电磁场及电磁波 绪论

1、绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波电子科技大学电子科技大学电磁场与电磁波课程组电磁场与电磁波课程组1任课教师：任课教师：陈其科陈其科绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波电子科技大学电子科技大学电磁场与电磁波课程组电磁场与电磁波课程组2联系方式：联系方式：E_mail： 电电 话：话：61830311总总 学学 时时: 80课时（课堂：课时（课堂：68，课程设计：，课程设计：6， 实验：实验：6）教教 材：材：电磁场与电磁波电磁场与电磁波（第四版）（第四版）成绩构成：成绩构成：平时（平时（10）阶段考试（）阶段考试（10%） 期中考试（期中考试（10）实验（）实验（10） 期末（期末（60）/

2、 暂定暂定 绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波电子科技大学电子科技大学电磁场与电磁波课程组电磁场与电磁波课程组3一、课程的性质和任务一、课程的性质和任务二、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、内容安排四、内容安排五、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、主要参考书绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波电子科技大学电子科技大学电磁场与电磁波课程组电磁场与电磁波课程组4 电磁波电磁波作为信息传输的载体，成为当今人类社会发布和获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取信息、探测未知世界的

3、重要手段 电磁场电磁场（或电磁波）作为能量的一种形式，是当今世界最（或电磁波）作为能量的一种形式，是当今世界最重要的能量形式之一重要的能量形式之一一、课程的性质和任务一、课程的性质和任务 是电磁理论的重要组成部分是电磁理论的重要组成部分 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 是电气工程师的必备知识是电气工程师的必备知识绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波电子科技大学电子科技大学电磁场与电磁波课程组电磁场与电磁波课程组5一、课程的性质和任务一、课程的性质和任务 近代科学的发展表明，电磁场与电磁波基本理论又是一近代科学的发展表明，电磁场与电磁波基本理论又是一些交叉学科的生长点和

4、新兴边缘学科发展的基础，而且对完些交叉学科的生长点和新兴边缘学科发展的基础，而且对完善科学素养，增强适应能力和创造能力长远地发挥作用。善科学素养，增强适应能力和创造能力长远地发挥作用。 本课程在本课程在“大学物理（电磁学）大学物理（电磁学）”的基础上，进一步研的基础上，进一步研究宏观电磁现象和电磁过程的基本规律及其分析计算方法。究宏观电磁现象和电磁过程的基本规律及其分析计算方法。 通过本课程的学习，通过本课程的学习，掌握基本的宏观电磁理论掌握基本的宏观电磁理论，具备，具备分分析和解决析和解决基本的电磁场工程问题的能力。基本的电磁场工程问题的能力。绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波电子科技大学

5、电子科技大学电磁场与电磁波课程组电磁场与电磁波课程组6一、课程的性质和任务一、课程的性质和任务本课程知识体系地位：本课程知识体系地位：承上启下：承上启下： 大学物理电磁学大学物理电磁学本课程本课程微波技术、高等电磁场微波技术、高等电磁场边缘学科：边缘学科： 电磁兼容性（电磁兼容性（Electromagnetic CompatibilityEMCElectromagnetic CompatibilityEMC） 生物电磁学生物电磁学绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波电子科技大学电子科技大学电磁场与电磁波课程组电磁场与电磁波课程组71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

6、重要的现象，也是最早被科学家们电、磁现象是大自然最重要的现象，也是最早被科学家们关心和研究的物理现象，其中贡献最大的有关心和研究的物理现象，其中贡献最大的有赖顿赖顿、富兰克林富兰克林、伏打伏打等科学家。等科学家。 19世纪以前，电、磁现象一直作为两个独立的物理现象，世纪以前，电、磁现象一直作为两个独立的物理现象，没有人发现它们之间的相互联系。但是这些研究（特别是没有人发现它们之间的相互联系。但是这些研究（特别是伏打伏打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、电磁场理论的发展绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波电子科

7、技大学电子科技大学电磁场与电磁波课程组电磁场与电磁波课程组82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、磁之间年开始研究电、磁之间的关系。的关系。1820年，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（电流的磁效电流的磁效应应）。）。 安培安培发现作用力的方向、电流的

8、方向、磁针到通电导线发现作用力的方向、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（的垂直方向是相互垂直的，并定量建立了若干数学公式（安安培力定律培力定律）。）。绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波电子科技大学电子科技大学电磁场与电磁波课程组电磁场与电磁波课程组9 法拉第法拉第 在谢林的影响下，相信电、磁、光、热是相互联在谢林的影响下，相信电、磁、光、热是相互联系的。奥斯特系的。奥斯特1820年发现电流以力作用于磁针后，法拉第敏锐年发现电流以力作用于磁针后，法拉第敏锐地意识到，电可以对磁产生作用，磁也一定能够对电产生影响。地意识到，电可以对磁产生作用，磁也一定能够

9、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，当磁棒插入年他发现，当磁棒插入导体线圈时，线圈中就会产生电流（导体线圈时，线圈中就会产生电流（法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律）。）。这表明，电与磁之间存在着密切的联系。这表明，电与磁之间存在着密切的联系。 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。在发展了场的概念。在法拉第法拉第实验的基础上，总结了宏观电磁现实验的基础上，总结了宏观电磁现象的规律，引入象的规律，引入位移电流位移电流的概念。在此基础上提出了一套偏微的概念。在

10、此基础上提出了一套偏微分方程来表述电磁现象的基本规律，称为分方程来表述电磁现象的基本规律，称为麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组，预，预言了电磁波的存在，麦克斯韦方程组是经典电磁学的基本方程。言了电磁波的存在，麦克斯韦方程组是经典电磁学的基本方程。绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波电子科技大学电子科技大学电磁场与电磁波课程组电磁场与电磁波课程组103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，尤其近展，电磁理论得到了广泛的应用和发展，尤其近40年来，年来，无无线电电子学线电电

11、子学、计算机和网络技术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。绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波电子科技大学电子科技大学电磁场与电磁波课程组电磁场与电磁波课程组11三、电磁场理论的工程应用三、电磁场理论的工程应用 （1 1）静电场的应用）静电场的应用 静电放电、静电感应、静电屏蔽、电场力静电放电、静电感应、静电屏蔽、电场力（2 2）恒定电流场的应用）恒定电流场的应用 电镀工

12、艺、电力工程、地质勘探、油井测量、超导技术电镀工艺、电力工程、地质勘探、油井测量、超导技术（3 3）恒定磁场的应用）恒定磁场的应用 发电机、电动机、电气仪表、电磁铁、示波管、显像管、发电机、电动机、电气仪表、电磁铁、示波管、显像管、 磁控管、质谱仪、电子计算机、电子显微镜、回旋加速器、磁控管、质谱仪、电子计算机、电子显微镜、回旋加速器、 磁悬浮列车和磁悬浮轴承磁悬浮列车和磁悬浮轴承 绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波电子科技大学电子科技大学电磁场与电磁波课程组电磁场与电磁波课程组12三、电磁场理论的工程应用三、电磁场理论的工程应用 （4 4）平面波反射与折射定律的应用）平面波反射与折射定律的

13、应用 性能优越的隐形飞行器的设计必须依靠空气动力学家和性能优越的隐形飞行器的设计必须依靠空气动力学家和 电磁学家的共同合作才能完成电磁学家的共同合作才能完成（5 5）平面波极化特性的应用）平面波极化特性的应用 圆极化雷达、无线通信中的极化问题、圆极化雷达、无线通信中的极化问题、 微波器件微波器件（6 6）缩波、透波、和吸波效应的应用）缩波、透波、和吸波效应的应用 缩短效应：电磁波在媒质中的波长比真空中的波长短的现象缩短效应：电磁波在媒质中的波长比真空中的波长短的现象 透波效应：电磁波穿透媒质的能力透波效应：电磁波穿透媒质的能力 吸波效应：媒质吸收电磁波的能力吸波效应：媒质吸收电磁波的能力绪论绪

14、论电磁场与电磁波电磁场与电磁波电子科技大学电子科技大学电磁场与电磁波课程组电磁场与电磁波课程组13三、电磁场理论的工程应用三、电磁场理论的工程应用 （7 7）导行波的应用）导行波的应用 双导线传输系统、同轴线、微带传、金属波导、光纤双导线传输系统、同轴线、微带传、金属波导、光纤（8 8）电磁辐射的应用）电磁辐射的应用 天线、无线通信系统、无线局域网天线、无线通信系统、无线局域网( (蓝牙技术蓝牙技术) )、 全球卫星定位系统全球卫星定位系统GPS(Global Positioning System)GPS(Global Positioning System) 军工、农业、医疗、地质勘探以及天文

15、地理等领域军工、农业、医疗、地质勘探以及天文地理等领域（9 9）电磁兼容的应用）电磁兼容的应用 所谓电磁兼容是指：所谓电磁兼容是指： 电子和电气设备在一定的电磁环境下，能够正常工作的能力。电子和电气设备在一定的电磁环境下，能够正常工作的能力。 同时各种电子和电气设备本身产生的电磁辐射不允许超过一定同时各种电子和电气设备本身产生的电磁辐射不允许超过一定 的限度。这就是所谓电子和电气设备的抗扰和电磁干扰的性能。的限度。这就是所谓电子和电气设备的抗扰和电磁干扰的性能。绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波电子科技大学电子科技大学电磁场与电磁波课程组电磁场与电磁波课程组14 电磁场最重要的应用方向电磁场

16、最重要的应用方向信息传递信息传递媒介媒介。 18871887年，德国科学家年，德国科学家赫兹赫兹用火花隙激励用火花隙激励一个环状天线，用另一个带隙的环状天线接一个环状天线，用另一个带隙的环状天线接收，证实了收，证实了麦克斯韦麦克斯韦关于电磁波存在的预言，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。从此开始了电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，并且发展成为当代最引人注目的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。学科之一。三、电磁场理论的工程应用三、电磁场理论的工程应用 绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波电子科技大

17、学电子科技大学电磁场与电磁波课程组电磁场与电磁波课程组15无线电报无线电报: 1895年，意大利年，意大利马可尼马可尼成功地进行了成功地进行了2.5km距离的无线电距离的无线电报传送实验；报传送实验；1896年，年，波波夫波波夫进行了约进行了约250m米距离的类似试米距离的类似试验；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，年，跨越大西洋的跨越大西洋的3200km距离的试验成功。距离的试验成功。马可尼马可尼以其在无线电以其在无线电报等领域的成就，获得了报等领域的成就，获得了1909年的诺贝尔物理学奖。无线电年的诺贝尔物理学奖。无线电报

18、的发明，开始了利用电磁波时期。报的发明，开始了利用电磁波时期。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。绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波电子科技大学电子科技大学电磁场与电磁波课程组电磁场与电磁波课程组16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，英国年，英国贝尔德贝尔德成功地用电话线路把图像从伦敦传至大西洋成功地用电话线路把图像从伦敦传

19、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。广播广播: : 1906年，美国年，美国费森登费森登用用50kHz频率发电机作发射机，用微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

20、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。绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波电子科技大学电子科技大学电磁场与电磁波课程组电磁场与电磁波课程组17雷达雷达: : 第第二次世界大战前夕，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：英国的年：英国的瓦特瓦特设计的警戒雷达最先投入了运行，有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；效地警戒了来自德国的轰炸机； 1938年：美国研制成第一部火炮控制雷达

21、；年：美国研制成第一部火炮控制雷达； 1940年：多腔磁控管发明成功，微波雷达研制成为可能；年：多腔磁控管发明成功，微波雷达研制成为可能； 1944年：能够自动跟踪飞机的雷达研制成功。年：能够自动跟踪飞机的雷达研制成功。 1945年：能消除背景干扰、显示运动目标的显示技术的发年：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。明，使雷达更加完善。 在整个第二次世界大战期间，雷达成了电磁场理论最活跃在整个第二次世界大战期间，雷达成了电磁场理论最活跃的部分。的部分。绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波电子科技大学电子科技大学电磁场与电磁波课程组电磁场与电磁波课程组18卫星通信技术卫星

22、通信技术: 1958年，年， 美国发射低轨道美国发射低轨道“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，第一颗商年，第一颗商用定点同步卫星投入运行。用定点同步卫星投入运行。1969年，大西洋、太平洋和印度洋年，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，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，这些卫星地球站又和本国或本地区的通信网接通。卫星通信

23、经这些卫星地球站又和本国或本地区的通信网接通。卫星通信经历历10年的发展，终趋于成熟。年的发展，终趋于成熟。绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波电子科技大学电子科技大学电磁场与电磁波课程组电磁场与电磁波课程组19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

24、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。 中国的北斗，欧洲的伽利略计划都是未来可能出现的卫星中国的北斗，欧洲的伽利略计划都是未来可能出现的卫星定位系统。定位系统。绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波电子科技大学电子科技大学电磁场与电磁波课程组电磁场与电磁波课程组20矢量分析矢量分析(7(7学时学时) )电磁场的基本规律（电磁场的基本规律（1212学时）学时） 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解(1

25、5(15学时学时) )时变电磁场时变电磁场(5(5学时学时) )均匀平面波在无界空间中的传播（均匀平面波在无界空间中的传播（8 8学时学时) ) 均匀平面波的反射和透射均匀平面波的反射和透射(11(11学时）学时）导行电磁波（导行电磁波（5 5学时）学时） 电磁辐射（电磁辐射（3 3学时）学时）四、内容安排四、内容安排根据纸质主教材，本教案也分八章：根据纸质主教材，本教案也分八章：绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波电子科技大学电子科技大学电磁场与电磁波课程组电磁场与电磁波课程组21五、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

26、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绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波电子科技大学电子科技大学电磁场与电磁波课程组电磁场与电磁波课程组22六、主要参考书六、主要参考书【1】 谢处方，饶克谨谢处方，饶克谨. 电磁场与电磁波（第电磁场与电磁波（第3版）版）. 北京：高等教育出版社，北京：高等教育出版社，1999【2】 Liang

27、 Chi Shen, Jin Au Kong . Applied Electromagnetism. 2nd ed . PWS Publishing Company, 1987【3】 John D. Kraus, Daniel A. Fleisch. Electromagnetics With Applications. 5nd ed （影印版）（影印版）. 北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，2001【4】 William H. Hayt, Jr. John A. Buck 著著.工程电磁学（第六版）工程电磁学（第六版）. 徐安士徐安士, 周乐柱周乐柱 译译. 北京：电子工业出版社，北京：电子工业出版社，2004【5】 Bhag Singh Guru, Hseyin R. Hiziroglu 著著.电磁场与电磁波电磁场与电磁波. 周克定等译周克定等译. 北北 京：机械工业出版社，京：机