電磁場與電磁波緒論

1、 學(xué)時：64 課時 授課教師：劉 莉 電話電子郵箱：一、課程的性質(zhì)一、課程的性質(zhì)二、電磁場理論的發(fā)展二、電磁場理論的發(fā)展三電磁場理論的應(yīng)用三電磁場理論的應(yīng)用 四、內(nèi)容結(jié)構(gòu)四、內(nèi)容結(jié)構(gòu)五、學(xué)習(xí)的目的、方法及其要求五、學(xué)習(xí)的目的、方法及其要求六、主要參考書六、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信息、探測未知世界的重要手段一、課程的性質(zhì)一、課程的

2、性質(zhì) 電類專業(yè)學(xué)生必修的技術(shù)基礎(chǔ)課電類專業(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氣工程師必備知識 是電磁理論的重要組成部分是電磁理論的重要組成部分1電磁場理論的早期研究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、富來頓、富蘭克林、伏打蘭克林、伏打等科學(xué)家。等科學(xué)家。 19世紀(jì)以前，電、磁現(xiàn)象作為兩個獨立的物理現(xiàn)象，沒世紀(jì)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有發(fā)現(xiàn)它

3、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)。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)展二、電磁場理論的發(fā)展2電磁場理論的建立電磁場理論的建立 18世紀(jì)末期，德國哲學(xué)家世紀(jì)末期，德國哲學(xué)家謝林謝林認(rèn)為，宇宙是有活力的，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；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。電、磁、光、熱是相互聯(lián)系的。 奧斯特奧斯特 是謝林的信徒，他從是謝林的信徒，他從1807年開始研究電磁之間的年開始研究電磁之間的關(guān)系。關(guān)系。1820年，

4、他發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針。年，他發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針。 安培安培 發(fā)現(xiàn)作用力的方向、電流的方向、磁針到通電導(dǎo)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。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。 奧斯特奧斯特1820年發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針后，年發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針后，法拉第法拉第敏銳地敏銳地意識到，電可以對磁產(chǎn)生作用，磁也一定能夠?qū)﹄姰a(chǎn)生影響。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。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

5、流。這表明，電與磁之間存在著導(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。密切的聯(lián)系。 麥克斯韋麥克斯韋 深入研究并探討了電與磁之間發(fā)生作用的問題，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)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，此基礎(chǔ)上提出

6、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。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)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，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)無線電電子學(xué)、計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，的飛速發(fā)展，生物電磁學(xué)、生物電磁學(xué)、環(huán)境電磁學(xué)環(huán)境電磁學(xué)和和電磁兼容電磁兼容等學(xué)科的建立，向電磁理論提出了許等學(xué)科的建立，向電磁理論提出了許多新的研究課題，使現(xiàn)

7、代電磁理論得到了迅速的發(fā)展。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)用三電磁場理論的應(yīng)用 射線射線 醫(yī)療上用醫(yī)療上用射線作為射線作為“手術(shù)刀手術(shù)刀”來切除腫瘤來切除腫瘤 x 射線射線 醫(yī)療、飛機安檢，醫(yī)療、飛機安檢，X射線用于透視檢查射線用于透視檢查 紫外線紫外線 醫(yī)學(xué)殺菌、防偽技術(shù)、日光燈醫(yī)學(xué)殺菌、防偽技術(shù)、日光燈 可見光可見光 七色光七色光(紅、橙、黃、綠、青、藍、紫紅、橙、黃、綠、青、藍、紫 ）X射線管產(chǎn)生射線管產(chǎn)生 ,=10-8 10-11m 紅外線紅外線 在特定的紅外敏感膠片上能形成熱成像（熱感應(yīng)）在特定的紅外敏感膠片上能形成熱成像（熱感應(yīng)） 微波微波 軍事雷

8、達、導(dǎo)航、電子對抗軍事雷達、導(dǎo)航、電子對抗 微波爐微波爐 無線電波無線電波 通信、遙感技術(shù)通信、遙感技術(shù) 1887年，德國科學(xué)家年，德國科學(xué)家赫茲赫茲用火花隙激勵一個環(huán)狀天線，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。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。最引人注目的學(xué)科之一。有線電話有線電話: 1876年，美國年，美

9、國A.G. 貝爾貝爾在美國建國在美國建國100周年博覽會上展示周年博覽會上展示了他所發(fā)明的有線電話。了他所發(fā)明的有線電話。 此后，有線電話便迅速普及開來。此后，有線電話便迅速普及開來。無線電報無線電報: 1895年，意大利年，意大利馬可尼馬可尼成功地進行了成功地進行了2.5公里距離的無公里距離的無線電報傳送實驗。線電報傳送實驗。1896年，年，波波夫波波夫進行了類似試驗進行了類似試驗, 1899年年, 無線電報跨越英吉利海峽的試驗成功；無線電報跨越英吉利海峽的試驗成功；1901年，跨越大西洋年，跨越大西洋的的3200公里距離的試驗成功。馬可尼以其在無線電報等領(lǐng)域公里距離的試驗成功。馬可尼以其在

10、無線電報等領(lǐng)域的成就，獲得了的成就，獲得了1909年的諾貝爾物理學(xué)獎。無線電報的發(fā)明，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。開始了利用電磁波時期。廣播廣播: : 1906年，美國年，美國費森登費森登用用50千赫頻率發(fā)電機作發(fā)射機，用微千赫頻率發(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。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線電廣播電臺在英國建成。次年，在美國的匹茲堡城又

11、建成一座無線電廣播電臺。座無線電廣播電臺。電視電視: : 1884年，德國年，德國尼普科夫尼普科夫提出機械掃描電視的設(shè)想，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。中的船上。茲沃霄金茲沃霄金在在1923和和1924 年相繼發(fā)明了攝像管和顯年相繼發(fā)明了攝像管和顯像管。像管。1931年，他組裝成世界上第一個全電子電視系統(tǒng)。年，他組裝成世界上第一個全電子電視系統(tǒng)。雷達雷達: : 二次世界大戰(zhàn)前夕，飛機成為主要進攻武器。英、美、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

12、夠早期警戒飛機的裝置。德、法等國競相研制一類能夠早期警戒飛機的裝置。1936年，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。來自德國的轟炸機。1938年，美國研制成第一部能指揮火炮年，美國研制成第一部能指揮火炮射擊的火炮控制雷達。射擊的火炮控制雷達。1940年，多腔磁控管的發(fā)明，微波雷年，多腔磁控管的發(fā)明，微波雷達的研制成為可能。達的研制成為可能。1944年，能夠自動跟蹤飛機的雷達研制年，能夠自動跟蹤飛機的雷達研制成功。成功。1945年，能消除背景干擾顯示運動目標(biāo)的顯示技術(shù)的年，能消除背景干擾顯示運動目標(biāo)的顯示技

13、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,雷達成雷達成了電磁場理論最活躍的部分。了電磁場理論最活躍的部分。衛(wèi)星通信技術(shù)衛(wèi)星通信技術(shù): 1958年年, 美國發(fā)射低軌的美國發(fā)射低軌的“斯科爾斯科爾”衛(wèi)星成功，這是第一顆衛(wèi)星成功，這是第一顆用于通信的試驗衛(wèi)星。用于通信的試驗衛(wèi)星。1964年年,借助定點同步通信衛(wèi)星首次實借助定點同步通信衛(wèi)星首次實現(xiàn)了美、現(xiàn)了美、 歐、非三大洲的通信和電視轉(zhuǎn)播。歐、非三大洲的通信和電視轉(zhuǎn)播。1965年年,第一顆商用第一顆商用定點同步衛(wèi)星投入運行。定點同步衛(wèi)星投入運行。1969年年, 大西洋、太平洋和印度洋上空大西洋

14、、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。年的發(fā)展，終趨于成熟。衛(wèi)星定位技術(shù)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)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。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，于年底，美國開始研究實施這一計劃，于1964年研

15、究成功子午儀年研究成功子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。1973年美國提出了由年美國提出了由24顆衛(wèi)星組成的實用系統(tǒng)顆衛(wèi)星組成的實用系統(tǒng)新方案，即新方案，即GPS計劃。計劃。1990年最終的年最終的GPS方案是由方案是由21顆工作衛(wèi)顆工作衛(wèi)星和星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。顆在軌備用衛(wèi)星組成。其它應(yīng)用其它應(yīng)用： 陰極射線示波器，噴墨打印機，礦物的分選，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，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，電磁高速公路等等電磁式生物芯片，隱

16、形飛機，電磁高速公路等等 當(dāng)今世界的電子信息系統(tǒng)，不論是通信、雷達、廣播、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。發(fā)揮其重要作用。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)無線電通信系統(tǒng) 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)射天發(fā)射機

17、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，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)歷了電磁波的程中，經(jīng)歷了電磁波的傳輸、發(fā)射、傳播、接收傳輸、發(fā)射、傳播、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卡塞

18、格侖天線MMDS-A型微波天線型微波天線MMDS-C型微波天線型微波天線對數(shù)周期天線對數(shù)周期天線矩形波導(dǎo)矩形波導(dǎo)圓波導(dǎo)圓波導(dǎo)平行雙線平行雙線同軸線同軸線微帶線微帶線導(dǎo)波系統(tǒng)導(dǎo)波系統(tǒng) 運行中的電子、電氣設(shè)備大運行中的電子、電氣設(shè)備大多伴隨著電磁能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，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(yán)出現(xiàn)了電磁干擾和電磁污染，使電子系統(tǒng)受到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，人類生存受到威脅。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

19、提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。行的能力，如何改善人類生存環(huán)境。 電磁兼容性（電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility,簡寫為簡寫為EMC）。）。電子系統(tǒng)的電磁兼容性的分析、計算、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。場學(xué)科和其他相關(guān)學(xué)科相結(jié)合而形成的

20、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，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)。電磁場與電磁波無疑是其討論的理論依據(jù)。電磁理論電磁理論電磁基本理論電磁基本理論電磁工程電磁工程電磁場源與場電磁場源與場的關(guān)系的關(guān)系電磁波在空間電磁波在空間傳播的基本規(guī)律傳播的基本規(guī)律 產(chǎn)生、輻射、產(chǎn)生、輻射、傳播、接收傳播、接收各方面的應(yīng)用各方面的應(yīng)用四、內(nèi)容結(jié)構(gòu)四、內(nèi)容結(jié)構(gòu)五、學(xué)習(xí)的目的、方法及其要求五、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)律掌握宏觀電磁波的傳播規(guī)律了解電磁波的輻射原理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)獨立完成作業(yè)六、主要參考書六、主要參考書1. 謝處