電磁場與電磁波(第三版緒論)

1、 緒緒 論論一、課程的性質(zhì)和任務(wù) “電磁場與電磁波電磁場與電磁波”是高等學(xué)校電子信息類及電氣信是高等學(xué)校電子信息類及電氣信息類專業(yè)本科生息類專業(yè)本科生必修的一門技術(shù)基礎(chǔ)課必修的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，課程涵蓋的，課程涵蓋的內(nèi)容是電子、電氣信息類專業(yè)本科學(xué)生應(yīng)具備知識結(jié)內(nèi)容是電子、電氣信息類專業(yè)本科學(xué)生應(yīng)具備知識結(jié)構(gòu)的重要組成部分。近代科學(xué)的發(fā)展表明，電磁場與構(gòu)的重要組成部分。近代科學(xué)的發(fā)展表明，電磁場與電磁波基本理論又是一些交叉學(xué)科的生長點和新興邊電磁波基本理論又是一些交叉學(xué)科的生長點和新興邊緣學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)，而且對完善自身素質(zhì)，增強適應(yīng)緣學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)，而且對完善自身素質(zhì)，增強適應(yīng)能力和創(chuàng)造能力長遠

2、地發(fā)揮作用。能力和創(chuàng)造能力長遠地發(fā)揮作用。 本課程將在本課程將在“大學(xué)物理（電磁學(xué)）大學(xué)物理（電磁學(xué)）”的基礎(chǔ)上，進的基礎(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。通過課程的學(xué)習(xí)，掌握基本的宏觀電磁析計算方法。通過課程的學(xué)習(xí)，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。理論，具備分析和解決基本的電磁場工程問題的能力。 二、課程內(nèi)容和教材體系 按教材順序，課程包括按教材順序，課程包括9章。第章。第1章矢量分析，主要章矢量分析，主要介紹矢量場的散度和旋度以及標量場的梯度，介紹亥介紹矢量場的散度和旋度以及標量場

3、的梯度，介紹亥姆霍茲定理，是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。第姆霍茲定理，是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。第2章電磁場中的基本物理章電磁場中的基本物理量和基本實驗定律，本章復(fù)習(xí)和深化了電磁學(xué)的基本量和基本實驗定律，本章復(fù)習(xí)和深化了電磁學(xué)的基本內(nèi)容，是物理基礎(chǔ)。第內(nèi)容，是物理基礎(chǔ)。第3章靜電場分析，第章靜電場分析，第4章靜電場章靜電場邊值問題的解法，第邊值問題的解法，第5章恒定磁場分析，這三章屬于章恒定磁場分析，這三章屬于“靜態(tài)場靜態(tài)場”。第。第6章時變電磁場，第章時變電磁場，第7章正弦平面電磁章正弦平面電磁波，第波，第8章導(dǎo)行電磁波，第章導(dǎo)行電磁波，第9章電磁波輻射，這四章是章電磁波輻射，這四章是“時變場與波時變場與波”部分，應(yīng)該作為

4、課程的重點。部分，應(yīng)該作為課程的重點。 本教材采用的是按本教材采用的是按歸納法歸納法建立的傳統(tǒng)體系，即按歸建立的傳統(tǒng)體系，即按歸納推理的方向，由特殊到一般的順序組織教材內(nèi)容，納推理的方向，由特殊到一般的順序組織教材內(nèi)容，從靜態(tài)場的實驗定律開始，逐步將其一般化，歸納成從靜態(tài)場的實驗定律開始，逐步將其一般化，歸納成有普遍意義的麥克斯韋方程組，進一步討論時變電磁有普遍意義的麥克斯韋方程組，進一步討論時變電磁場與波。這種教材體系的論述順序與宏觀電磁理論的場與波。這種教材體系的論述順序與宏觀電磁理論的歷史發(fā)展過程相一致，符合從特殊到一般，從實踐到歷史發(fā)展過程相一致，符合從特殊到一般，從實踐到理論的一般認

5、識規(guī)律。而且起點較低，所需的數(shù)學(xué)知理論的一般認識規(guī)律。而且起點較低，所需的數(shù)學(xué)知識和物理概念也是逐步引入的，符合先易后難、循序識和物理概念也是逐步引入的，符合先易后難、循序漸進的教學(xué)原則。這種傳統(tǒng)教材體系存在的問題是與漸進的教學(xué)原則。這種傳統(tǒng)教材體系存在的問題是與先修課程（大學(xué)物理的電磁學(xué)部分）在內(nèi)容上缺乏明先修課程（大學(xué)物理的電磁學(xué)部分）在內(nèi)容上缺乏明確的分工，容易造成重復(fù)過多；靜態(tài)場部分勢必占很確的分工，容易造成重復(fù)過多；靜態(tài)場部分勢必占很大篇幅，占去過多教學(xué)學(xué)時數(shù)，時變場與波的內(nèi)容就大篇幅，占去過多教學(xué)學(xué)時數(shù)，時變場與波的內(nèi)容就顯得單薄，可用教學(xué)學(xué)時數(shù)就少。在教與學(xué)中應(yīng)注意顯得單薄，可用

6、教學(xué)學(xué)時數(shù)就少。在教與學(xué)中應(yīng)注意掌握適度。掌握適度。三、電磁場、電磁波與工程應(yīng)用 1831年，英國物理學(xué)家年，英國物理學(xué)家法拉第法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象并提出象并提出電磁感應(yīng)定律電磁感應(yīng)定律，制造出了世界上第一臺發(fā)電，制造出了世界上第一臺發(fā)電機，并開創(chuàng)了人類應(yīng)用電力的新紀元。機，并開創(chuàng)了人類應(yīng)用電力的新紀元。1865年，英國年，英國物理學(xué)家物理學(xué)家麥克斯韋麥克斯韋在電磁學(xué)的三大實驗定律（庫侖定在電磁學(xué)的三大實驗定律（庫侖定律、畢奧律、畢奧-沙伐定律和法拉第電磁感應(yīng)定律）基礎(chǔ)上，沙伐定律和法拉第電磁感應(yīng)定律）基礎(chǔ)上，提出了提出了位移電流位移電流的基本假設(shè)，歸納總結(jié)出的基本假設(shè)，歸

7、納總結(jié)出麥克斯韋方麥克斯韋方程程，奠定了宏觀電磁理論的基礎(chǔ)。麥克斯韋方程組給，奠定了宏觀電磁理論的基礎(chǔ)。麥克斯韋方程組給出了電磁場的空間分布和隨時間變化的全部規(guī)律，預(yù)出了電磁場的空間分布和隨時間變化的全部規(guī)律，預(yù)言了電磁波的存在。這個預(yù)言于言了電磁波的存在。這個預(yù)言于1888年被德國物理學(xué)年被德國物理學(xué)家家赫茲赫茲的實驗結(jié)果所證實，從而導(dǎo)致無線電通信的發(fā)的實驗結(jié)果所證實，從而導(dǎo)致無線電通信的發(fā)明，展現(xiàn)了電磁場與電磁波應(yīng)用的廣闊前景。明，展現(xiàn)了電磁場與電磁波應(yīng)用的廣闊前景。 當(dāng)今世界，電子信息系統(tǒng)，不論是通信、雷達、當(dāng)今世界，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

8、過電磁波廣播、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)，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。下面以無線電通信系統(tǒng)技術(shù)將充分發(fā)揮其重要作用。下面以無線電通信系統(tǒng)為例來說明。為例來說明。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 發(fā)射機末級回路產(chǎn)生的高頻振蕩電流經(jīng)過饋線送發(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)換成電磁波輻射出到發(fā)射天線，通過發(fā)射天線將其轉(zhuǎn)換成電磁

9、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，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)歷了電磁這就完成了信息的傳遞。在這個過程中，經(jīng)歷了電磁波的波的傳輸傳輸、發(fā)射發(fā)射、傳播傳播、接收接收等過程。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、繞射一些常見的天線和饋線中、短波發(fā)射天線中、短波發(fā)射天線微波接力天線微波接力天線卡塞格侖天線MMDS-A型微波天線MMDS-C型微波天線對數(shù)周期天線矩形波導(dǎo)圓波導(dǎo)平行雙線同軸線微帶線 要掌握天線

10、發(fā)射和接收電磁波的機理和性能，要掌握天線發(fā)射和接收電磁波的機理和性能，必須掌握電磁場與電磁波的基本理論和技術(shù)。必須掌握電磁場與電磁波的基本理論和技術(shù)。 要掌握電磁波傳輸?shù)臋C理和性能，了解構(gòu)成要掌握電磁波傳輸?shù)臋C理和性能，了解構(gòu)成導(dǎo)波系統(tǒng)的元件和器件的性能，就必須掌握電磁導(dǎo)波系統(tǒng)的元件和器件的性能，就必須掌握電磁場與電磁波的基本理論和技術(shù)。場與電磁波的基本理論和技術(shù)。 要掌握電磁波傳播的機理和性能，了解電磁要掌握電磁波傳播的機理和性能，了解電磁波在水下或地下如何傳播，了解在地面站和衛(wèi)星波在水下或地下如何傳播，了解在地面站和衛(wèi)星之間如何傳播，就必須掌握電磁場與電磁波的基之間如何傳播，就必須掌握電磁

11、場與電磁波的基本理論和技術(shù)。本理論和技術(shù)。 總之，一切無線電工程系統(tǒng)，如前面提到的總之，一切無線電工程系統(tǒng)，如前面提到的移動通信、衛(wèi)星通信、雷達、電視、微波遙移動通信、衛(wèi)星通信、雷達、電視、微波遙感感都包含許許多多電磁場與電磁波的基礎(chǔ)理都包含許許多多電磁場與電磁波的基礎(chǔ)理論問論問題，題， 而且不斷地對以電磁場與電磁波為基礎(chǔ)理論的無而且不斷地對以電磁場與電磁波為基礎(chǔ)理論的無線電技術(shù)、微波技術(shù)提出新的課題。因而電磁場與電線電技術(shù)、微波技術(shù)提出新的課題。因而電磁場與電磁波基礎(chǔ)理論將始終發(fā)揮著重要作用，且不斷擴充其磁波基礎(chǔ)理論將始終發(fā)揮著重要作用，且不斷擴充其應(yīng)用領(lǐng)域。應(yīng)用領(lǐng)域。 此外，隨著現(xiàn)代科學(xué)技

12、術(shù)的發(fā)展，電子、電氣系統(tǒng)此外，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子、電氣系統(tǒng)獲得越來越廣泛的應(yīng)用。運行中的電子、電氣設(shè)備大獲得越來越廣泛的應(yīng)用。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)境下正常新問題就是如何提高電子系統(tǒng)

13、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。運行的能力，如何改善人類生存環(huán)境。在這樣的背景下提出了電磁兼容的概念，逐漸形成在這樣的背景下提出了電磁兼容的概念，逐漸形成了一門新學(xué)科了一門新學(xué)科電磁兼容性電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility,簡寫為簡寫為EMC）。）。電子系統(tǒng)的電磁兼容電子系統(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。知識，應(yīng)用到電路的基礎(chǔ)知識，甚至生物醫(yī)學(xué)知識?？梢哉f，電磁兼容學(xué)科是電磁場學(xué)科和其他相關(guān)學(xué)可以說，電磁兼容學(xué)科是電磁場學(xué)科

14、和其他相關(guān)學(xué)科相結(jié)合而形成的新學(xué)科。科相結(jié)合而形成的新學(xué)科。 生物電磁學(xué)生物電磁學(xué)也是與電磁場相關(guān)聯(lián)的一門新學(xué)科，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)。關(guān)系，電磁場與電磁波無疑是其討論的理論依據(jù)。 電磁波作為人類的先驅(qū)，作為地球的使者率先訪電磁波作為人類的先驅(qū)，作為地球的使者率先訪問了月球，然后才實現(xiàn)了人的登月。在人類目前尚問了月球，然后才實現(xiàn)了人的登月。在人類目前尚不能進入的茫茫宇宙空間，將電磁波作為尖兵打頭不能進入的茫茫宇宙空間，將電磁波作為尖兵打頭陣，為人們提供信息。電磁波也將作為科學(xué)發(fā)明的陣，為人們提供信息。電磁波也將作為科學(xué)發(fā)明的先驅(qū)，照亮科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的前進道路！先驅(qū)，照亮科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的前進道路！ 四、課程的學(xué)時分配建議四、課程的學(xué)時分配建議 本課程以本課程以60學(xué)時較為適宜，分配如下，學(xué)