电磁场与电磁波绪论

1、 学时：64 课时 授课教师：刘 莉 电话电子邮箱：一、课程的性质一、课程的性质二、电磁场理论的发展二、电磁场理论的发展三电磁场理论的应用三电磁场理论的应用 四、内容结构四、内容结构五、学习的目的、方法及其要求五、学习的目的、方法及其要求六、主要参考书六、主要参考书 电磁场（或电磁波）作为能量的一种形式，是当今世界最重电磁场（或电磁波）作为能量的一种形式，是当今世界最重要的能源要的能源 电磁波作为信息传输的载体，成为当今人类社会发布和获取电磁波作为信息传输的载体，成为当今人类社会发布和获取信息、探测未知世界的重要手段信息、探测未知世界的重要手段一、课程的性质一、课程的

2、性质 电类专业学生必修的技术基础课电类专业学生必修的技术基础课 是电气工程师必备知识是电气工程师必备知识 是电磁理论的重要组成部分是电磁理论的重要组成部分1电磁场理论的早期研究电磁场理论的早期研究 电、磁现象是大自然最重要的往来现象，也是最早被科电、磁现象是大自然最重要的往来现象，也是最早被科学家们关心和研究的物理现象，其中贡献最大的有学家们关心和研究的物理现象，其中贡献最大的有来顿、富来顿、富兰克林、伏打兰克林、伏打等科学家。等科学家。 19世纪以前，电、磁现象作为两个独立的物理现象，没世纪以前，电、磁现象作为两个独立的物理现象，没有发现它们之间的相互联系。但是由于这些研究特别是伏打有发现它

3、们之间的相互联系。但是由于这些研究特别是伏打1799年发明了电池），为电磁学理论的建立奠定了基础。年发明了电池），为电磁学理论的建立奠定了基础。二、电磁场理论的发展二、电磁场理论的发展2电磁场理论的建立电磁场理论的建立 18世纪末期，德国哲学家世纪末期，德国哲学家谢林谢林认为，宇宙是有活力的，认为，宇宙是有活力的，而不是僵死的。他认为电就是宇宙的活力，是宇宙的灵魂；而不是僵死的。他认为电就是宇宙的活力，是宇宙的灵魂；电、磁、光、热是相互联系的。电、磁、光、热是相互联系的。 奥斯特奥斯特 是谢林的信徒，他从是谢林的信徒，他从1807年开始研究电磁之间的年开始研究电磁之间的关系。关系。1820年，

4、他发现电流以力作用于磁针。年，他发现电流以力作用于磁针。 安培安培 发现作用力的方向、电流的方向、磁针到通电导发现作用力的方向、电流的方向、磁针到通电导线的垂直方向是相互垂直的，并定量建立了若干数学公式。线的垂直方向是相互垂直的，并定量建立了若干数学公式。 奥斯特奥斯特1820年发现电流以力作用于磁针后，年发现电流以力作用于磁针后，法拉第法拉第敏锐地敏锐地意识到，电可以对磁产生作用，磁也一定能够对电产生影响。意识到，电可以对磁产生作用，磁也一定能够对电产生影响。1821年他开始探索磁生电的实验。年他开始探索磁生电的实验。1831年他发现，当磁捧插入年他发现，当磁捧插入导体线圈时，线圈中就产生电

5、流。这表明，电与磁之间存在着导体线圈时，线圈中就产生电流。这表明，电与磁之间存在着密切的联系。密切的联系。 麦克斯韦麦克斯韦 深入研究并探讨了电与磁之间发生作用的问题，深入研究并探讨了电与磁之间发生作用的问题，发展了场的概念。在法拉第实验的基础上，总结了宏观电磁现发展了场的概念。在法拉第实验的基础上，总结了宏观电磁现象的规律，引进位移电流的概念。这个概念的核心思想是：变象的规律，引进位移电流的概念。这个概念的核心思想是：变化着的电场能产生磁场；与变化着的磁场产生电场相对应。在化着的电场能产生磁场；与变化着的磁场产生电场相对应。在此基础上提出了一套偏微分方程来表达电磁现象的基本规律，此基础上提出

6、了一套偏微分方程来表达电磁现象的基本规律，称为麦克斯韦方程组，是经典电磁学的基本方程。称为麦克斯韦方程组，是经典电磁学的基本方程。3电磁场理论的发展电磁场理论的发展 在麦克斯韦方程建立后的一百多年里在麦克斯韦方程建立后的一百多年里,随着科学技术的发随着科学技术的发展，电磁理论得到了广泛的应用和发展，尤其近三十年来，展，电磁理论得到了广泛的应用和发展，尤其近三十年来，无线电电子学、计算机和网络技术无线电电子学、计算机和网络技术的飞速发展，的飞速发展，生物电磁学、生物电磁学、环境电磁学环境电磁学和和电磁兼容电磁兼容等学科的建立，向电磁理论提出了许等学科的建立，向电磁理论提出了许多新的研究课题，使现

7、代电磁理论得到了迅速的发展。多新的研究课题，使现代电磁理论得到了迅速的发展。三电磁场理论的应用三电磁场理论的应用 射线射线 医疗上用医疗上用射线作为射线作为“手术刀手术刀”来切除肿瘤来切除肿瘤 x 射线射线 医疗、飞机安检，医疗、飞机安检，X射线用于透视检查射线用于透视检查 紫外线紫外线 医学杀菌、防伪技术、日光灯医学杀菌、防伪技术、日光灯 可见光可见光 七色光七色光(红、橙、黄、绿、青、蓝、紫红、橙、黄、绿、青、蓝、紫 ）放射性物质发出放射性物质发出 ，0.7510-3 m 1887年，德国科学家年，德国科学家赫兹赫兹用火花隙激励一个环状天线，用火花隙激励一个环状天线，用另一个带隙的环状天线

8、接收，证实了麦克斯韦关于电磁波用另一个带隙的环状天线接收，证实了麦克斯韦关于电磁波存在的预言，这一重要的实验导致了后来无线电报的发明。存在的预言，这一重要的实验导致了后来无线电报的发明。从此开始了电磁场理论应用与发展时代，并且发展成为当代从此开始了电磁场理论应用与发展时代，并且发展成为当代最引人注目的学科之一。最引人注目的学科之一。有线电话有线电话: 1876年，美国年，美国A.G. 贝尔贝尔在美国建国在美国建国100周年博览会上展示周年博览会上展示了他所发明的有线电话。了他所发明的有线电话。 此后，有线电话便迅速普及开来。此后，有线电话便迅速普及开来。无线电报无线电报: 1895年，意大利年

9、，意大利马可尼马可尼成功地进行了成功地进行了2.5公里距离的无公里距离的无线电报传送实验。线电报传送实验。1896年，年，波波夫波波夫进行了类似试验进行了类似试验, 1899年年, 无线电报跨越英吉利海峡的试验成功；无线电报跨越英吉利海峡的试验成功；1901年，跨越大西洋年，跨越大西洋的的3200公里距离的试验成功。马可尼以其在无线电报等领域公里距离的试验成功。马可尼以其在无线电报等领域的成就，获得了的成就，获得了1909年的诺贝尔物理学奖。无线电报的发明，年的诺贝尔物理学奖。无线电报的发明，开始了利用电磁波时期。开始了利用电磁波时期。广播广播: : 1906年，美国年，美国费森登费森登用用5

10、0千赫频率发电机作发射机，用微千赫频率发电机作发射机，用微音器接入天线实现调制，使大西洋航船上的报务员听到了他从音器接入天线实现调制，使大西洋航船上的报务员听到了他从波士顿播出的音乐。波士顿播出的音乐。1919年，第一个定时播发语言和音乐的无年，第一个定时播发语言和音乐的无线电广播电台在英国建成。次年，在美国的匹兹堡城又建成一线电广播电台在英国建成。次年，在美国的匹兹堡城又建成一座无线电广播电台。座无线电广播电台。电视电视: : 1884年，德国年，德国尼普科夫尼普科夫提出机械扫描电视的设想，提出机械扫描电视的设想，1927年，英国贝尔德成功地用电话线路把图像从伦敦传至大西洋年，英国贝尔德成功

11、地用电话线路把图像从伦敦传至大西洋中的船上。中的船上。兹沃霄金兹沃霄金在在1923和和1924 年相继发明了摄像管和显年相继发明了摄像管和显像管。像管。1931年，他组装成世界上第一个全电子电视系统。年，他组装成世界上第一个全电子电视系统。雷达雷达: : 二次世界大战前夕，飞机成为主要进攻武器。英、美、二次世界大战前夕，飞机成为主要进攻武器。英、美、德、法等国竞相研制一类能够早期警戒飞机的装置。德、法等国竞相研制一类能够早期警戒飞机的装置。1936年，年，英国的瓦特设计的警戒雷达最先投入了运行。有效地警戒了英国的瓦特设计的警戒雷达最先投入了运行。有效地警戒了来自德国的轰炸机。来自德国的轰炸机。

12、1938年，美国研制成第一部能指挥火炮年，美国研制成第一部能指挥火炮射击的火炮控制雷达。射击的火炮控制雷达。1940年，多腔磁控管的发明，微波雷年，多腔磁控管的发明，微波雷达的研制成为可能。达的研制成为可能。1944年，能够自动跟踪飞机的雷达研制年，能够自动跟踪飞机的雷达研制成功。成功。1945年，能消除背景干扰显示运动目标的显示技术的年，能消除背景干扰显示运动目标的显示技术的发明，使雷达更加完善。在整个第二次世界大战期间发明，使雷达更加完善。在整个第二次世界大战期间,雷达成雷达成了电磁场理论最活跃的部分。了电磁场理论最活跃的部分。卫星通信技术卫星通信技术: 1958年年, 美国发射低轨的美国

13、发射低轨的“斯科尔斯科尔”卫星成功，这是第一颗卫星成功，这是第一颗用于通信的试验卫星。用于通信的试验卫星。1964年年,借助定点同步通信卫星首次实借助定点同步通信卫星首次实现了美、现了美、 欧、非三大洲的通信和电视转播。欧、非三大洲的通信和电视转播。1965年年,第一颗商用第一颗商用定点同步卫星投入运行。定点同步卫星投入运行。1969年年, 大西洋、太平洋和印度洋上空大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定点同步通信卫星，卫星地球站已遍布世界各国，这些均已有定点同步通信卫星，卫星地球站已遍布世界各国，这些卫星地球站又和本国或本地区的通信网接通。卫星通信经历卫星地球站又和本国或本地区的通信网接通。卫星

14、通信经历10年的发展，终趋于成熟。年的发展，终趋于成熟。卫星定位技术卫星定位技术: : 1957年卫星发射成功后，人们试图将雷达引入卫星，实现年卫星发射成功后，人们试图将雷达引入卫星，实现以卫星为基地对地球表面及近地空间目标的定位和导航。以卫星为基地对地球表面及近地空间目标的定位和导航。1958年底，美国开始研究实施这一计划，于年底，美国开始研究实施这一计划，于1964年研究成功子午仪年研究成功子午仪卫星导航系统。卫星导航系统。1973年美国提出了由年美国提出了由24颗卫星组成的实用系统颗卫星组成的实用系统新方案，即新方案，即GPS计划。计划。1990年最终的年最终的GPS方案是由方案是由21

15、颗工作卫颗工作卫星和星和3颗在轨备用卫星组成。颗在轨备用卫星组成。其它应用其它应用： 阴极射线示波器，喷墨打印机，矿物的分选，阴极射线示波器，喷墨打印机，矿物的分选， 磁分离器，回旋加速器，磁流体发电机，磁分离器，回旋加速器，磁流体发电机， 电磁泵，磁悬浮列车，变压器，电磁炉，电磁泵，磁悬浮列车，变压器，电磁炉， 电磁式生物芯片，隐形飞机，电磁高速公路等等电磁式生物芯片，隐形飞机，电磁高速公路等等 当今世界的电子信息系统，不论是通信、雷达、广播、当今世界的电子信息系统，不论是通信、雷达、广播、电视，还是导航、遥控遥测，都是通过电磁波传递信息电视，还是导航、遥控遥测，都是通过电磁波传递信息来进行

16、工作的。因此以宏观电磁理论为基础，电磁信息来进行工作的。因此以宏观电磁理论为基础，电磁信息的传输和转换为核心的电磁场与电磁波工程技术将充分的传输和转换为核心的电磁场与电磁波工程技术将充分发挥其重要作用。发挥其重要作用。接收机接收天线馈线导行波导行波导行波导行波发射机发射天线馈线导行波导行波无线电通信系统无线电通信系统 发射机末级回路产生的高频振荡电流经过馈线送到发射天发射机末级回路产生的高频振荡电流经过馈线送到发射天线，通过发射天线将其转换成电磁波辐射出去；到了接收端，线，通过发射天线将其转换成电磁波辐射出去；到了接收端，电磁波在接收天线上感生高频振荡电流，再经馈线将高频振荡电磁波在接收天线上

17、感生高频振荡电流，再经馈线将高频振荡电流送到接收机输入回路，这就完成了信息的传递。在这个过电流送到接收机输入回路，这就完成了信息的传递。在这个过程中，经历了电磁波的程中，经历了电磁波的传输、发射、传播、接收传输、发射、传播、接收等过程。等过程。 传输导行电磁波 发射和接收天线 传播入射、反射、透射、绕射中、短波发射天线中、短波发射天线微波接力天线微波接力天线卡塞格仑天线卡塞格仑天线MMDS-A型微波天线型微波天线MMDS-C型微波天线型微波天线对数周期天线对数周期天线矩形波导矩形波导圆波导圆波导平行双线平行双线同轴线同轴线微带线微带线导波系统导波系统 运行中的电子、电气设备大运行中的电子、电气

18、设备大多伴随着电磁能多伴随着电磁能量的转换，使得高密度、宽频谱的电磁信息充满量的转换，使得高密度、宽频谱的电磁信息充满整个人类的生存空间，构成极其复杂的电磁环境，整个人类的生存空间，构成极其复杂的电磁环境，出现了电磁干扰和电磁污染，使电子系统受到严出现了电磁干扰和电磁污染，使电子系统受到严峻的挑战，人类生存受到威胁。峻的挑战，人类生存受到威胁。 人们面临的一个新问题就是如何提人们面临的一个新问题就是如何提高电子系统在复杂电磁环境下正常运高电子系统在复杂电磁环境下正常运行的能力，如何改善人类生存环境。行的能力，如何改善人类生存环境。电磁兼容性（电磁兼容性（Electromagnetic Comp

19、atibility,简写为简写为EMC）。）。电子系统的电磁兼容性的分析、计算、电子系统的电磁兼容性的分析、计算、试验都要用到大量的电磁场理论知识，应用到电路的试验都要用到大量的电磁场理论知识，应用到电路的基础知识，甚至生物医学知识。电磁兼容学科是电磁基础知识，甚至生物医学知识。电磁兼容学科是电磁场学科和其他相关学科相结合而形成的新学科。场学科和其他相关学科相结合而形成的新学科。 生物电磁学也是与电磁场相关联的一门新学科，它研生物电磁学也是与电磁场相关联的一门新学科，它研究电磁场与生物系统的相互作用、相互影响的关系，究电磁场与生物系统的相互作用、相互影响的关系，电磁场与电磁波无疑是其讨论的理论

20、依据。电磁场与电磁波无疑是其讨论的理论依据。电磁理论电磁理论电磁基本理论电磁基本理论电磁工程电磁工程电磁场源与场电磁场源与场的关系的关系电磁波在空间电磁波在空间传播的基本规律传播的基本规律 产生、辐射、产生、辐射、传播、接收传播、接收各方面的应用各方面的应用四、内容结构四、内容结构五、学习的目的、方法及其要求五、学习的目的、方法及其要求掌握宏观电磁场的基本属性和运动规律掌握宏观电磁场的基本属性和运动规律掌握宏观电磁波的传播规律掌握宏观电磁波的传播规律了解电磁波的辐射原理了解电磁波的辐射原理掌握静态场问题的基本求解方法掌握静态场问题的基本求解方法训练分析问题、归纳问题的科学方法训练分析问题、归纳问题的科学方法培养用数学方法解决实际问题的能力培养用数学方法解决实际问题的能力独立完成作业独立完成作业六、主要参考书六、主要参考书1. 谢处方