電磁場(chǎng)與電磁波課件(中文版)

1、電場(chǎng)和磁場(chǎng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)前前 言言 運(yùn)動(dòng)電荷或電流產(chǎn)生的場(chǎng)表現(xiàn)為對(duì)于磁鐵和載流導(dǎo)運(yùn)動(dòng)電荷或電流產(chǎn)生的場(chǎng)表現(xiàn)為對(duì)于磁鐵和載流導(dǎo)體有力的作用，這種物質(zhì)稱為體有力的作用，這種物質(zhì)稱為磁場(chǎng)磁場(chǎng)。不隨時(shí)間變化的磁。不隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)稱為場(chǎng)稱為恒定磁場(chǎng)恒定磁場(chǎng)。 靜止電荷產(chǎn)生的場(chǎng)表現(xiàn)為對(duì)于帶電體有力的作用，靜止電荷產(chǎn)生的場(chǎng)表現(xiàn)為對(duì)于帶電體有力的作用，這種場(chǎng)稱為這種場(chǎng)稱為電場(chǎng)電場(chǎng)。不隨時(shí)間變化的電場(chǎng)稱為。不隨時(shí)間變化的電場(chǎng)稱為靜電場(chǎng)靜電場(chǎng)。 如果電荷及電流均隨如果電荷及電流均隨時(shí)間時(shí)間改變，它們產(chǎn)生的電場(chǎng)改變，它們產(chǎn)生的電場(chǎng)及磁場(chǎng)也是隨時(shí)間變化的。時(shí)變的電場(chǎng)與時(shí)變的磁場(chǎng)及磁場(chǎng)也是隨時(shí)間變化的。時(shí)變的電場(chǎng)與時(shí)變的

2、磁場(chǎng)可以相互轉(zhuǎn)化，兩者不可分割，它們構(gòu)成統(tǒng)一的可以相互轉(zhuǎn)化，兩者不可分割，它們構(gòu)成統(tǒng)一的時(shí)變時(shí)變電磁場(chǎng)電磁場(chǎng)。時(shí)變電場(chǎng)與時(shí)變磁場(chǎng)之間的相互轉(zhuǎn)化作用，。時(shí)變電場(chǎng)與時(shí)變磁場(chǎng)之間的相互轉(zhuǎn)化作用，在空間形成了在空間形成了電磁波電磁波。電電 磁磁 波波 靜電場(chǎng)靜電場(chǎng)與與恒定磁場(chǎng)恒定磁場(chǎng)相互無(wú)關(guān)、彼此獨(dú)立，可以分相互無(wú)關(guān)、彼此獨(dú)立，可以分別進(jìn)行研究。因此，本書先討論靜電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)，別進(jìn)行研究。因此，本書先討論靜電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)，然后再介紹時(shí)變電磁場(chǎng)。然后再介紹時(shí)變電磁場(chǎng)。物物 質(zhì)質(zhì) 屬屬 性性 電磁場(chǎng)與電磁波既然是一種物質(zhì)，它的存在和傳電磁場(chǎng)與電磁波既然是一種物質(zhì)，它的存在和傳播無(wú)需依賴于任何介質(zhì)。播無(wú)需

3、依賴于任何介質(zhì)。 電磁場(chǎng)與電磁波是客觀存在的一種物質(zhì)，因?yàn)樗姶艌?chǎng)與電磁波是客觀存在的一種物質(zhì)，因?yàn)樗哂形镔|(zhì)的兩種重要屬性具有物質(zhì)的兩種重要屬性：能量能量和和質(zhì)量質(zhì)量。但是，電磁。但是，電磁場(chǎng)與電磁波的質(zhì)量極其微小，因此，通常僅研究電磁場(chǎng)與電磁波的質(zhì)量極其微小，因此，通常僅研究電磁場(chǎng)與電磁波的場(chǎng)與電磁波的能量特性能量特性。 對(duì)于電磁場(chǎng)與電磁波來(lái)說(shuō)，真空環(huán)境通常被稱為對(duì)于電磁場(chǎng)與電磁波來(lái)說(shuō)，真空環(huán)境通常被稱為“自由空間自由空間”。 當(dāng)空間存在介質(zhì)時(shí)，在電磁場(chǎng)的作用下介質(zhì)中會(huì)當(dāng)空間存在介質(zhì)時(shí)，在電磁場(chǎng)的作用下介質(zhì)中會(huì)發(fā)生發(fā)生極化極化與與磁化磁化現(xiàn)象，結(jié)果在介質(zhì)中又產(chǎn)生二次電場(chǎng)現(xiàn)象，結(jié)果在介質(zhì)中又

4、產(chǎn)生二次電場(chǎng)及磁場(chǎng)，從而改變了介質(zhì)中原先的場(chǎng)分布，這就是場(chǎng)及磁場(chǎng)，從而改變了介質(zhì)中原先的場(chǎng)分布，這就是場(chǎng)與介質(zhì)的與介質(zhì)的相互作用相互作用現(xiàn)象?，F(xiàn)象。場(chǎng)場(chǎng) 與與 介介 質(zhì)質(zhì) 先介紹先介紹真空真空中的電磁場(chǎng)，然后再討論中的電磁場(chǎng)，然后再討論介質(zhì)介質(zhì)中的電中的電磁場(chǎng)。磁場(chǎng)。電荷電荷及及電流電流是產(chǎn)生電磁場(chǎng)是產(chǎn)生電磁場(chǎng)惟一惟一的源。的源。場(chǎng)場(chǎng) 與與 源源研究研究場(chǎng)場(chǎng)與與源源的關(guān)系是電磁理論的基本問(wèn)題之一。的關(guān)系是電磁理論的基本問(wèn)題之一。 引入引入磁荷磁荷及及磁流磁流的概念是十分有益的，但是，的概念是十分有益的，但是，它們僅是它們僅是假想的假想的。時(shí)時(shí) 代代發(fā)發(fā) 明明 者者現(xiàn)現(xiàn) 象象公元前公元前600年

5、年希臘人希臘人摩擦后琥珀吸引微物體摩擦后琥珀吸引微物體公元前公元前300年年中國(guó)人中國(guó)人磁石吸鐵磁石吸鐵1785年年法國(guó)庫(kù)侖法國(guó)庫(kù)侖(17361806)電荷之間的作用力電荷之間的作用力庫(kù)侖定律庫(kù)侖定律1820年年丹麥奧斯特丹麥奧斯特(17771851)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)1820年年法國(guó)安培法國(guó)安培(17751836)電流之間的作用力電流之間的作用力安培安培定律定律1831年年英國(guó)法拉第英國(guó)法拉第(17911867)時(shí)變磁場(chǎng)產(chǎn)生時(shí)變電場(chǎng)時(shí)變磁場(chǎng)產(chǎn)生時(shí)變電場(chǎng)電磁感應(yīng)定律電磁感應(yīng)定律歷歷 史史 的的 回回 顧顧 1873年英國(guó)科學(xué)家年英國(guó)科學(xué)家麥克斯韋麥克斯韋（18311879）提出了）提出了

6、位移電流的假設(shè)，認(rèn)為時(shí)變電場(chǎng)可以產(chǎn)生時(shí)變磁場(chǎng)，并位移電流的假設(shè)，認(rèn)為時(shí)變電場(chǎng)可以產(chǎn)生時(shí)變磁場(chǎng)，并建立了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方程建立了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方程麥克斯韋方程麥克斯韋方程。重重 大大 突突 破破 麥克斯韋預(yù)言電磁波的存在，后來(lái)在麥克斯韋預(yù)言電磁波的存在，后來(lái)在1887年被德國(guó)年被德國(guó)物理學(xué)家物理學(xué)家赫茲赫茲（18571894）的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。）的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。 俄國(guó)的俄國(guó)的波波夫波波夫及意大利及意大利的的馬可尼馬可尼于于19世紀(jì)末先后發(fā)世紀(jì)末先后發(fā)明了使用電磁波作為信息載體的傳輸技術(shù)。明了使用電磁波作為信息載體的傳輸技術(shù)。電磁場(chǎng)與波的應(yīng)用電磁場(chǎng)與波的應(yīng)用 當(dāng)今的當(dāng)今的無(wú)線通信無(wú)線通信、廣播廣播、雷達(dá)雷達(dá)、遙控遙

7、測(cè)遙控遙測(cè)、微波遙微波遙感感、無(wú)線廣域網(wǎng)無(wú)線廣域網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)無(wú)線局域網(wǎng)、衛(wèi)星定位衛(wèi)星定位以及以及光纖通信光纖通信等信息技術(shù)都是利用電磁波作為載體傳輸信息的。等信息技術(shù)都是利用電磁波作為載體傳輸信息的。 靜電復(fù)印靜電復(fù)印、靜電除塵靜電除塵以及以及靜電噴漆靜電噴漆等技術(shù)都是基于等技術(shù)都是基于靜電場(chǎng)對(duì)于帶電粒子具有力的作用。靜電場(chǎng)對(duì)于帶電粒子具有力的作用。 電磁鐵電磁鐵、磁懸浮軸承磁懸浮軸承以及以及磁懸浮列車磁懸浮列車等，都是利等，都是利用磁場(chǎng)力的作用。用磁場(chǎng)力的作用。世界首輛載人高溫超導(dǎo)磁懸浮試驗(yàn)車西南交通大學(xué)應(yīng)用超導(dǎo)研究所研制Stable!Stable!磁磁 場(chǎng)場(chǎng) 力力 的的 應(yīng)應(yīng) 用用B2

8、隱形轟炸機(jī)隱形轟炸機(jī) i rir反反 射射 定定 律律 的的 應(yīng)應(yīng) 用用Stealth Fighter F-117立立 體體 電電 影影 電電 磁磁 波波 極極 化化 特特 性性 的的 應(yīng)應(yīng) 用用 全全 球球 定定 位位 系系 統(tǒng)統(tǒng) Global Positioning System(GPS)信信 息息 載載 體體 的的 應(yīng)應(yīng) 用用 *2004年年無(wú)線無(wú)線上網(wǎng)的設(shè)備達(dá)到上網(wǎng)的設(shè)備達(dá)到 15 億部。億部。*2004年年60%美國(guó)人在工作中使用美國(guó)人在工作中使用無(wú)線無(wú)線設(shè)備。設(shè)備。*2005年全世界年全世界無(wú)線無(wú)線上網(wǎng)的人數(shù)達(dá)到上網(wǎng)的人數(shù)達(dá)到 4.8 億。億。*2007年美國(guó)年美國(guó)無(wú)線無(wú)線商務(wù)用戶

9、超過(guò)商務(wù)用戶超過(guò) 1 億億。*目前中國(guó)的目前中國(guó)的手機(jī)手機(jī)用戶已有用戶已有 5 億多。億多。無(wú)無(wú) 線線 用用 戶戶 新技術(shù)的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了電磁理論的發(fā)展。由此創(chuàng)新技術(shù)的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了電磁理論的發(fā)展。由此創(chuàng)建了很多分析電磁場(chǎng)與建了很多分析電磁場(chǎng)與電磁電磁波的波的新方法新方法，研制了很多電，研制了很多電磁性能優(yōu)越的磁性能優(yōu)越的新材料新材料。相互促進(jìn)，共同發(fā)展相互促進(jìn)，共同發(fā)展 隨著大容量的高性能及高速度計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，不但解隨著大容量的高性能及高速度計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，不但解決了很多電磁理論的計(jì)算問(wèn)題，同時(shí)也萌生了計(jì)算電磁場(chǎng)決了很多電磁理論的計(jì)算問(wèn)題，同時(shí)也萌生了計(jì)算電磁場(chǎng)與與電磁電磁波的新方法，從而形成波的新方法，從而形成計(jì)算電磁學(xué)計(jì)算電磁學(xué)的新學(xué)科。的新學(xué)科。電電 磁磁 單單 位位 本書采用國(guó)際單位制（本書采用國(guó)際單位制（ SI ）。在電磁學(xué)中，這種）。在電磁學(xué)中，這種單位制的四個(gè)基本單位是