電磁場(chǎng)與電磁波序言——法林

1、第第0 0章章 電磁學(xué)漫談電磁學(xué)漫談電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電磁學(xué)漫談一、電磁場(chǎng)與電磁波理論發(fā)展簡史一、電磁場(chǎng)與電磁波理論發(fā)展簡史三、該課程的內(nèi)容三、該課程的內(nèi)容二、電磁場(chǎng)與電磁波的典型應(yīng)用二、電磁場(chǎng)與電磁波的典型應(yīng)用第第0 0章章 電磁學(xué)漫談電磁學(xué)漫談電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波 電磁場(chǎng)與電磁波理論是近代自然科學(xué)中，理論相對(duì)最完整、應(yīng)用最廣泛的支柱學(xué)科之一。電磁場(chǎng)與電磁波技術(shù)已遍及人類的科學(xué)技術(shù)、政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、文化以及日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。 電磁場(chǎng)是物質(zhì)世界的重要組成部分。在生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域存在大量與電磁場(chǎng)有關(guān)的問題。例如電力系統(tǒng)、電磁探礦、粒子加速器等。在迅變情況下，電磁場(chǎng)以電

2、磁波的形式存在，其應(yīng)用更為廣泛，如無線電波、微波、熱輻射、光波、X射線等。 19世紀(jì)是電磁研究蓬勃開展的時(shí)代，法拉第、歐姆、傅立葉、基爾霍夫、奧斯特、安培、畢奧、薩伐爾、麥克斯韋、斯托克斯、湯姆森、赫茲、楞次、雅可比、西門，單單從這些名字和科學(xué)家的陣容，你就可以感受到這一時(shí)期的電磁科學(xué)取得了多么輝煌的成就。 一、電磁場(chǎng)與電磁波理論發(fā)展簡史一、電磁場(chǎng)與電磁波理論發(fā)展簡史第第0 0章章 電磁學(xué)漫談電磁學(xué)漫談電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波宇宇宙宙射射線線 射射線線 X X射射線線 紫紫外外線線 可可見見光光紅紅外外線線微波微波毫毫米米波波厘厘米米波波分分米米波波超超短短波波短短波波中中波波長長波波無無

3、 線線 電電 波波12101010410210210410610)c( m22103 16103 14103 12103 4103 )Hz(第第0 0章章 電磁學(xué)漫談電磁學(xué)漫談電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波最早的天線最早的發(fā)射天線是最早的發(fā)射天線是赫茲赫茲在在18871887年為了驗(yàn)證麥克斯韋根據(jù)理論推導(dǎo)所作關(guān)于存在年為了驗(yàn)證麥克斯韋根據(jù)理論推導(dǎo)所作關(guān)于存在電磁波的預(yù)言而設(shè)計(jì)的。它是兩個(gè)約為電磁波的預(yù)言而設(shè)計(jì)的。它是兩個(gè)約為3030厘米長、位于一直線上的金屬桿，其厘米長、位于一直線上的金屬桿，其遠(yuǎn)離的兩端分別與兩個(gè)約遠(yuǎn)離的兩端分別與兩個(gè)約4040厘米厘米2 2的正方形金屬板相連接，靠近的兩端分別

4、連接的正方形金屬板相連接，靠近的兩端分別連接兩個(gè)金屬球并接到一個(gè)感應(yīng)線圈的兩端，利用金屬球之間的火花放電來產(chǎn)生振兩個(gè)金屬球并接到一個(gè)感應(yīng)線圈的兩端，利用金屬球之間的火花放電來產(chǎn)生振蕩。當(dāng)時(shí)，赫茲用的接收天線是單圈金屬方形環(huán)狀天線，根據(jù)方環(huán)端點(diǎn)之間空蕩。當(dāng)時(shí)，赫茲用的接收天線是單圈金屬方形環(huán)狀天線，根據(jù)方環(huán)端點(diǎn)之間空隙出現(xiàn)火花來指示收到了信號(hào)。隙出現(xiàn)火花來指示收到了信號(hào)。 第第0 0章章 電磁學(xué)漫談電磁學(xué)漫談電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波 1785年，法國科學(xué)家?guī)靵鲈趯?shí)驗(yàn)規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了第一個(gè)電學(xué)定律：庫侖定律。使電學(xué)研究走上了理論研究的道路。 1820年，由丹麥的科學(xué)家奧斯特在課堂上的一次試

5、驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了電的磁效應(yīng)，從此將電和磁聯(lián)系在一起 。 1822年，法國科學(xué)家安培提出了安培環(huán)路定律，將奧斯特的發(fā)現(xiàn)上升為理論。 1825年，德國科學(xué)家歐姆得出了第一個(gè)電路定律：歐姆定律。 1831年，英國實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律 。并設(shè)計(jì)了世界上第一臺(tái)感應(yīng)發(fā)電機(jī)。第第0 0章章 電磁學(xué)漫談電磁學(xué)漫談電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波 1840年，英國科學(xué)家焦耳提出了焦耳定律，揭示了電磁現(xiàn)象的能量特性。 電磁學(xué)理論的完成者英國的物理學(xué)家麥克斯韋（18311879）。麥克斯韋方程組用最完美的數(shù)學(xué)形式表達(dá)了宏觀電磁學(xué)的全部內(nèi)容 。麥克斯韋從理論上預(yù)言了電磁波的存在。第第0 0章章 電磁學(xué)漫談電磁

6、學(xué)漫談電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波 靜電場(chǎng)：利用靜電場(chǎng)對(duì)帶電粒子具有力的作用。靜電場(chǎng)：利用靜電場(chǎng)對(duì)帶電粒子具有力的作用。如：如：靜電復(fù)印、靜電除塵以及靜電噴漆靜電復(fù)印、靜電除塵以及靜電噴漆 靜磁場(chǎng)：利用磁場(chǎng)力的作用。靜磁場(chǎng)：利用磁場(chǎng)力的作用。如：電磁鐵、磁懸浮如：電磁鐵、磁懸浮軸承以及磁懸浮列車等軸承以及磁懸浮列車等 時(shí)變電磁場(chǎng)：利用電磁波作為媒介傳輸信息。時(shí)變電磁場(chǎng)：利用電磁波作為媒介傳輸信息。如：如：無線通信、廣播、雷達(dá)、遙控遙測(cè)、微波遙感、無無線通信、廣播、雷達(dá)、遙控遙測(cè)、微波遙感、無線因特網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、衛(wèi)星定位以及光纖通信等線因特網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、衛(wèi)星定位以及光纖通信等信息技術(shù)信息技術(shù)

7、二、電磁場(chǎng)與電磁波應(yīng)用的三個(gè)主要方面二、電磁場(chǎng)與電磁波應(yīng)用的三個(gè)主要方面第第0 0章章 電磁學(xué)漫談電磁學(xué)漫談電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域電磁理論電子對(duì)抗電子對(duì)抗無線通信無線通信廣播、電視廣播、電視雷達(dá)、導(dǎo)航、遙雷達(dá)、導(dǎo)航、遙感感工業(yè)無損探傷工業(yè)無損探傷射電天文射電天文強(qiáng)電（變壓器、電機(jī)）強(qiáng)電（變壓器、電機(jī)）等等電磁兼容等電磁兼容等電磁醫(yī)療儀器、電磁醫(yī)電磁醫(yī)療儀器、電磁醫(yī)療療探地雷達(dá)探地雷達(dá)磁懸浮技術(shù)磁懸浮技術(shù)微波烘干、殺微波烘干、殺菌菌第第0 0章章 電磁學(xué)漫談電磁學(xué)漫談電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波靜態(tài)場(chǎng)應(yīng)用靜態(tài)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)變場(chǎng)應(yīng)用時(shí)變場(chǎng)應(yīng)用陰極射線示波器陰極射線示波器

8、噴墨打印機(jī)噴墨打印機(jī)磁分離器磁分離器磁懸浮列車磁懸浮列車礦物的分選礦物的分選.變壓器變壓器藍(lán)牙技術(shù)藍(lán)牙技術(shù)衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信微波爐微波爐/電磁爐電磁爐隱形飛機(jī)隱形飛機(jī).應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例第第0 0章章 電磁學(xué)漫談電磁學(xué)漫談電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波所有帶電粒子偏轉(zhuǎn)都是通過兩平行板間的電位差實(shí)現(xiàn)所有帶電粒子偏轉(zhuǎn)都是通過兩平行板間的電位差實(shí)現(xiàn)原理應(yīng)用：原理應(yīng)用：陰極射線示波器陰極射線示波器回旋加速器回旋加速器噴墨打印機(jī)噴墨打印機(jī)速度選擇器等速度選擇器等原理：通過控制帶電粒子（電子或是質(zhì)子）的軌跡。原理：通過控制帶電粒子（電子或是質(zhì)子）的軌跡。第第0 0章章 電磁學(xué)漫談電磁學(xué)漫談電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與

9、電磁波陰極射線示波器陰極射線示波器第第0 0章章 電磁學(xué)漫談電磁學(xué)漫談電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波噴噴墨墨打打印印機(jī)機(jī)第第0 0章章 電磁學(xué)漫談電磁學(xué)漫談電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波選礦器硫酸鹽礦石英含石英硫酸鹽礦第第0 0章章 電磁學(xué)漫談電磁學(xué)漫談電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波磁分離器第第0 0章章 電磁學(xué)漫談電磁學(xué)漫談電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波磁錄音原理：第第0 0章章 電磁學(xué)漫談電磁學(xué)漫談電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波磁懸浮列車第第0 0章章 電磁學(xué)漫談電磁學(xué)漫談電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波時(shí)變場(chǎng)時(shí)變場(chǎng)電磁波的應(yīng)電磁波的應(yīng)用用在發(fā)現(xiàn)電磁波不到在發(fā)現(xiàn)電磁波不到6 6年，利用年，利用電磁波的技

10、術(shù)，如雨后春筍電磁波的技術(shù)，如雨后春筍般相繼問世。般相繼問世。無線電報(bào)（無線電報(bào)（18941894年）年）無線電廣播（無線電廣播（19061906年）年）無線電導(dǎo)航（無線電導(dǎo)航（19111911年）年）無線電話（無線電話（19161916年）年）第第0 0章章 電磁學(xué)漫談電磁學(xué)漫談電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波 短波通信（短波通信（19211921年）年） 無線電傳真（無線電傳真（19231923年）年） 電視（電視（19291929年）年） 微波通信（微波通信（19331933年）年） 雷達(dá)（雷達(dá)（19351935年）年） 遙控、遙感、衛(wèi)星通信、遙控、遙感、衛(wèi)星通信、射電天文學(xué)射電天文學(xué)它們使

11、整它們使整個(gè)世界面貌發(fā)生了深刻的個(gè)世界面貌發(fā)生了深刻的變化。變化。第第0 0章章 電磁學(xué)漫談電磁學(xué)漫談電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波 衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信 基本原理：基本原理：衛(wèi)星通信就是地球上（包括地球、水面和衛(wèi)星通信就是地球上（包括地球、水面和低層大氣中）的無線電通信站之間利用人造衛(wèi)星做中低層大氣中）的無線電通信站之間利用人造衛(wèi)星做中繼站而進(jìn)行的通信。繼站而進(jìn)行的通信。 通信地球站：通信地球站：可以是地面站、車載站、機(jī)載站可以是地面站、車載站、機(jī)載站 地球站的天線地球站的天線要始終對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星才能利用衛(wèi)星進(jìn)行通信，要始終對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星才能利用衛(wèi)星進(jìn)行通信，所以我們通常使用靜止衛(wèi)星，也即同步衛(wèi)星。所以我們通

12、常使用靜止衛(wèi)星，也即同步衛(wèi)星。 同步衛(wèi)星：同步衛(wèi)星：衛(wèi)星處在距地面衛(wèi)星處在距地面35600公里左右時(shí)，周期公里左右時(shí)，周期T=24小時(shí)，時(shí)間與地球自轉(zhuǎn)時(shí)間一致。小時(shí)，時(shí)間與地球自轉(zhuǎn)時(shí)間一致。衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信是二戰(zhàn)之后發(fā)展起來的一是二戰(zhàn)之后發(fā)展起來的一種先進(jìn)的無線通信技術(shù)。種先進(jìn)的無線通信技術(shù)。第第0 0章章 電磁學(xué)漫談電磁學(xué)漫談電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波我國衛(wèi)星發(fā)展?fàn)顩r我國衛(wèi)星發(fā)展?fàn)顩r 1、1970年年4月月24日成功發(fā)射日成功發(fā)射“東方紅一號(hào)東方紅一號(hào)”第一第一顆衛(wèi)星。顆衛(wèi)星。 2、1984年年4月月 成功發(fā)射第一顆同步衛(wèi)星成功發(fā)射第一顆同步衛(wèi)星“東方紅東方紅二號(hào)二號(hào)”。 3、1990年年

13、4月月27日成功發(fā)射日成功發(fā)射“亞州一號(hào)亞州一號(hào)”通信衛(wèi)通信衛(wèi)星。星。第第0 0章章 電磁學(xué)漫談電磁學(xué)漫談電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電磁爐電磁爐加熱原理：加熱原理：采用磁場(chǎng)感應(yīng)電流采用磁場(chǎng)感應(yīng)電流( (渦流渦流) )加熱，利用電流通加熱，利用電流通過線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)磁場(chǎng)內(nèi)的磁力線通過金屬器皿的過線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)磁場(chǎng)內(nèi)的磁力線通過金屬器皿的底部時(shí)即會(huì)產(chǎn)生無數(shù)小渦流，使器皿本身自行高速發(fā)底部時(shí)即會(huì)產(chǎn)生無數(shù)小渦流，使器皿本身自行高速發(fā)熱，然后再加熱于器皿內(nèi)的食物。熱，然后再加熱于器皿內(nèi)的食物。特點(diǎn)：特點(diǎn)： 鍋具自行發(fā)熱，并煮食鍋內(nèi)食物。鍋具自行發(fā)熱，并煮食鍋內(nèi)食物。 爐面不發(fā)熱，當(dāng)磁場(chǎng)內(nèi)的磁力線通

14、過非金屬物休，不爐面不發(fā)熱，當(dāng)磁場(chǎng)內(nèi)的磁力線通過非金屬物休，不會(huì)產(chǎn)生渦流，故不會(huì)產(chǎn)生熱力。爐面和人都是非金屬會(huì)產(chǎn)生渦流，故不會(huì)產(chǎn)生熱力。爐面和人都是非金屬物體，本身不會(huì)發(fā)熱，因此沒有被電磁爐燒傷的危險(xiǎn)，物體，本身不會(huì)發(fā)熱，因此沒有被電磁爐燒傷的危險(xiǎn)，安全可靠。安全可靠。 電磁爐的熱效率極高，煮食時(shí)安全、潔凈、無火、無電磁爐的熱效率極高，煮食時(shí)安全、潔凈、無火、無煙、無廢氣、不怕風(fēng)吹、不會(huì)爆炸或引致氣體中毒。煙、無廢氣、不怕風(fēng)吹、不會(huì)爆炸或引致氣體中毒。第第0 0章章 電磁學(xué)漫談電磁學(xué)漫談電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波微波爐微波爐 內(nèi)加熱：內(nèi)加熱：微波爐中極性分子接受微波輻射的能量微波爐中極性分子

15、接受微波輻射的能量后，通過分子偶極的每秒數(shù)十億次的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)后，通過分子偶極的每秒數(shù)十億次的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生熱效應(yīng)，這種加熱方式稱為內(nèi)加熱生熱效應(yīng)，這種加熱方式稱為內(nèi)加熱 外加熱：外加熱：把普通熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流的加熱過程稱為把普通熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流的加熱過程稱為外加熱。外加熱。 內(nèi)加熱特點(diǎn)：內(nèi)加熱特點(diǎn)：加熱速度快、受熱體系溫度均勻等加熱速度快、受熱體系溫度均勻等特點(diǎn)。特點(diǎn)。第第0 0章章 電磁學(xué)漫談電磁學(xué)漫談電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波隱形飛機(jī)隱形飛機(jī) 雷達(dá)工作原理：雷達(dá)工作原理：雷達(dá)發(fā)出高頻電磁波射到物體上。雷達(dá)發(fā)出高頻電磁波射到物體上。物體把這個(gè)電磁波向各個(gè)方向反射，當(dāng)然也有一部物體把這個(gè)電磁波向各

16、個(gè)方向反射，當(dāng)然也有一部分反射回發(fā)射點(diǎn)（雷達(dá)），在雷達(dá)處再設(shè)一個(gè)接收分反射回發(fā)射點(diǎn)（雷達(dá)），在雷達(dá)處再設(shè)一個(gè)接收裝置就可接收到回波。根據(jù)回波可發(fā)現(xiàn)物體。裝置就可接收到回波。根據(jù)回波可發(fā)現(xiàn)物體。 隱形飛機(jī)原理：隱形飛機(jī)原理：使雷達(dá)無法探測(cè)到。飛機(jī)達(dá)到隱形使雷達(dá)無法探測(cè)到。飛機(jī)達(dá)到隱形效果的關(guān)鍵，在于采用隱形材料和隱形設(shè)計(jì)，盡量效果的關(guān)鍵，在于采用隱形材料和隱形設(shè)計(jì)，盡量把雷達(dá)波束吸收掉，或者向偏離原雷達(dá)的方向反射。把雷達(dá)波束吸收掉，或者向偏離原雷達(dá)的方向反射。這樣飛機(jī)就不容易被雷達(dá)探測(cè)到。這樣飛機(jī)就不容易被雷達(dá)探測(cè)到。隱形飛機(jī)決不是指飛機(jī)將自己隱形飛機(jī)決不是指飛機(jī)將自己的形體隱藏起來，讓我們看的

17、形體隱藏起來，讓我們看不見它，而是說它可以使雷不見它，而是說它可以使雷達(dá)達(dá)“看不到看不到”它。它。F-117A (第第1種可正式作戰(zhàn)的隱形種可正式作戰(zhàn)的隱形飛機(jī)飛機(jī)) 第第0 0章章 電磁學(xué)漫談電磁學(xué)漫談電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波雷達(dá)系統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)第第0 0章章 電磁學(xué)漫談電磁學(xué)漫談電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電磁學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)電磁學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 矢量運(yùn)算矢量運(yùn)算靜態(tài)場(chǎng)靜態(tài)場(chǎng)靜電場(chǎng)靜電場(chǎng)恒定電場(chǎng)恒定電場(chǎng)恒定磁場(chǎng)恒定磁場(chǎng)靜態(tài)場(chǎng)的求解方法靜態(tài)場(chǎng)的求解方法時(shí)變場(chǎng)時(shí)變場(chǎng)時(shí)變電磁場(chǎng)的基本特性時(shí)變電磁場(chǎng)的基本特性均勻平面電磁波均勻平面電磁波三、該課程的內(nèi)容三、該課程的內(nèi)容第第0 0章章 電磁學(xué)漫談電磁學(xué)漫談電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波參考書參考書1 1、電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波人民郵電出版社人民郵