仿真时间！现在很多人都用GPU来跑仿真程序了！如果程序中的一个循环能够节省一秒钟，那么一万次循环呢？能够节省一万秒。因此想要仿真1e7个比特，只有通过多次循环来实现的。因此程序每次循环运算的效率就变的很重要！不能直接生产1e7个比特长度的随机序列，MATLAB会崩溃的！目前的机器哪能放下这么大的一个数组啊？这需要多大的内存啊？也许以后可以！毕竟我一直在感受软件读取文件方式的不断改进。继续阅读我当年写的关于信噪比的文档。里面会出现一个新的名称：载噪比！什么是载噪比？和载波有关系吗？如何计算载波功率呢？数字调制方式中有载波功率吗？载噪比和信噪比都是用来衡量通信系统性能的重要指标。载噪比指的是已经调制的信号的平均功率与加性噪声的平均功率之比，载噪比中已调信号功率包括传输信号功率和调制载波功率；而信噪比是指传输信号的平均功率与加性噪声的平均功率之比，仅包括传输信号功率。两者之间相差一个载波功率。对同一个传输系统而言，载噪比要比信噪比大，通常以对数的方式来计算，单位为dB。在调制传输系统中，采用载噪比指标。而在基带传输系统中，采用信噪比指标。用仿真来验证信噪比和载噪比的关系！先纠正之前AI给出的程序的错误！首先是去除无效语句，然后再改正语句！准确的计算噪声功率！见程序第27行！看到变化了吗？那么仿真结果如何呢？怎么两者几乎一样？是不是信号源的原因呢？那就再用PSK调制信号试一试吧，于是就有了程序cnr2。此时我又找AI看看它的解答。再用PSK信号验证两者之间的关系！看看仿真结果！来源：通信工程师专辑

导读：由北京声学学会和中国环境保护产业协会噪声与振动控制委员会、中国职业安全健康协会噪声与振动控制专业委员会联合主办的《声学分享客》第四十一期将于11月23日10时在仿真秀官网和APP同步直播，支持长期反复回看。欢迎广大声学分析工程师和理工科学子报名参加。一、分享嘉宾本次《声学分享客》将邀请到交通运输部公路科学研究院道路交通噪声控制重点创新团队负责人袁旻忞博士分享《宁静道路》。袁旻忞，主要从事于道路交通噪声污染控制领域工作，现任交通运输部公路科学研究院道路交通噪声控制重点创新团队负责人，入选交通运输部“交通运输青年科技英才”。兼任世界道路协会（PIARC）环境与可持续发展分会青年委员，广州大学校外研究生导师，中国环境科学学会环境物理分会、环境噪声防治专业委员会委员等。主持承担包括UNESCAP项目，国家重点研发计划课题，交通运输部科技项目重点项目、标准化项目、战略规划政策项目，以及技术咨询、技术开发等各类项目40余项。研究成果获包括中国公路学会科学技术奖、环境科学技术奖等科技奖励8项。二、如何报名扫码观看，欢迎朋友圈分享收藏北京声学学会《声学分享客》第41期：宁静道路-仿真秀直播三、关于北京声学学会北京声学学会成立于1983年。由马大猷、杜连耀、应崇福、车世光、方丹群等人发起。是致力于北京市声学行业科普及推广的社会性组织，在北京市民政局备案注册。现任理事长魏志勇，秘书长吴瑞，其中现任理事51名，会员521名，团体会员30个。学会挂靠单位是北京市科学技术研究院城市安全与环境科学研究所。北京声学学会设有环境噪声、建筑声学、水声、电声、超声、医学超声、语言声学七个分会，及青年工作组和科普工作组。北京声学学会每年开展青年培养工作及科普宣传工作，为北京市声学技术及行业的推广做出了重要贡献。北京声学学会培养青年人才，组织青年学术演讲比赛，向北京市推荐声学行业里的优秀青年工作者。积极组织会员参加科技周等各项科普主题的活动。并组织沙龙活动，组织会员交流沟通。为彼此提供交流的平台。北京声学学会开展声学咨询服务，为社会及有需要的企事业单位提供声学领域的综合解决方案。（完）声明：本文部分内容引自北京声学学会，已授权，部分图片和内容转自网络，如有不当请联系我们，欢迎分享，禁止私自转载，转载请联系我们。来源：仿真秀App