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算方法1上課要求：（1）按時上課，不得遲到、早退、課間無故出教室。（2）上課不得看手機、接聽手機、看其他書。（3）上課認(rèn)真聽講，積極與老師互動回答問題。（4）上課期間不能吃任何食物，可以喝水。2期末綜合成績計算方法期末成績占80%；平時成績占20%，以20分計,具體為：（1）簽到3次，每次2分，合計6分；（2）作業(yè)3次，合計3分；（3）實驗2次，每次3分，包括做實驗，實驗報告，合計6分；（4）教師隨機調(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?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(dāng)磁棒插入導(dǎo)體線圈時，線圈中就會產(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)、計算機和網(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(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:

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(xué)獎。無線電報的發(fā)明，開始了利用電磁波時期。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。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)。雷達(dá):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(dá)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，能夠自動跟蹤飛機的雷達(dá)研制成功。1945年，能消除背景干擾、顯示運動目標(biāo)的顯示技術(shù)的發(fā)明，使雷達(dá)更加完善。在整個第二次世界大戰(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。電子對抗

電子對抗也稱為電子戰(zhàn)，是指利用電磁能量、電磁頻譜進行的軍事對抗。包括：電子偵察（利用衛(wèi)星、預(yù)警飛機等）；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（抗干擾技術(shù)）。

1991年海灣戰(zhàn)爭是美軍大規(guī)模實施電子對抗技術(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、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發(fā)射強大的電磁干擾信號，覆蓋了伊拉克軍用通信信號的整個頻段，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)的停火命令都是由美軍傳達(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)計對電磁波的吸收、散射作用，使雷達(dá)接收不到飛機的回波信號。龐大的B-2B轟炸機的雷達(dá)截面僅和天空中的一個小鳥相當(dāng)，以至于眼睛都看到飛機了，雷達(dá)還找不到。

海灣戰(zhàn)爭后，電子對抗技術(shù)在世界上引起很大的震動，我國也非常重視，投入很大的人力、物力進行研究，現(xiàn)在已經(jīng)具備了進行大規(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)備進入了人們生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，這些設(shè)備在正常運行的同時也向外輻射電磁能量，可能對其他設(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，礦物的分選，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，電磁式生物芯片，隱形飛機，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，即會產(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)原理對食品進行加熱的。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，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。其磁力線穿透灶臺的陶瓷臺板而作用于金屬鍋。在烹飪鍋體內(nèi)因電磁感應(yīng)就有強大的渦流產(chǎn)生。渦流克服鍋體的內(nèi)阻流動時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驗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、時變場。這種教材體系的特點是起點低、學(xué)生較易接受，但與電磁學(xué)有較多內(nèi)容重復(fù)。另一種是先時變場后靜態(tài)場，并以時變場為主的教材體系，它從麥克斯韋方程組出發(fā)，先論述時變場、然后把靜態(tài)場歸結(jié)為時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，充實了時變場的內(nèi)容，但起點高，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動規(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)方法解決實際問題的能力按時上課，獨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