電磁場(chǎng)與電磁波課件緒論課件

《電磁場(chǎng)與電磁波》緒論

Ph.DE-Mail:QQ:1078072804電話：一、《電磁場(chǎng)與電磁波》課程涉及的主要研究領(lǐng)域二、電磁場(chǎng)理論發(fā)展簡(jiǎn)史三、電磁場(chǎng)理論的主要研究對(duì)象四、學(xué)習(xí)的目的、方法及其要求

主要研究領(lǐng)域作為理論物理學(xué)的一個(gè)重要研究分支，主要致力于統(tǒng)一場(chǎng)理論和微觀量子電動(dòng)力學(xué)的研究。電磁

場(chǎng)理論的

主要

研究

領(lǐng)域

作為無(wú)線電技術(shù)的理論基礎(chǔ)，集中于三大類應(yīng)用問題的研究。作為信息的載體應(yīng)用于通信、廣播、電視

電磁波作為探求未知物質(zhì)世界的手段應(yīng)用于雷達(dá)、導(dǎo)航、遙測(cè)、遙感和遙控

研究設(shè)計(jì)產(chǎn)生能滿足各種應(yīng)用要求的電磁波能量存在的一種形式時(shí)變電流或加速運(yùn)動(dòng)的電荷向空間輻射電磁波電磁波輻射問題

電磁場(chǎng)理論發(fā)展簡(jiǎn)史1．電磁場(chǎng)理論的建立

電、磁現(xiàn)象是大自然最重要的往來(lái)現(xiàn)象，是最早被科學(xué)家們關(guān)心和研究的物理現(xiàn)象。

19世紀(jì)以前，電、磁現(xiàn)象作為兩個(gè)獨(dú)立的物理現(xiàn)象，沒有發(fā)現(xiàn)電與磁的聯(lián)系。但這些研究（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)。

庫(kù)侖于1779年通過(guò)實(shí)驗(yàn)和采用類比方法歸納、導(dǎo)出了兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷間的相互作用規(guī)律，即庫(kù)侖定律，是靜電學(xué)理論建立的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

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)磁捧插入導(dǎo)體線圈時(shí)，導(dǎo)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。法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律。

麥克斯韋在法拉第實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，引入了“感生電場(chǎng)”、“位移電流”兩個(gè)概念，其核心思想是：變化的磁場(chǎng)要產(chǎn)生感生電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)也要產(chǎn)生磁場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上，1864年提出了一套偏微分方程來(lái)表達(dá)電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律，稱為麥克斯韋方程組，是經(jīng)典電磁場(chǎng)理論的基本方程。

1887年，德國(guó)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(lái)無(wú)線電報(bào)的發(fā)明。從此開始了電磁場(chǎng)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。

無(wú)線電報(bào)

1895年，（意）馬可尼成功地進(jìn)行了2.5公里距離的無(wú)線電報(bào)傳送實(shí)驗(yàn)。1896年，波波夫進(jìn)行了約250米距離的類似試驗(yàn),1899年,無(wú)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3200公里距離的試驗(yàn)成功。

馬可尼以其在無(wú)線電報(bào)等領(lǐng)域的成就，獲得了1909年的諾貝爾獎(jiǎng)金物理學(xué)獎(jiǎng)。無(wú)線電報(bào)的發(fā)明，開始了利用電磁波時(shí)期。

有線電話

1876年,（美）A.G.貝爾在美國(guó)建國(guó)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(lái)。2、電磁場(chǎng)理論的應(yīng)用和發(fā)展

廣播

1906年，（美）費(fèi)森登用50千赫頻率發(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(yǔ)言和音樂的無(wú)線電廣播電臺(tái)在英國(guó)建成。次年，在美國(guó)的匹茲堡城又建成一座無(wú)線電廣播電臺(tái)。

電視

1884年，（德）尼普科夫提出機(jī)械掃描電視的設(shè)想，1927年，（英）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)（RadioDetectionandRanging無(wú)線電探測(cè)和測(cè)距）

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(guó)競(jìng)相研制一類能夠早期警戒飛機(jī)的裝置。1936年，（英）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(lái)自德國(guó)的轟炸機(jī)。1938年，美國(guó)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，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(chǎng)理論最活躍的部分。

衛(wèi)星通信技術(shù)

1958年,美國(guó)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(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(guó)，這些衛(wèi)星地球站又和本國(guó)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。

衛(wèi)星定位技術(shù)（GPS）

1957年衛(wèi)星發(fā)射成功后，人們?cè)噲D將雷達(dá)引入衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)以衛(wèi)星為基地對(duì)地球表面及近地空間目標(biāo)的定位和導(dǎo)航。1958年底，美國(guó)開始研究實(shí)施這一計(jì)劃，于1964年研究成功子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。1973年美國(guó)提出了由24顆衛(wèi)星組成的實(shí)用系統(tǒng)新方案，即GPS計(jì)劃（NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem的字頭縮寫NAVSTAR/GPS的簡(jiǎn)稱），其含義是利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)時(shí)和測(cè)距。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。GPS定位系統(tǒng)在確定目標(biāo)的精確位置時(shí)，必須考慮電磁波在電離層和大氣中傳播中波傳播速度的修正。無(wú)線通信目標(biāo)PSTNBTSMSCBTSIPNETGATEWAY移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)蜂窩移動(dòng)電話用戶增長(zhǎng)USAChinaEstimatesIndiaJapanGermanyItaly/UKIMT-2000WLANtypeCellular2ndgen.ShortRangeConnectivityWirelinexDSLotherentitiesDigitalBroadcastreturnchannele.g.cellulardownloadchannelNewRadioInterfaceIMT-2000WLANtypeCellular2ndgen.ShortRangeConnectivityWirelinexDSLotherentitiesDigitalBroadcastreturnchannele.g.cellulardownloadchannelNewRadioInterfaceIPbasedCoreNetwork

ServicesandapplicationsB3G/4G

電磁場(chǎng)的基本屬性及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律；波與物質(zhì)的相互作用及信息的提取；電磁場(chǎng)系統(tǒng)的計(jì)算方法，仿真技術(shù)；工程技術(shù)應(yīng)用中的電磁場(chǎng)理論問題。3、電磁場(chǎng)理論的主要研究對(duì)象歡迎大家和我一起進(jìn)入電磁世界接收機(jī)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(jī)發(fā)射天線饋線導(dǎo)行波導(dǎo)行波廣播、電視，還是導(dǎo)航、遙控遙測(cè)，都是通過(guò)電磁波傳遞信息來(lái)進(jìn)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(chǎng)與電磁波工程技術(shù)將充分發(fā)揮其重要作用。下面以無(wú)線電通信系統(tǒng)為例來(lái)說(shuō)明。

發(fā)射機(jī)末級(jí)回路產(chǎn)生的高頻振蕩電流經(jīng)過(guò)饋線送到發(fā)射天線，通過(guò)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