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文檔簡介
1、 電 磁 場 理 論 Electromagnetic Theory 同濟大學電子與信息工程學院第一章第一章 電磁場理論概述電磁場理論概述 電磁場理論的主要研究領(lǐng)域 磁場理論發(fā)展簡史 電磁場理論的主要研究對象學習的目的、方法及其要求 作為理論物理學的一個作為理論物理學的一個重要研究分支,主要致重要研究分支,主要致力于統(tǒng)一場理論和微觀力于統(tǒng)一場理論和微觀量子電動力學的研究量子電動力學的研究。電磁電磁場的場的主要主要研究研究領(lǐng)域領(lǐng)域 作為無線電技術(shù)的理作為無線電技術(shù)的理論基礎(chǔ),集中于三大論基礎(chǔ),集中于三大類應用問題的研究。類應用問題的研究。一、電磁場理論的主要研究領(lǐng)域一、電磁場理論的主要研究領(lǐng)域三大
2、類應用問題:三大類應用問題: 電磁場(或電磁波)作為能量的一種形式,是電磁場(或電磁波)作為能量的一種形式,是 當今世界最重要的能源,其研究領(lǐng)域涉及電磁當今世界最重要的能源,其研究領(lǐng)域涉及電磁 能量的產(chǎn)生、儲存、變換、傳輸和綜合利用。能量的產(chǎn)生、儲存、變換、傳輸和綜合利用。 電磁波作為信息傳輸?shù)妮d體,成為當今人類社電磁波作為信息傳輸?shù)妮d體,成為當今人類社 會發(fā)布和獲取信息的主要手段,主要研究領(lǐng)域會發(fā)布和獲取信息的主要手段,主要研究領(lǐng)域 為信息的產(chǎn)生、獲取、交換、傳輸、儲存、處為信息的產(chǎn)生、獲取、交換、傳輸、儲存、處 理、再現(xiàn)和綜合利用。理、再現(xiàn)和綜合利用。 電磁波作為探測未知世界的一種重要手段
3、,主電磁波作為探測未知世界的一種重要手段,主 要研究領(lǐng)域為電磁波與目標的相互作用特性、要研究領(lǐng)域為電磁波與目標的相互作用特性、 目標特征的獲取與重建、探測新技術(shù)等。目標特征的獲取與重建、探測新技術(shù)等。 二、磁場理論發(fā)展簡史二、磁場理論發(fā)展簡史 1電磁場理論的早期研究電磁場理論的早期研究 電、磁現(xiàn)象是大自然最重要的往來現(xiàn)象,也最早電、磁現(xiàn)象是大自然最重要的往來現(xiàn)象,也最早 被科學家們關(guān)心和研究的物理現(xiàn)象,其中貢獻最被科學家們關(guān)心和研究的物理現(xiàn)象,其中貢獻最 大的有來頓、富蘭克林、伏打等科學家。大的有來頓、富蘭克林、伏打等科學家。 19世紀以前,電、磁現(xiàn)象作為兩個獨立的物理現(xiàn)世紀以前,電、磁現(xiàn)象作
4、為兩個獨立的物理現(xiàn) 象,沒有發(fā)現(xiàn)電與磁的聯(lián)系。但是由于這些研究象,沒有發(fā)現(xiàn)電與磁的聯(lián)系。但是由于這些研究 (特別是伏打(特別是伏打1799年發(fā)明了電池),為電磁學理論年發(fā)明了電池),為電磁學理論的建立奠定了基礎(chǔ)。的建立奠定了基礎(chǔ)。2電磁場理論的建立電磁場理論的建立18世紀末期,德國哲學家謝林認為,宇宙是世紀末期,德國哲學家謝林認為,宇宙是有活力的,而不是僵死的。他認為電就是宇有活力的,而不是僵死的。他認為電就是宇宙的活力,是宇宙的靈魂;電、磁、光、熱宙的活力,是宇宙的靈魂;電、磁、光、熱是相互聯(lián)系的。是相互聯(lián)系的。奧斯特是謝林的信徒,他從奧斯特是謝林的信徒,他從1807年開始研究年開始研究電磁
5、之間的關(guān)系。電磁之間的關(guān)系。1820年,他發(fā)現(xiàn)電流以力年,他發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針。作用于磁針。安培發(fā)現(xiàn)作用力的方向和電流的方向以及磁針到通安培發(fā)現(xiàn)作用力的方向和電流的方向以及磁針到通過電流的導線的垂直線方向相互垂直,并定量建立過電流的導線的垂直線方向相互垂直,并定量建立了若干數(shù)學公式。了若干數(shù)學公式。法拉第在謝林的影響下,相信電、磁、光、熱是相法拉第在謝林的影響下,相信電、磁、光、熱是相互聯(lián)系的。奧斯特互聯(lián)系的。奧斯特1820年發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針年發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針后,法拉第敏銳地意識到,電可以對磁產(chǎn)生作用,后,法拉第敏銳地意識到,電可以對磁產(chǎn)生作用,磁也一定能夠?qū)﹄姰a(chǎn)生影響。磁也一
6、定能夠?qū)﹄姰a(chǎn)生影響。1821年他開始探索磁年他開始探索磁生電的實驗。生電的實驗。1831年他發(fā)現(xiàn),當磁捧插入導體線圈年他發(fā)現(xiàn),當磁捧插入導體線圈時;導線圈中就產(chǎn)生電流。這表明,電與磁之間存時;導線圈中就產(chǎn)生電流。這表明,電與磁之間存在著密切的聯(lián)系。在著密切的聯(lián)系。 麥克斯韋深入研究并探討了電與磁之間發(fā)麥克斯韋深入研究并探討了電與磁之間發(fā)生作用的問題,發(fā)展了場的概念。在法拉生作用的問題,發(fā)展了場的概念。在法拉第實驗的基礎(chǔ)上,總結(jié)了宏觀電磁現(xiàn)象的第實驗的基礎(chǔ)上,總結(jié)了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律,引進位移電流的概念。這個概念的規(guī)律,引進位移電流的概念。這個概念的核心思想是:變化著的電場能產(chǎn)生磁場;核心思想是
7、:變化著的電場能產(chǎn)生磁場;與變化著的磁場產(chǎn)生電場相對應。在此基與變化著的磁場產(chǎn)生電場相對應。在此基礎(chǔ)上提出了一套偏微分方程來表達電磁現(xiàn)礎(chǔ)上提出了一套偏微分方程來表達電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律,稱為麥克斯韋方程組,是象的基本規(guī)律,稱為麥克斯韋方程組,是 經(jīng)典電磁學的基本方程。經(jīng)典電磁學的基本方程。3電磁場理論的應用和發(fā)展電磁場理論的應用和發(fā)展 1887年,德國科學家赫茲用火花隙激勵一年,德國科學家赫茲用火花隙激勵一個環(huán)狀天線,用另一個帶隙的環(huán)狀天線接個環(huán)狀天線,用另一個帶隙的環(huán)狀天線接收,證實了麥克斯韋關(guān)于電磁波存在的預收,證實了麥克斯韋關(guān)于電磁波存在的預言,這一重要的實驗導致了后來無線電報言,這一重要
8、的實驗導致了后來無線電報的發(fā)明。從此開始了電磁場理論應用與發(fā)的發(fā)明。從此開始了電磁場理論應用與發(fā)展時代,并且發(fā)展成為當代最引人注目的展時代,并且發(fā)展成為當代最引人注目的學科之一。學科之一。 無線電報無線電報 1895年,意大利馬可尼成功地進行了年,意大利馬可尼成功地進行了 2.5公里距離的無線電報傳送實驗。公里距離的無線電報傳送實驗。1896年,波年,波 波夫進行了約波夫進行了約250米距離的類似試驗米距離的類似試驗, 1899年年, 無無 線電報跨越英吉利海峽的試驗成功;線電報跨越英吉利海峽的試驗成功;1901年,跨年,跨 越大西洋的越大西洋的3200公里距離的試驗成功。馬可尼以公里距離的試
9、驗成功。馬可尼以 其在無線電報等領(lǐng)域的成就,獲得了其在無線電報等領(lǐng)域的成就,獲得了1909年的諾年的諾 貝爾獎金物理學獎。無線電報的發(fā)明,開始了利貝爾獎金物理學獎。無線電報的發(fā)明,開始了利 用電磁波時期。用電磁波時期。 有線電話有線電話 1876年年,美國美國A.G.貝爾在美國建國貝爾在美國建國 100周年博覽會上展示了他所發(fā)明周年博覽會上展示了他所發(fā)明 的有線電話。的有線電話。 此后此后,有線電話便迅速普及開來。有線電話便迅速普及開來。 廣播廣播 1906年,美國費森登用年,美國費森登用50千赫頻率發(fā)電機作發(fā)千赫頻率發(fā)電機作發(fā) 射機,用微音器接入天線實現(xiàn)調(diào)制,使大西洋航船上射機,用微音器接入
10、天線實現(xiàn)調(diào)制,使大西洋航船上 的報務員聽到了他從波士頓播出的音樂。的報務員聽到了他從波士頓播出的音樂。1919年,第年,第 一個定時播發(fā)一個定時播發(fā) 語言和音樂的無線電廣播電臺在英國建語言和音樂的無線電廣播電臺在英國建 成。次年成。次年 ,在美國的匹茲堡城又建成一座無線電廣播,在美國的匹茲堡城又建成一座無線電廣播 電臺。電臺。 電視電視 1884年,德國尼普科夫提出機械掃描電視的設(shè)年,德國尼普科夫提出機械掃描電視的設(shè) 想,想,1927年,英國貝爾德成功地用電話線路把圖像從年,英國貝爾德成功地用電話線路把圖像從 倫敦傳至大西倫敦傳至大西 洋中的船上。茲沃霄金在洋中的船上。茲沃霄金在1923和和1
11、924 年相繼發(fā)明了攝像管和顯像管。年相繼發(fā)明了攝像管和顯像管。1931年,他組裝成世年,他組裝成世 界上界上 第一個全電子電視系統(tǒng)第一個全電子電視系統(tǒng)。雷達(雷達(Radio Detection and Ranging)二次世界大戰(zhàn)前夕,飛機成為主要進攻武器。二次世界大戰(zhàn)前夕,飛機成為主要進攻武器。英、美、德、法等國競相研制一類能夠早期警英、美、德、法等國競相研制一類能夠早期警戒飛機的裝置。戒飛機的裝置。1936年,英國的瓦特設(shè)計的警年,英國的瓦特設(shè)計的警戒雷達最先投入了運行。有效地警戒了來自德戒雷達最先投入了運行。有效地警戒了來自德國的轟炸機。國的轟炸機。1938年,美國研制成第一部能指年
12、,美國研制成第一部能指揮火炮射擊的火炮控制雷達。揮火炮射擊的火炮控制雷達。1940年,多腔磁年,多腔磁控管的發(fā)明,微波雷達的研制成為可能??毓艿陌l(fā)明,微波雷達的研制成為可能。1944年,能夠自動跟蹤飛機的雷達研制成功。年,能夠自動跟蹤飛機的雷達研制成功。1945年,能消除背景干擾顯示運動目標的顯示技術(shù)年,能消除背景干擾顯示運動目標的顯示技術(shù)的發(fā)明的發(fā)明,使雷達更加完善。在整個第二次世界大使雷達更加完善。在整個第二次世界大戰(zhàn)期間戰(zhàn)期間,雷達成了電磁場理論最活躍的部分。雷達成了電磁場理論最活躍的部分。衛(wèi)星通信技術(shù)衛(wèi)星通信技術(shù) 1958年年, 美國發(fā)射低軌的美國發(fā)射低軌的“斯科爾斯科爾”衛(wèi)星成功衛(wèi)星
13、成功,這是第一顆用于通信的試驗衛(wèi)星。這是第一顆用于通信的試驗衛(wèi)星。1964年年,借助定點同步通信衛(wèi)星首次實現(xiàn)了美、借助定點同步通信衛(wèi)星首次實現(xiàn)了美、 歐、非歐、非三大洲的通信和電視轉(zhuǎn)播。三大洲的通信和電視轉(zhuǎn)播。1965年年,第一顆商用定第一顆商用定點同步衛(wèi)星投入運行。點同步衛(wèi)星投入運行。1969年年, 大西洋、太平洋和大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定點同步通信衛(wèi)星印度洋上空均已有定點同步通信衛(wèi)星,衛(wèi)星地球站衛(wèi)星地球站已遍布世界各國,這些衛(wèi)星地球站又和本國或本地已遍布世界各國,這些衛(wèi)星地球站又和本國或本地區(qū)的通信網(wǎng)接通。衛(wèi)星通信經(jīng)歷區(qū)的通信網(wǎng)接通。衛(wèi)星通信經(jīng)歷10年的發(fā)展,終趨年的發(fā)展,終趨于
14、成熟于成熟。 衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù) 1957年衛(wèi)星發(fā)射成功后,人們試 圖將雷達引入衛(wèi)星,實現(xiàn)以衛(wèi)星為基地對地球表 面及近地空間目標的定位和導航。1958年底,美 國開始研究實施這一計劃,于1964年研究成功子 午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)。1973年美國提出了由24顆衛(wèi)星組成的實用系統(tǒng)新方案,即GPS計劃。它是英文 Navigation Satellite Timing and Ranging /Global Positioning System 的字頭縮寫NAVSTAR/GPS的簡稱,其含義是利用導航衛(wèi)星 進行測時和測距。1990年最終的GPS方案是由21 顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。三、電磁場理論的主要研究對象三、電磁場理論的主要研究對象 電磁場的基本屬性及其運動規(guī)律電磁場的基本屬性及其運動規(guī)律 波與物質(zhì)的相互作用及信息的提取波與物質(zhì)的相互作用及信息的提取 電磁場系統(tǒng)的計算方法,仿真技術(shù)電磁場系統(tǒng)的計算方法,仿真技術(shù) 工程技術(shù)應用中的電磁場理論問題工程技術(shù)應用中的電磁場理論問題四、學習的目的、方法及其要求四、學習的目的、方法及其要求掌握宏觀電磁場的基本屬性和運動規(guī)律掌握宏觀電磁場問題的基本求解方法了解宏觀電磁場的主要應用領(lǐng)域及其原理訓練分析問題、歸納問題的科學方法培養(yǎng)用數(shù)學解決實際問題的能力獨立完成作業(yè),做好課堂筆記精讀一
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