電磁場與電磁波緒論

電磁場與電磁波學(xué)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(zhì)二、電磁場理論的發(fā)展

三．電磁場理論的應(yīng)用

四、內(nèi)容結(jié)構(gòu)五、學(xué)習(xí)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(dāng)今世界最重要的能源?電磁波作為信息傳輸?shù)妮d體，成為當(dāng)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(zhì)?電類專業(yè)學(xué)生必修的技術(shù)基礎(chǔ)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(xiàn)象是大自然最重要的往來現(xiàn)象，也是最早被科學(xué)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(xué)家。19世紀以前，電、磁現(xiàn)象作為兩個獨立的物理現(xiàn)象，沒有發(fā)現(xiàn)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(xué)理論的建立奠定了基礎(chǔ)。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(xué)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(guān)系。1820年，他發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針。

安培發(fā)現(xiàn)作用力的方向、電流的方向、磁針到通電導(dǎo)線的垂直方向是相互垂直的，并定量建立了若干數(shù)學(xué)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(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，磁也一定能夠?qū)﹄姰a(chǎn)生影響。1821年他開始探索磁生電的實驗。1831年他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁捧插入導(dǎo)體線圈時，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。

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(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。這個概念的核心思想是：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(yīng)。在此基礎(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，是經(jīng)典電磁學(xué)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(xué)技術(shù)的發(fā)展，電磁理論得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，尤其近三十年來，無線電電子學(xué)、計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，生物電磁學(xué)、環(huán)境電磁學(xué)和電磁兼容等學(xué)科的建立，向電磁理論提出了許多新的研究課題，使現(xiàn)代電磁理論得到了迅速的發(fā)展。

三．電磁場理論的應(yīng)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(shù)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(xué)殺菌、防偽技術(shù)、日光燈可見光七色光(紅、橙、黃、綠、青、藍、紫）放射性物質(zhì)發(fā)出，λ<2×10-11

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

m

引起視覺感應(yīng)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(yīng)）微波軍事雷達、導(dǎo)航、電子對抗微波爐無線電波通信、遙感技術(shù)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(shè)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(chǎn)生λ>0.75×10-3m

SICNU電磁場與電磁波

1887年，德國科學(xué)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(guān)于電磁波存在的預(yù)言，這一重要的實驗導(dǎo)致了后來無線電報的發(fā)明。從此開始了電磁場理論應(yīng)用與發(fā)展時代，并且發(fā)展成為當(dāng)代最引人注目的學(xué)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(lǐng)域的成就，獲得了1909年的諾貝爾物理學(xué)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(xiàn)調(diào)制，使大西洋航船上的報務(wù)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(shè)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(shè)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(biāo)的顯示技術(shù)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(shù):

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(xiàn)了美、歐、非三大洲的通信和電視轉(zhuǎn)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(wǎng)接通。衛(wèi)星通信經(jīng)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(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(biāo)的定位和導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(dāng)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(dǎo)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(chǔ)，電磁信息的傳輸和轉(zhuǎn)換為核心的電磁場與電磁波工程技術(shù)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(dǎo)行波導(dǎo)行波導(dǎo)行波導(dǎo)行波發(fā)射機發(fā)射天線饋線導(dǎo)行波導(dǎo)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(chǎn)生的高頻振蕩電流經(jīng)過饋線送到發(fā)射天線，通過發(fā)射天線將其轉(zhuǎn)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(jīng)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(jīng)歷了電磁波的傳輸、發(fā)射、傳播、接收等過程。

傳輸——導(dǎo)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(shù)周期天線SICNU電磁場與電磁波矩形波導(dǎo)圓波導(dǎo)平行雙線同軸線微帶線導(dǎo)波系統(tǒng)SICNU電磁場與電磁波

運行中的電子、電氣設(shè)備大多伴隨著電磁能量的轉(zhuǎn)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(gòu)成極其復(fù)雜的電磁環(huán)境，出現(xiàn)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(fù)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(yīng)用到電路的基礎(chǔ)知識，甚至生物醫(yī)學(xué)知識。電磁兼容學(xué)科是電磁場學(xué)科和其他相關(guān)學(xué)科相結(jié)合而形成的新學(xué)科。

生物電磁學(xué)也是與電磁場相關(guān)聯(lián)的一門新學(xué)科，它研究電磁場與生物系統(tǒng)的相互作用、相互影響的關(guān)系，電磁場與電磁波無疑是其討論的理論依據(jù)。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(guān)系電磁波在空間傳播的基本規(guī)律

產(chǎn)生、輻射、傳播、接收各方面的應(yīng)用四、內(nèi)容結(jié)構(gòu)SICNU電磁場與電磁波五、學(xué)習(xí)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(xùn)練分析問題、歸納問題的科學(xué)方法培養(yǎng)用數(shù)學(xué)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(xué)出版社，20015.WilliamH.Hayt,Jr.JohnA.Buck著.徐安士,周樂柱譯.工程電磁學(xué)（第六版）.北京：電子工業(yè)出版社，20046.BhagSinghGuru,HüseyinR.Hi