電磁場與電磁波 緒論

電磁場與電磁波任課教師：陳其科1聯(lián)系方式：E_mail：qkchen@電話：61830311總學時:80課時（課堂：68，課程設(shè)計：6，實驗：6）教材：《電磁場與電磁波》（第四版）成績構(gòu)成：平時（10％）＋階段考試（10%）＋期中考試（10％）＋實驗（10％）＋

期末（60％）/

暫定

2一、課程的性質(zhì)和任務(wù)二、電磁場理論的發(fā)展

三、電磁場理論的應(yīng)用四、內(nèi)容安排五、學習的目的、方法及其要求六、主要參考書3?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、探測未知世界的重要手段?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量形式之一一、課程的性質(zhì)和任務(wù)?是電磁理論的重要組成部分?電類專業(yè)學生必修的技術(shù)基礎(chǔ)課?是電氣工程師的必備知識4一、課程的性質(zhì)和任務(wù)近代科學的發(fā)展表明，電磁場與電磁波基本理論又是一些交叉學科的生長點和新興邊緣學科發(fā)展的基礎(chǔ)，而且對完善科學素養(yǎng)，增強適應(yīng)能力和創(chuàng)造能力長遠地發(fā)揮作用。本課程在“大學物理（電磁學）”的基礎(chǔ)上，進一步研究宏觀電磁現(xiàn)象和電磁過程的基本規(guī)律及其分析計算方法。通過本課程的學習，掌握基本的宏觀電磁理論，具備分析和解決基本的電磁場工程問題的能力。5一、課程的性質(zhì)和任務(wù)本課程知識體系地位：承上啟下：大學物理電磁學←本課程→微波技術(shù)、高等電磁場邊緣學科：電磁兼容性（ElectromagneticCompatibility—EMC）生物電磁學61．電磁場理論的早期研究

電、磁現(xiàn)象是大自然最重要的現(xiàn)象，也是最早被科學家們關(guān)心和研究的物理現(xiàn)象，其中貢獻最大的有賴頓、富蘭克林、伏打等科學家。19世紀以前，電、磁現(xiàn)象一直作為兩個獨立的物理現(xiàn)象，沒有人發(fā)現(xiàn)它們之間的相互聯(lián)系。但是這些研究（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(chǔ)。二、電磁場理論的發(fā)展72．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(guān)系。1820年，他發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針（電流的磁效應(yīng)）。

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)學公式（安培力定律）。8

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)，當磁棒插入導(dǎo)體線圈時，線圈中就會產(chǎn)生電流（法拉第電磁感應(yīng)定律）。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，引入位移電流的概念。在此基礎(chǔ)上提出了一套偏微分方程來表述電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律，稱為麥克斯韋方程組，預(yù)言了電磁波的存在，麥克斯韋方程組是經(jīng)典電磁學的基本方程。9

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(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40年來，無線電電子學、計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(xiàn)代電磁理論得到了迅速的發(fā)展。10

三、電磁場理論的工程應(yīng)用

（1）靜電場的應(yīng)用靜電放電、靜電感應(yīng)、靜電屏蔽、電場力（2）恒定電流場的應(yīng)用

電鍍工藝、電力工程、地質(zhì)勘探、油井測量、超導(dǎo)技術(shù)（3）恒定磁場的應(yīng)用發(fā)電機、電動機、電氣儀表、電磁鐵、示波管、顯像管、磁控管、質(zhì)譜儀、電子計算機、電子顯微鏡、回旋加速器、磁懸浮列車和磁懸浮軸承11

三、電磁場理論的工程應(yīng)用

（4）平面波反射與折射定律的應(yīng)用性能優(yōu)越的隱形飛行器的設(shè)計必須依靠空氣動力學家和電磁學家的共同合作才能完成（5）平面波極化特性的應(yīng)用圓極化雷達、無線通信中的極化問題、微波器件（6）縮波、透波、和吸波效應(yīng)的應(yīng)用縮短效應(yīng)：電磁波在媒質(zhì)中的波長比真空中的波長短的現(xiàn)象透波效應(yīng)：電磁波穿透媒質(zhì)的能力吸波效應(yīng)：媒質(zhì)吸收電磁波的能力12

三、電磁場理論的工程應(yīng)用

（7）導(dǎo)行波的應(yīng)用雙導(dǎo)線傳輸系統(tǒng)、同軸線、微帶傳、金屬波導(dǎo)、光纖（8）電磁輻射的應(yīng)用天線、無線通信系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)(藍牙技術(shù))、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS(GlobalPositioningSystem)軍工、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、地質(zhì)勘探以及天文地理等領(lǐng)域（9）電磁兼容的應(yīng)用

所謂電磁兼容是指：電子和電氣設(shè)備在一定的電磁環(huán)境下，能夠正常工作的能力。同時各種電子和電氣設(shè)備本身產(chǎn)生的電磁輻射不允許超過一定的限度。這就是所謂電子和電氣設(shè)備的抗擾和電磁干擾的性能。13

電磁場最重要的應(yīng)用方向——信息傳遞媒介。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(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)展成為當代最引人注目的學科之一。

三、電磁場理論的工程應(yīng)用

14無線電報:

1895年，意大利馬可尼成功地進行了2.5km距離的無線電報傳送實驗；1896年，波波夫進行了約250m米距離的類似試驗；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3200km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年的諾貝爾物理學獎。無線電報的發(fā)明，開始了利用電磁波時期。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。15

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)。

廣播:

1906年，美國費森登用50kHz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。16雷達:

第二次世界大戰(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：美國研制成第一部火炮控制雷達；1940年：多腔磁控管發(fā)明成功，微波雷達研制成為可能；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(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。17衛(wèi)星通信技術(shù):

1958年，美國發(fā)射低軌道“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。18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(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。中國的北斗，歐洲的伽利略計劃都是未來可能出現(xiàn)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。19矢量分析(7學時)電磁場的基本規(guī)律（12學時）靜態(tài)電磁場及其邊值問題的解(15學時)時變電磁場(5學時)均勻平面波在無界空間中的傳播（8學時)均勻平面波的反射和透射(11學時）導(dǎo)行電磁波（5學時）電磁輻射（3學時）四、內(nèi)容安排根據(jù)紙質(zhì)主教材，本教案也分八章：20五、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(shù)學方法解決實際問題的能力獨立完成作業(yè)

21六、主要參考書【1】謝處方，饒克謹.電磁場與電磁波（第3版）.北京：高等教育出版社，1999【2】LiangChiShen,JinAuKong.AppliedElectromagnetism.2nded.PWSPublishingCompany,1987【3】JohnD.Kraus,DanielA.Fleisch.ElectromagneticsWithApplications.5nded（影印版）.北京：清華大學出版社，2001【4】WilliamH.Hayt,Jr.JohnA.Buck著.工程電磁學（第六版）.徐安士,周樂柱譯.北京：電子工業(yè)出版社，2004【5】BhagSinghGuru,HüseyinR.Hiziroglu著.電磁場與電磁波.周克定等譯.北京：機械工業(yè)出版社，2002【6】楊儒貴.電磁場與電磁波.北京：高等教育出版社，2003【7】趙家升，楊顯清，王園.電磁場與波典型題解析及自測試題.西安：西北工業(yè)大學出版社，2002【8】馮林，楊顯清，王園等編著.電磁場與電磁波.北京：機械工業(yè)出版社，2004【9】楊顯清，王園，趙家升.電磁場與電磁波（第4版）教學指導(dǎo)書.北京：高等教育出版社，200622難點分析和處理問題的方法——數(shù)學門檻