電磁場與電磁波 緒論

主講教師：田秀電磁場與電磁波》蘇新彥徐美芳李新娥田秀榮電磁場與電磁波15-16-1學(xué)期上課要求及期末綜合成績計(jì)算方法1上課要求：（1）按時(shí)上課，不得遲到、早退、課間無故出教室。（2）上課不得看手機(jī)、接聽手機(jī)、看其他書。（3）上課認(rèn)真聽講，積極與老師互動(dòng)回答問題。（4）上課期間不能吃任何食物，可以喝水。2期末綜合成績計(jì)算方法期末成績占80%；平時(shí)成績占20%，以20分計(jì),具體為：（1）簽到3次，每次2分，合計(jì)6分；（2）作業(yè)3次，合計(jì)3分；（3）實(shí)驗(yàn)2次，每次3分，包括做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告，合計(jì)6分；（4）教師隨機(jī)調(diào)節(jié)5分，根據(jù)第1條的上課要求給出；（5）所有同學(xué)必須簽字確認(rèn)。一、課程的性質(zhì)一、課程的性質(zhì)緒論一、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)容安排五、學(xué)習(xí)的目的、方法及其要求六、主要參考書、主要參考書一、課程的性質(zhì)?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之一?電磁波作為信息傳輸?shù)妮d體，成為當(dāng)今人類社會(huì)發(fā)布和獲取信息、探測未知世界的重要手段?電類專業(yè)學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課?是電氣工程師的必備知識(shí)?是電磁理論的重要組成部分二、電磁場理論的發(fā)展1．電磁場理論的早期研究

電、磁現(xiàn)象是大自然最重要的客觀現(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(xiàn)最大的有賴頓、伏蘭克林、伏特等科學(xué)家。19世紀(jì)以前，電、磁現(xiàn)象一直作為兩個(gè)獨(dú)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（特別是伏特1799年發(fā)明了電池）為電磁學(xué)理論的建立奠定了基礎(chǔ)。2．電磁場理論的建立

18世紀(jì)末期，德國哲學(xué)家謝林認(rèn)為，宇宙是有活力的，而不是僵死的。他認(rèn)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。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(shí)到，電可以對(duì)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(shí)驗(yàn)。1831年他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁棒插入導(dǎo)體線圈時(shí)，線圈中就會(huì)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(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，引進(jìn)位移電流的概念。這個(gè)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(duì)應(yīng)。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，是經(jīng)典電磁學(xué)的基本方程。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30年來，無線電電子學(xué)、計(jì)算機(jī)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1887年，德國科學(xué)家赫茲用火花隙激勵(lì)一個(gè)環(huán)狀天線，用另一個(gè)帶隙的環(huán)狀天線接收，證實(shí)了麥克斯韋關(guān)于電磁波存在的預(yù)言，這一重要的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致了后來無線電報(bào)的發(fā)明。從此開始了電磁場理論應(yīng)用與發(fā)展時(shí)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(huì)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。無線電報(bào):

1895年，意大利馬可尼成功地進(jìn)行了2.5km距離的無線電報(bào)傳送實(shí)驗(yàn)；1896年，波波夫進(jìn)行了約250m米距離的類似試驗(yàn)；1899年,無線電報(bào)跨越英吉利海峽的試驗(yàn)成功；1901年，跨越大西洋的3200km距離的試驗(yàn)成功。馬可尼以其在無線電報(bào)等領(lǐng)域的成就，獲得了1909年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。無線電報(bào)的發(fā)明，開始了利用電磁波時(shí)期。廣播:

1906年，美國費(fèi)森登用50kHz頻率發(fā)電機(jī)作發(fā)射機(jī)，用微音器接入天線實(shí)現(xiàn)調(diào)制，使大西洋航船上的報(bào)務(wù)員聽到了他從波士頓播出的音樂；1919年，第一個(gè)定時(shí)播發(fā)語言和音樂的無線電廣播電臺(tái)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(tái)。電視:

1884年，德國尼普科夫提出機(jī)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(gè)全電子電視系統(tǒng)。雷達(dá):第二次世界大戰(zhàn)前夕，飛機(jī)成為主要進(jìn)攻武器。英、美、德、法等國競相研制一類能夠早期警戒飛機(jī)的裝置。1936年，英國的瓦特設(shè)計(jì)的警戒雷達(dá)最先投入了運(yùn)行，有效地警戒了來自德國的轟炸機(jī)。1938年，美國研制成第一部能指揮火炮射擊的火炮控制雷達(dá)。1940年，多腔磁控管的發(fā)明，使微波雷達(dá)的研制成為可能。1944年，能夠自動(dòng)跟蹤飛機(jī)的雷達(dá)研制成功。1945年，能消除背景干擾、顯示運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的顯示技術(shù)的發(fā)明，使雷達(dá)更加完善。在整個(gè)第二次世界大戰(zhàn)期間，雷達(dá)成了電磁場理論最活躍的部分。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(yàn)衛(wèi)星。1964年，借助定點(diǎn)同步通信衛(wèi)星首次實(shí)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(diǎn)同步衛(wèi)星投入運(yùn)行。1969年，大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定點(diǎn)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。電子對(duì)抗

電子對(duì)抗也稱為電子戰(zhàn)，是指利用電磁能量、電磁頻譜進(jìn)行的軍事對(duì)抗。包括：電子偵察（利用衛(wèi)星、預(yù)警飛機(jī)等）；電子攻擊（如電磁干擾、電磁脈沖武器、大功率微波武器、石墨炸彈等）；電子防護(hù)（抗干擾技術(shù)）。

1991年海灣戰(zhàn)爭是美軍大規(guī)模實(shí)施電子對(duì)抗技術(shù)的戰(zhàn)例，如美軍充分利用了電磁干擾技術(shù)和隱身技術(shù)。首先利用隱形飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈摧毀了伊軍的指揮通信系統(tǒng)，然后利用電磁干擾飛機(jī)發(fā)射強(qiáng)大的電磁干擾信號(hào)，覆蓋了伊拉克軍用通信信號(hào)的整個(gè)頻段，使伊軍的通信設(shè)備完全癱瘓了，以致薩達(dá)姆最后下達(dá)的?；鹈疃际怯擅儡妭鬟_(dá)的。隱身技術(shù)是利用電磁波吸收涂料和特殊的外形設(shè)計(jì)對(duì)電磁波的吸收、散射作用，使雷達(dá)接收不到飛機(jī)的回波信號(hào)。龐大的B-2B轟炸機(jī)的雷達(dá)截面僅和天空中的一個(gè)小鳥相當(dāng)，以至于眼睛都看到飛機(jī)了，雷達(dá)還找不到。

海灣戰(zhàn)爭后，電子對(duì)抗技術(shù)在世界上引起很大的震動(dòng)，我國也非常重視，投入很大的人力、物力進(jìn)行研究，現(xiàn)在已經(jīng)具備了進(jìn)行大規(guī)模電子戰(zhàn)的能力。電磁兼容隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的電子、電氣設(shè)備進(jìn)入了人們生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，這些設(shè)備在正常運(yùn)行的同時(shí)也向外輻射電磁能量，可能對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生不良的影響，甚至造成嚴(yán)重的危害，這就是電磁干擾。采用一定的技術(shù)手段，使同一電磁環(huán)境的各種電子、電氣設(shè)備都能正常工作，并且不干擾其他設(shè)備的正常工作，這就是電磁兼容（ElectromagneticCompatibility,EMC）。其他應(yīng)用：

陰極射線示波器，噴墨打印機(jī)，礦物的分選，磁分離器，回旋加速器，磁流體發(fā)電機(jī)，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(jī)，電磁高速公路等等電磁爐是采用磁場感應(yīng)渦流加熱原理，他利用電流通過線圈產(chǎn)生磁場，當(dāng)磁場內(nèi)之磁力通過含鐵質(zhì)鍋底部時(shí)，即會(huì)產(chǎn)生無數(shù)之小渦流，使鍋體本身自行高速發(fā)熱，然后再加熱于鍋內(nèi)食物。電磁爐工作時(shí)產(chǎn)生的電磁波，完全被線圈底部的屏蔽層和頂板上的含鐵質(zhì)鍋所吸收。電磁爐加熱原理電磁爐是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理對(duì)食品進(jìn)行加熱的。電磁爐的爐面是耐熱陶瓷板，交變電流通過陶瓷板下方的線圈產(chǎn)生磁場，磁場內(nèi)的磁力線穿過鐵鍋、不銹鋼鍋等底部時(shí)，產(chǎn)生渦流，令鍋底迅速發(fā)熱，達(dá)到加熱食品的目的。其工作過程如下：交流電壓經(jīng)過整流器轉(zhuǎn)換為直流電，又經(jīng)高頻電力轉(zhuǎn)換裝置使直流電變?yōu)槌^音頻的高頻交流電，將高頻交流電加在扁平空心螺旋狀的感應(yīng)加熱線圈上，由此產(chǎn)生高頻交變磁場。其磁力線穿透灶臺(tái)的陶瓷臺(tái)板而作用于金屬鍋。在烹飪鍋體內(nèi)因電磁感應(yīng)就有強(qiáng)大的渦流產(chǎn)生。渦流克服鍋體的內(nèi)阻流動(dòng)時(shí)完成電能向熱能的轉(zhuǎn)換，所產(chǎn)生的焦耳熱就是烹調(diào)的熱源。四、內(nèi)容安排三種坐標(biāo)系與場場源模型電磁場的基本物理量和基本實(shí)驗(yàn)定律靜電場分析恒定磁場分析靜態(tài)場邊值問題的解法時(shí)變電磁場正弦平面電磁波

電磁場與電磁波教材體系的組織主要有兩種：一種是先靜態(tài)場后時(shí)變場的教材體系，如本書，從庫化定律、安培定律出發(fā)，逐一介紹靜電場、恒定磁場、時(shí)變場。這種教材體系的特點(diǎn)是起點(diǎn)低、學(xué)生較易接受，但與電磁學(xué)有較多內(nèi)容重復(fù)。另一種是先時(shí)變場后靜態(tài)場，并以時(shí)變場為主的教材體系，它從麥克斯韋方程組出發(fā)，先論述時(shí)變場、然后把靜態(tài)場歸結(jié)為時(shí)變場的一種特殊情況，最后再介紹靜態(tài)場。這種體系壓縮了靜態(tài)場的內(nèi)容，充實(shí)了時(shí)變場的內(nèi)容，但起點(diǎn)高，學(xué)生不易接受。

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(yùn)動(dòng)規(guī)律掌握宏觀電磁波的傳播規(guī)律掌握靜態(tài)場問題的基本求解方法了解電磁波的輻射原理訓(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(shí)際問題的能力按時(shí)上課，獨(dú)立完成教師布置的課后作業(yè)

六、主要參考書【1】謝處方，饒克謹(jǐn).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(xué)出版社，2001【4】WilliamH.Hayt,Jr.JohnA.Buck著.工程電磁學(xué)（第六版）.徐安士,周樂柱譯.北京：電子工業(yè)出版社，2004【5】BhagSingh