電磁場與電磁波緒論

電磁場與電磁波學時：64課時授課教師：劉莉電話子郵箱：bygone89@21SICNU電磁場與電磁波SICNU電磁場與電磁波一、課程的性質二、電磁場理論的發(fā)展

三．電磁場理論的應用

四、內容結構五、學習的目的、方法及其要求

六、主要參考書?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?電磁波作為信息傳輸的載體，成為當今人類社會發(fā)布和獲取信息、探測未知世界的重要手段一、課程的性質?電類專業(yè)學生必修的技術基礎課?是電氣工程師必備知識?是電磁理論的重要組成部分SICNU電磁場與電磁波SICNU電磁場與電磁波1．電磁場理論的早期研究

電、磁現象是大自然最重要的往來現象，也是最早被科學家們關心和研究的物理現象，其中貢獻最大的有來頓、富蘭克林、伏打等科學家。19世紀以前，電、磁現象作為兩個獨立的物理現象，沒有發(fā)現它們之間的相互聯(lián)系。但是由于這些研究特別是伏打1799年發(fā)明了電池），為電磁學理論的建立奠定了基礎。二、電磁場理論的發(fā)展2．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、熱是相互聯(lián)系的。

奧斯特是謝林的信徒，他從1807年開始研究電磁之間的關系。1820年，他發(fā)現電流以力作用于磁針。

安培發(fā)現作用力的方向、電流的方向、磁針到通電導線的垂直方向是相互垂直的，并定量建立了若干數學公式。SICNU電磁場與電磁波SICNU電磁場與電磁波奧斯特1820年發(fā)現電流以力作用于磁針后，法拉第敏銳地意識到，電可以對磁產生作用，磁也一定能夠對電產生影響。1821年他開始探索磁生電的實驗。1831年他發(fā)現，當磁捧插入導體線圈時，線圈中就產生電流。這表明，電與磁之間存在著密切的聯(lián)系。

麥克斯韋

深入研究并探討了電與磁之間發(fā)生作用的問題，發(fā)展了場的概念。在法拉第實驗的基礎上，總結了宏觀電磁現象的規(guī)律，引進位移電流的概念。這個概念的核心思想是：變化著的電場能產生磁場；與變化著的磁場產生電場相對應。在此基礎上提出了一套偏微分方程來表達電磁現象的基本規(guī)律，稱為麥克斯韋方程組，是經典電磁學的基本方程。SICNU電磁場與電磁波

3．電磁場理論的發(fā)展

在麥克斯韋方程建立后的一百多年里,隨著科學技術的發(fā)展，電磁理論得到了廣泛的應用和發(fā)展，尤其近三十年來，無線電電子學、計算機和網絡技術的飛速發(fā)展，生物電磁學、環(huán)境電磁學和電磁兼容等學科的建立，向電磁理論提出了許多新的研究課題，使現代電磁理論得到了迅速的發(fā)展。

三．電磁場理論的應用

SICNU電磁場與電磁波SICNU電磁場與電磁波γ射線醫(yī)療上用γ射線作為“手術刀”來切除腫瘤x射線醫(yī)療、飛機安檢，X射線用于透視檢查紫外線醫(yī)學殺菌、防偽技術、日光燈可見光七色光(紅、橙、黃、綠、青、藍、紫）放射性物質發(fā)出，λ<2×10-11

mX射線管產生,λ=10-8~10-11m光電流通過兩電極間的電離氣體產生，λ=3.9×10-7~10-7

m

引起視覺感應的電磁波，λ=0.78×10-6~0.39×10-6m

SICNU電磁場與電磁波紅外線在特定的紅外敏感膠片上能形成熱成像（熱感應）微波軍事雷達、導航、電子對抗微波爐無線電波通信、遙感技術通常情況下由灼熱物體發(fā)出，λ=0.78×10-6~1×10-3

m常用于雷達設備上的波長很短的無線電波，λ=1×10-3

~1m在電磁場的作用下無線電天線中自由電子發(fā)生振蕩而產生λ>0.75×10-3m

SICNU電磁場與電磁波

1887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)狀天線接收，證實了麥克斯韋關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學科之一。有線電話:

1876年，美國A.G.貝爾在美國建國100周年博覽會上展示了他所發(fā)明的有線電話。此后，有線電話便迅速普及開來。SICNU電磁場與電磁波無線電報:

1895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。1896年，波波夫進行了類似試驗,1899年,無線電報跨越英吉利海峽的試驗成功；1901年，跨越大西洋的3200公里距離的試驗成功。馬可尼以其在無線電報等領域的成就，獲得了1909年的諾貝爾物理學獎。無線電報的發(fā)明，開始了利用電磁波時期。

廣播:

1906年，美國費森登用50千赫頻率發(fā)電機作發(fā)射機，用微音器接入天線實現調制，使大西洋航船上的報務員聽到了他從波士頓播出的音樂。1919年，第一個定時播發(fā)語言和音樂的無線電廣播電臺在英國建成。次年，在美國的匹茲堡城又建成一座無線電廣播電臺。SICNU電磁場與電磁波

電視:

1884年，德國尼普科夫提出機械掃描電視的設想，1927年，英國貝爾德成功地用電話線路把圖像從倫敦傳至大西洋中的船上。茲沃霄金在1923和1924年相繼發(fā)明了攝像管和顯像管。1931年，他組裝成世界上第一個全電子電視系統(tǒng)。雷達:

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戒飛機的裝置。1936年，英國的瓦特設計的警戒雷達最先投入了運行。有效地警戒了來自德國的轟炸機。1938年，美國研制成第一部能指揮火炮射擊的火炮控制雷達。1940年，多腔磁控管的發(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。1945年，能消除背景干擾顯示運動目標的顯示技術的發(fā)明，使雷達更加完善。在整個第二次世界大戰(zhàn)期間,雷達成了電磁場理論最活躍的部分。SICNU電磁場與電磁波衛(wèi)星通信技術:

1958年,美國發(fā)射低軌的“斯科爾”衛(wèi)星成功，這是第一顆用于通信的試驗衛(wèi)星。1964年,借助定點同步通信衛(wèi)星首次實現了美、歐、非三大洲的通信和電視轉播。1965年,第一顆商用定點同步衛(wèi)星投入運行。1969年,大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定點同步通信衛(wèi)星，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區(qū)的通信網接通。衛(wèi)星通信經歷10年的發(fā)展，終趨于成熟。SICNU電磁場與電磁波SICNU電磁場與電磁波衛(wèi)星定位技術:

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。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。其它應用：

陰極射線示波器，噴墨打印機，礦物的分選，磁分離器，回旋加速器，磁流體發(fā)電機，電磁泵，磁懸浮列車，變壓器，電磁爐，電磁式生物芯片，隱形飛機，電磁高速公路等等SICNU電磁場與電磁波

當今世界的電子信息系統(tǒng)，不論是通信、雷達、廣播、電視，還是導航、遙控遙測，都是通過電磁波傳遞信息來進行工作的。因此以宏觀電磁理論為基礎，電磁信息的傳輸和轉換為核心的電磁場與電磁波工程技術將充分發(fā)揮其重要作用。SICNU電磁場與電磁波接收機接收天線饋線導行波導行波導行波導行波發(fā)射機發(fā)射天線饋線導行波導行波無線電通信系統(tǒng)SICNU電磁場與電磁波

發(fā)射機末級回路產生的高頻振蕩電流經過饋線送到發(fā)射天線，通過發(fā)射天線將其轉換成電磁波輻射出去；到了接收端，電磁波在接收天線上感生高頻振蕩電流，再經饋線將高頻振蕩電流送到接收機輸入回路，這就完成了信息的傳遞。在這個過程中，經歷了電磁波的傳輸、發(fā)射、傳播、接收等過程。

傳輸——導行電磁波

發(fā)射和接收——天線

傳播——入射、反射、透射、繞射SICNU電磁場與電磁波中、短波發(fā)射天線微波接力天線SICNU電磁場與電磁波卡塞格侖天線SICNU電磁場與電磁波MMDS-A型微波天線MMDS-C型微波天線SICNU電磁場與電磁波對數周期天線SICNU電磁場與電磁波矩形波導圓波導平行雙線同軸線微帶線導波系統(tǒng)SICNU電磁場與電磁波

運行中的電子、電氣設備大多伴隨著電磁能量的轉換，使得高密度、寬頻譜的電磁信息充滿整個人類的生存空間，構成極其復雜的電磁環(huán)境，出現了電磁干擾和電磁污染，使電子系統(tǒng)受到嚴峻的挑戰(zhàn)，人類生存受到威脅。

人們面臨的一個新問題就是如何提高電子系統(tǒng)在復雜電磁環(huán)境下正常運行的能力，如何改善人類生存環(huán)境。SICNU電磁場與電磁波電磁兼容性（ElectromagneticCompatibility,簡寫為EMC）。電子系統(tǒng)的電磁兼容性的分析、計算、試驗都要用到大量的電磁場理論知識，應用到電路的基礎知識，甚至生物醫(yī)學知識。電磁兼容學科是電磁場學科和其他相關學科相結合而形成的新學科。

生物電磁學也是與電磁場相關聯(lián)的一門新學科，它研究電磁場與生物系統(tǒng)的相互作用、相互影響的關系，電磁場與電磁波無疑是其討論的理論依據。SICNU電磁場與電磁波電磁理論電磁基本理論電磁工程電磁場源與場的關系電磁波在空間傳播的基本規(guī)律

產生、輻射、傳播、接收各方面的應用四、內容結構SICNU電磁場與電磁波五、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)律掌握宏觀電磁波的傳播規(guī)律了解電磁波的輻射原理掌握靜態(tài)場問題的基本求解方法訓練分析問題、歸納問題的科學方法培養(yǎng)用數學方法解決實際問題的能力獨立完成作業(yè)

六、主要參考書1.謝處方，電磁場與電磁波（第三版），高等教育出版社，19992.JohnD.Kraus,DanielA.Fleisch.，ElectromagneticsWithApplications.FifthEdition（影印版），北京：清華大學出版社，20015.WilliamH.Hayt,Jr.JohnA.Buck著.徐安士,周樂柱譯.工程電磁學（第六版）.北京：電子工業(yè)出版社，20046.BhagSinghGuru,HüseyinR.Hi