北京理工大学电磁场理论基础序言

1、电磁场理论基础电磁场理论基础序 言教教 师：刘埇师：刘埇 手手 机：机公室：办公室：4号楼号楼203室室内容提要内容提要 光光 什么是电磁场？什么是电磁场？ 发展简史发展简史 电磁频谱电磁频谱 研究对象研究对象 研究领域研究领域 章节安排章节安排 学习的目的、方法和要求学习的目的、方法和要求能级跃迁图能级跃迁图一、光的产生一、光的产生不同不同颜色颜色的光是的光是怎么怎么产生的产生的？关于光的关于光的“微粒说微粒说”和和“波动说波动说”“微粒说微粒说”和和“波动说波动说”都是对光的本性的认识过程中都是对光的本性的认识过程中所提出的某种所提出的某种假说假说，都是建立在一定

2、的，都是建立在一定的实验基础实验基础之上的之上的。以以牛顿为代表的牛顿为代表的“微粒说微粒说”认为光是从光源发出的物质微粒，认为光是从光源发出的物质微粒，这种假说很容易解释光的直进现象，光的反射现象，光的折射这种假说很容易解释光的直进现象，光的反射现象，光的折射现象，但在解释一束光射到两种介质界面处会现象，但在解释一束光射到两种介质界面处会同时同时发生反射与发生反射与折射现象时，发生了很大的困难。折射现象时，发生了很大的困难。以以惠更斯为代表的惠更斯为代表的“波动说波动说”认为光是某种振动以波的形式向认为光是某种振动以波的形式向周围传播，这种假说很容易解释反射与折射同时存在的现象，周围传播，这

3、种假说很容易解释反射与折射同时存在的现象，但由于波应能绕过障碍物，所以在解释光的但由于波应能绕过障碍物，所以在解释光的直进直进现象时遇到了现象时遇到了困难。困难。电磁波电磁波光光 子子光的波动性光的波动性光的粒子性光的粒子性 波长波长 频率频率波速波速 动质量动质量能量能量动量动量波的干涉波的干涉波的衍射波的衍射横波偏振横波偏振有波动参量有波动参量 如：如：有波的行为特性有波的行为特性 如：如：有粒子参量有粒子参量 如：如： 有粒子的行为特性有粒子的行为特性 如：如：黑体辐射黑体辐射光电效应光电效应康普顿效应康普顿效应, ,光的这种双重特性光的这种双重特性, ,称为称为光的波粒二象性光的波粒二

4、象性。既具有既具有波动性波动性又具有又具有粒子性粒子性光光h/hch19231923年他提出年他提出电子电子既具有粒子既具有粒子性又具有波动性。性又具有波动性。19241924年正式发表一切物质都具年正式发表一切物质都具有波粒二象性的论述。并建议有波粒二象性的论述。并建议用电子在晶体上做衍射实验来用电子在晶体上做衍射实验来验证。验证。19271927年被实验证实。他的论述年被实验证实。他的论述被爱因斯坦誉为被爱因斯坦誉为 “ 揭开了巨揭开了巨大面罩的一角大面罩的一角 ”。 德布罗意德布罗意为此获得为此获得19291929年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。本课程按照波动性理论研究电磁场问题，而

5、不考虑粒子性理论。本课程按照波动性理论研究电磁场问题，而不考虑粒子性理论。光的干涉光的干涉激激光光P1S2S1PP2挡板挡板 屏屏双缝干涉双缝干涉薄膜干涉薄膜干涉光的干涉条纹光的干涉条纹光的衍射条纹光的衍射条纹光的偏振（电磁波的极化）光的偏振（电磁波的极化）P明明QP明明暗暗QP丙丙甲甲乙乙光的偏振说明光是横波。光的偏振说明光是横波。光的干涉与衍射充分地表明光是一种波，光的偏振光的干涉与衍射充分地表明光是一种波，光的偏振现象又进一步表明光是横波。现象又进一步表明光是横波。麦克斯韦提出了光在本质上是一种电磁波麦克斯韦提出了光在本质上是一种电磁波，这就是，这就是所谓的所谓的光的电磁说光的电磁说。赫

6、兹用实验证实了电磁波的存在，并测出其波长与赫兹用实验证实了电磁波的存在，并测出其波长与频率，进而得到电磁波的传播速度，用实验证实了频率，进而得到电磁波的传播速度，用实验证实了光的电磁说。光的电磁说。 本课程中，要用本课程中，要用MaxwellMaxwell方程波动力学方程波动力学加以解决加以解决。 光波动的客观性二、什么是电磁场？二、什么是电磁场？对电磁场与微波专业，电磁场理论是一门最重要的基础课程。究竟什么是电磁场？这是我们关心的首要问题。電電陰陽激燿也。从雨从申。 磁磁也为石名，本义:磁石。也指磁性 。場場本义:平坦的空地 。电场是存在于电荷周围能传递电荷与电荷之间相互作用的物理场。磁场磁

7、体周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的。 (电动力学-非接触力) 电磁场电场和磁场的统称。变化着的电场和磁场往往同时并存，并且互相转化，形成电磁波。三、电磁场理论的发展简史三、电磁场理论的发展简史1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，也是最早被科学家们关心和研究的物理现象，其中贡献最大的有穆欣布罗克来顿瓶、富兰克林、伏特等科学家。 19世纪以前，电、磁现象作为两个独立的物理现 象，没有发现电与磁的联系。但是这些研究 为电磁学理论的建立奠定了基础。2电磁场理论的建立18世纪末期，德国哲学家谢林认为，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

8、灵魂；电、磁、光、热是相互联系的。奥斯特是谢林的信徒，他从1807年开始研究电磁之间的关系。1820年，他发现电流以力作用于磁针。安培发现作用力的方向和电流的方向以及磁针到通过电流的导线的垂直线方向相互垂直，并定量建立了若干数学公式。法拉第相信电、磁、光、热是相互联系的。奥斯特1820年发现电流以力作用于磁针后，法拉第敏锐地意识到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。1831年他发现，当磁捧插入导体线圈时；导线圈中就产生电流。这表明，电与磁之间存在着密切的联系。 麦克斯韦麦克斯韦（James Clerk Maxwell） 历史选择了历史选择了Maxwell，一批年青一批年

9、青的学者总结出电磁运动规律，即的学者总结出电磁运动规律，即Maxwell方程组。同时，提出了方程组。同时，提出了Newton力学所没有的崭新概念力学所没有的崭新概念场场(Field的概念的概念)。 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，总结了宏观电磁现象的规律，引进位移电流的概念，提出了一组描述电磁现象规律的偏微分方程，即麦克斯韦方程组，是经典电磁学的基本方程，并预言了电磁波的存在。电磁理论的集大成者电磁理论的集大成者 1887年，德国科学家赫兹用火花隙激励一个环状天线，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

10、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，成为当代最活跃的学科领域。3 3、电磁场理论的应用和发展、电磁场理论的应用和发展Herz电磁实验中使用过的仪器设备（图中为Herz助手） 1895年，意大利马可尼成功地进行了2.5公里距离的无线电报传送实验。1896年，波波夫进行了约250米距离的类似试验,1899年, 无线电报跨越英吉利海峡的试验成功；1901年，跨越大西洋的3200公里距离的试验成功。开始了利用电磁波进行信息传输的时代。马可尼以其在无线电报等领域的成就，获得1909年的诺贝尔奖。无线电报无线电报有线电话 18761876年年, , 美国科学美国科学家家贝尔贝尔在美

11、国建国在美国建国100100周年博览会上展周年博览会上展示了他所发明的有线示了他所发明的有线电话。此后电话。此后, ,有线电有线电话便迅速普及开来。话便迅速普及开来。 广播 19061906年，美国年，美国费森登费森登用用5050千赫频率发电机作发射千赫频率发电机作发射 机，用微音器接入天线实机，用微音器接入天线实现调制，使大西洋航船现调制，使大西洋航船 上的报务员听到了他从波上的报务员听到了他从波士顿播出的音乐。士顿播出的音乐。19191919 年，第一个定时播发语言年，第一个定时播发语言和音乐的无线电广播电和音乐的无线电广播电 台在英国建成。次年，在台在英国建成。次年，在美国的匹兹堡城又建

12、成美国的匹兹堡城又建成 一座无线电广播电台。一座无线电广播电台。 电视 18841884年，德国年，德国尼普科夫尼普科夫提提出机械扫描电视的设想，出机械扫描电视的设想，19271927年，英国年，英国贝尔德贝尔德成功成功地用电话线路把图像从伦地用电话线路把图像从伦敦传至大西洋中的船上。敦传至大西洋中的船上。兹沃霄金兹沃霄金在在19231923年和年和19241924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。 19311931年，世界上第一个年，世界上第一个全电子电视系统出现。全电子电视系统出现。雷达（Radio Detection and Ranging） 19221922年，意

13、大利科学家年，意大利科学家G G马可尼马可尼发表了无线发表了无线电波能检测物体的论文，是雷达最早的基本概念电波能检测物体的论文，是雷达最早的基本概念。雷达作为一种探测目标的电子设备，产生于二。雷达作为一种探测目标的电子设备，产生于二次世界大战。雷达的英文次世界大战。雷达的英文RADAR是是 Radio Detection And Radio Detection And Ranging Ranging的缩写，意为的缩写，意为 “无线电探测和测距无线电探测和测距”。19361936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。行。

14、有效地警戒了来自德国的轰炸机。19381938年，美国研制成第一部能指挥火炮射击的火炮年，美国研制成第一部能指挥火炮射击的火炮控制雷达；控制雷达；19401940年，多腔磁控管的发明，使微波雷达的研制成年，多腔磁控管的发明，使微波雷达的研制成为可能；为可能；19441944年，自动跟踪飞机的雷达研制成功；年，自动跟踪飞机的雷达研制成功；19451945年，能消除背景干扰显示运动目标的显示技术年，能消除背景干扰显示运动目标的显示技术发明发明, , 使雷达更加完善。使雷达更加完善。在整个第二次世界大战期间在整个第二次世界大战期间, ,雷达成了电磁场理论最雷达成了电磁场理论最活跃的部分。活跃的部分。

15、卫星通信技术卫星通信技术 19581958年年, ,美国发射低轨的美国发射低轨的“斯科尔斯科尔”卫星成功卫星成功, , 这是第一颗这是第一颗用于通信的试验卫星。用于通信的试验卫星。19641964年年, ,借助定点的同步通信卫星首次实借助定点的同步通信卫星首次实现了美、现了美、 欧、非三大洲的通信欧、非三大洲的通信和电视转播。和电视转播。19651965年年, ,第一颗商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。 19691969年年, ,大西洋、太平洋和大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定点同步通信印度洋上空均已有定点同步通信卫星卫星, ,卫星地球站已遍布世界各卫星地球站已遍布世

16、界各国，这些卫星地球站又和本国或国，这些卫星地球站又和本国或本地区的通信网接通。卫星通信本地区的通信网接通。卫星通信经历经历1010年的发展终趋于成熟年的发展终趋于成熟。卫星定位技术 （Navigation Satellite Timing Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System and Ranging/Global Positioning System GPSGPS） 19571957年卫星发射成功后，以卫星为基地对地球表年卫星发射成功后，以卫星为基地对地球表 面及近地空间目标的定位和导航成为可能。面

17、及近地空间目标的定位和导航成为可能。19581958 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19641964年研年研 究成功究成功子午仪子午仪卫星导航系统。卫星导航系统。 19731973年美国提出了由年美国提出了由2424颗卫颗卫 星组成的实用系统新方案，星组成的实用系统新方案， 即即GPSGPS计划，计划，19901990年最终的年最终的 GPSGPS方案是由方案是由2121颗工作卫星颗工作卫星 和和3 3颗在轨备用卫星组成。颗在轨备用卫星组成。微波加热及烘干微波加热及烘干4、电磁波的最新应用u电磁兼容性设计（电磁兼容性设计（EMCEMC）u高速数字电路设计高

18、速数字电路设计u射频无线电射频无线电u光机算机网络（光纤通信）光机算机网络（光纤通信）四、电磁频谱概述四、电磁频谱概述频率和波长的概念频率和波长的概念fc电磁波频段划分 普通无普通无线电波线电波微微波波 红外线红外线 可见光可见光 紫外线紫外线 射线射线 射线射线无线电波无线电波f = 3106310123.910147.510143101731019微微 波：波：频率高、波长微小的电磁波，频率高、波长微小的电磁波，在电子信息应用在电子信息应用领域中常用的波段。领域中常用的波段。 micro + wave microwave波波长长光光速速频频率率 f = 0电磁频谱电磁波种类无线电波红外线可

19、见光紫外线伦琴射线射线频率（Hz）1043101210123.910143.910147.510147.5101451016310163102031019以上真空中波长（m）310410-4310-47.710-77.710-7410-7410-7610-910-810-1210-11以下观察方法无线电技术利用热效应 激发荧光 利用贯穿本领照相底片感光（化学效应）核技术产生机产生机LC电路中电路中自由电子的自由电子的的振荡的振荡原子的外层电子受到激原子的外层电子受到激原子的原子的内层电内层电子受到子受到激发激发原子核受原子核受到激发到激发用途通讯广播导航加热烘干、遥测遥感，医疗，导向等照明照相

20、加热等日光灯，黑光灯手术室杀菌消毒，治疗皮肤病等检查探测，透视，治疗等探测，治疗等电磁波谱普通无线电波及微波频段划分普通无线电波及微波频段划分KMGTmnp3691236912（千）：10（兆）：10（吉）：10（太）：10（毫）：10（微）：10（纳）：10（皮）：10 微微 波波微波频段划分微波频段划分频段频率波长P波段0.231GHz13030cmL波段12GHz3015cmS波段24GHz157.5cmC波段48GHz7.53.75cmX波段812.5GHz3.752.4cmKu波段12.818GHz2.41.67cmK波段1826.5GHz1.671.13cmKa波段26.540GH

21、z1.130.75cm毫米波40300GHz7.51mm太赫兹波3003000GHz10.1mm中国无线电频段划分中国无线电频段划分五、电磁场理论的研究领域五、电磁场理论的研究领域电电 磁磁 场场： 电现象电现象 磁现象磁现象 电磁现象电磁现象 电场电场 磁场磁场 电磁场电磁场 electro - + magnetic electromagnetic 电电 磁磁 波（简称电波）：波（简称电波）： 随时间变化的电场、磁场互相激发，以波动的随时间变化的电场、磁场互相激发，以波动的形式向周围扩散，形成电磁波。按变化的快慢不同，形式向周围扩散，形成电磁波。按变化的快慢不同，电磁波可以分为不同的频率。电

22、磁波可以分为不同的频率。电磁场与微波技术理论发展电磁场与微波技术理论发展电磁场理论：电磁场理论：研究电磁场的本质、性质、分布的理论研究电磁场的本质、性质、分布的理论 场与物质的相互作用及信息的提取场与物质的相互作用及信息的提取数学语言物理概念数学语言物理概念微波技术：微波技术：有关微波的理论、方法和技术，以及应用微波的有关微波的理论、方法和技术，以及应用微波的 过程中所需的器件和设备。过程中所需的器件和设备。数学语言物理概念数学语言物理概念工程实践经验工程实践经验六、章节安排（六、章节安排（1）矢量分析矢量分析数学工具静电场静电场E（x,y,z,t0）恒定电场和电流恒定电场和电流J （x,y,

23、z,t0）恒定磁场恒定磁场H （x,y,z,t0）静态场边值问题静态场边值问题（考虑环境影响）电磁感应电磁感应（电场与磁场的相互作用）（画图说明）（画图说明）七、章节安排（七、章节安排（2）矢量分析矢量分析数学工具时变电磁场时变电磁场E（x,y,z,t）H （x,y,z,t）平面电磁波平面电磁波（在自由空间传播）导行电磁波导行电磁波（在传输线中传播）电磁波辐射电磁波辐射（天线）（传输线与自由空间电磁波的相互转换）（画图解释三章之关系）（画图解释三章之关系）电子信息系统组成示意检测检测信号信号处理处理天线天线接收接收产生产生信号信号天线天线发射发射传输传输反射波反射波传输传输直接直接传输传输目标

24、目标识别识别表现表现组成：组成： 电子信息的产生、获取、传输、检测、处理、识别、表现电子信息的产生、获取、传输、检测、处理、识别、表现8910109三大类应用问题三大类应用问题 电磁场（或电磁波）作为电磁场（或电磁波）作为能量能量的一种形式。的一种形式。 （主动拒止系统）（主动拒止系统） 电磁波作为电磁波作为信息传输信息传输的载体。的载体。 （通信系统）（通信系统） 电磁波作为电磁波作为探测未知世界探测未知世界的一种重要手段。的一种重要手段。 （雷达系统）（雷达系统）电磁波三大类应用问题电磁波三大类应用问题 电磁场（或波）为电磁场（或波）为能量能量一种形式，是当今世界一种形式，是当今世界 最重

25、要的能源，其研究领域涉及电磁能产生、最重要的能源，其研究领域涉及电磁能产生、 存储、变换、传输和应用存储、变换、传输和应用. . 电磁波作为电磁波作为信息的载体信息的载体，成为当今社会发布和获，成为当今社会发布和获 取信息的主要手段，研究内容包括信息的产生、取信息的主要手段，研究内容包括信息的产生、 获取、交换、传输、储存、处理、再现和应用获取、交换、传输、储存、处理、再现和应用. .电磁波三大类应用问题电磁波三大类应用问题 电磁波作为电磁波作为探测未知世界探测未知世界的一种重要手的一种重要手 段，主要研究领域为电磁波与目标的相段，主要研究领域为电磁波与目标的相 互作用特性、目标探测及其特征的获取互作用特性、目标探测及其特征的获取电磁波三大类应用问题电磁波三大类应用问题电磁波三大类应用问题电磁波三大类应用问题电磁波三大类应用问题电磁波三大类应用问题七、电磁场理论的研究对象七、电磁场理论的研究对象