杨琦电磁场-绪论

1、2022-1-12厦门大学通信工程系1电磁场与电磁波任课教师任课教师： 杨杨 琦琦 电电 话话：QQ ： 5999506 邮邮 箱箱 ： 2022-1-12厦门大学通信工程系2电磁场与电磁波电磁场与电磁波绪论绪论o 一、课程的性质一、课程的性质o 二、电磁场理论的发展与应用二、电磁场理论的发展与应用o 三、电磁场理论在专业学习中的地位和作用三、电磁场理论在专业学习中的地位和作用o 四、课程内容及安排四、课程内容及安排o 五、学习的目的、方法及其要求五、学习的目的、方法及其要求o 六、主要参考书六、主要参考书o 七、场的基本概念七、场的基本概念o 八、电磁理论与电路的关

2、系八、电磁理论与电路的关系2022-1-12厦门大学通信工程系3一、课程的性质一、课程的性质o 电磁场与电磁波电磁场与电磁波是电磁学电磁学的后续课程，在电磁学课程中介绍了电场、磁场、电磁感应现象，最后总结了电磁场的基本规律，得到麦克斯韦方程组。o 在电磁场理论课程中，将利用麦克斯韦方程麦克斯韦方程组组更深入地研究电磁现象的基本规律、基本电磁现象的基本规律、基本概念和基本的分析、计算方法，解决工程应概念和基本的分析、计算方法，解决工程应用中用中电磁场和电磁波电磁场和电磁波的实际问题的实际问题。2022-1-12厦门大学通信工程系4一、课程的性质一、课程的性质 作为无线电技术的理论基础，集中于三大

3、类应用问作为无线电技术的理论基础，集中于三大类应用问题的研究：题的研究：o 电磁场（或电磁波）作为能量的一种形式电磁场（或电磁波）作为能量的一种形式，是当今世界，是当今世界最重要的能源最重要的能源，其研究领域涉及电磁能量的产生、储存、，其研究领域涉及电磁能量的产生、储存、变换、传输和综合利用变换、传输和综合利用o 电磁波作为信息传输的载体电磁波作为信息传输的载体，成为当今人类社会发布和，成为当今人类社会发布和获取信息获取信息的主要手段，主要研究领域为信息的产生、获的主要手段，主要研究领域为信息的产生、获取、交换、传输、储存、处理、再现和综合利用。取、交换、传输、储存、处理、再现和综合利用。o

4、电磁波作为探测未知世界的一种重要手段电磁波作为探测未知世界的一种重要手段，主要研究领主要研究领域为电磁波与目标的相互作用特性、目标特征的获取与域为电磁波与目标的相互作用特性、目标特征的获取与重建、探测新技术等。重建、探测新技术等。 2022-1-12厦门大学通信工程系5一、课程的性质一、课程的性质o 是电类专业学生必修的技术基础课o 是电气、电子、通信工程师必备知识o 是电磁理论的重要组成部分2022-1-12厦门大学通信工程系6二、电磁场理论的发展与应用二、电磁场理论的发展与应用o 1电磁场理论的早期研究电磁场理论的早期研究 o 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

5、究的物理现象，其中贡献最大的有来顿、富兰克林、伏打等科学家。o 19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1799年发明了电池），为电磁学理论的建立奠定了基础。2022-1-12厦门大学通信工程系7二、电磁场理论的发展与应用二、电磁场理论的发展与应用o 最早的记载：公元前 600年左右o 1745年，荷兰莱顿大学教授马森布罗克制成了莱顿瓶，可以将电荷储存起来，供电学实验使用，为电学研究打下了基础。o 1752年7月，美国著名的科学家、文学家、政治家富兰克林的风筝试验，证实了闪电式放电现象，从此拉开了人们研究电学的序幕。 2022-1-

6、12厦门大学通信工程系8二、电磁场理论的发展与应用二、电磁场理论的发展与应用o 1753年，俄国著名的电学家利赫曼在验证富兰克林的实验时，被雷电击中，为科学探索献出了宝贵的生命。o 1638年，在我国的某些建筑学的书籍中就有关于避雷的记载：屋顶的四角都被雕饰成龙头的形状，仰头、张口，在它们的舌头上有一根金属芯子，其末端伸到地下，如有雷电击中房顶，会顺着龙舌引入地下，不会对房屋造成危险。o 17711773年间，英国科学家卡文迪什进行了大量的静电试验，证明在静电情况下，导体上的电荷只分布在导体表面上。2022-1-12厦门大学通信工程系9二、电磁场理论的发展与应用二、电磁场理论的发展与应用o 1

7、785年，法国科学家年，法国科学家库仑库仑通过实验和采用类通过实验和采用类比方法归纳、导出了两比方法归纳、导出了两个静止点电荷间的相互个静止点电荷间的相互作用规律，提出了第一作用规律，提出了第一个电学定律：个电学定律：库仑定律库仑定律。o 是静电学理论建立的实是静电学理论建立的实验基础。使电学研究走验基础。使电学研究走上了理论研究的道路。上了理论研究的道路。2022-1-12厦门大学通信工程系10二、电磁场理论的发展与应用二、电磁场理论的发展与应用o 2电磁场理论的建立电磁场理论的建立o 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，是宇宙的灵魂；电、

8、磁、光、热是相互联系的。o 丹麦的科学家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，他在课堂上的一次试验中，发现了电的磁效应，从此将电和磁联系在一起 。 2022-1-12厦门大学通信工程系11二、电磁场理论的发展与应用二、电磁场理论的发展与应用o 1822年，法国科学家安培发现作用力的方向、电发现作用力的方向、电流的方向、磁针到通电导流的方向、磁针到通电导线的垂直方向是相互垂直线的垂直方向是相互垂直的，并定量建立了若干数的，并定量建立了若干数学公式。学公式。提出了安培环路定律，将奥斯特的发现上升为理论。2022-1-12厦门大学通信工程系12二、电磁场理论的发展与应

9、用二、电磁场理论的发展与应用o 1825年，德国科学家欧姆得出了第一个电路定律：欧姆定律。2022-1-12厦门大学通信工程系13二、电磁场理论的发展与应用二、电磁场理论的发展与应用 英国实验物理学法拉第法拉第 在谢林在谢林的影响下，相信电、磁、光、热是的影响下，相信电、磁、光、热是相互联系的。奥斯特相互联系的。奥斯特1820年发现电年发现电流以力作用于磁针后，法拉第敏锐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，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。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

10、捧插入导年他发现，当磁捧插入导体线圈时；线圈中就产生电流。这体线圈时；线圈中就产生电流。这表明，电与磁之间存在着密切的联表明，电与磁之间存在着密切的联系。系。法拉第发现法拉第发现电磁感应定律。电磁感应定律。2022-1-12厦门大学通信工程系14二、电磁场理论的发展与应用二、电磁场理论的发展与应用o 1840年，英国科学家焦耳提出了焦耳定律，揭示了电磁现象的能量特性。o 1848年 ，德国科学家基尔霍夫提出了基尔霍夫电路理论，使电路理论趋于完善。o 奥斯特的电生磁和法拉第的磁生电奠定了电磁学的基础。2022-1-12厦门大学通信工程系15二、电磁场理论的发展与应用二、电磁场理论的发展与应用o电

11、磁学理论的完成者英国的物理学家麦克斯韦（18311879）深入深入研究并探讨了电与磁之间发生作用的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验的基础上，总结了宏观电磁现象的规律，引进规律，引进位移电流位移电流的概念。这个概的概念。这个概念的核心思想是：念的核心思想是：变化着的电场能产变化着的电场能产生磁场生磁场；与；与变化着的磁场产生电场变化着的磁场产生电场相相对应。对应。o在此基础上提出了一套偏微分方程来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，称为麦克表达电磁现象的基本规律，称为麦克斯韦方程

12、组，是经典电磁学的基本方斯韦方程组，是经典电磁学的基本方程。程。麦克斯韦从理论上预言了电磁波的存在。o麦克斯韦方程组用最完美的数学形式表达了宏观电磁学的全部内容 。2022-1-12厦门大学通信工程系16二、电磁场理论的发展与应用二、电磁场理论的发展与应用o 1866年，德国的西门子发明了使用电磁铁的发电机，为电力工业开辟了道路。o 1876年，美国贝尔发明了电话，实现了电声通信。o 1879年，美国发明家爱迪生发明了电灯，使电进入了人们的日常生活。2022-1-12厦门大学通信工程系17二、电磁场理论的发展与应用二、电磁场理论的发展与应用o 3电磁场理论的发展电磁场理论的发展o 在麦克斯韦方

13、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,随着科学技术的发展，电磁理论得到了广泛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，无线电电的应用和发展，尤其近三十年来，无线电电子学、计算机和网络技术的飞速发展，生物子学、计算机和网络技术的飞速发展，生物电磁学、环境电磁学和电磁兼容等学科的建电磁学、环境电磁学和电磁兼容等学科的建立，向电磁理论提出了许多新的研究课题，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。使现代电磁理论得到了迅速的发展。2022-1-12厦门大学通信工程系18二、电磁场理论的发展与应用二、电磁场理论的发展与应用 1887

14、年，德国科学家赫兹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学科之一。2022-1-12厦门大学通信工程系19二、电磁场理论的发展与应用二、电磁场理论的发展与应用o 有线电话有线电话: 1876年，A.G. Bel在美国建国100周年博览会上展示了他所发明的有线电话。 此后，有线电话便迅速普及开来。o 无线电报无线电报: 1895年，意大利马可尼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

15、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。马可尼以其在无线电报等领域的成就，获得了1909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。2022-1-12厦门大学通信工程系20二、电磁场理论的发展与应用二、电磁场理论的发展与应用o 广播广播: 1906年，美国费森登用50千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波士顿播出的音乐。1919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座无线电广播电台。o电视电视: 1884年，德国尼普科夫提

16、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中的船上。兹沃霄金在1923和1924 年相继发明了摄像管和显像管。1931年，他组装成世界上第一个全电子电视系统。2022-1-12厦门大学通信工程系21二、电磁场理论的发展与应用二、电磁场理论的发展与应用o雷达雷达: 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。1936年，英国的瓦特设计的警戒雷达最先投入了运行。有效地警戒了来自德国的轰炸机。1938年，美国研制成第一部能指挥火炮射击的火炮控制雷达。1940年，多腔磁控管的发明，微波雷达的研制成为可能。1944

17、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的部分。2022-1-12厦门大学通信工程系22二、电磁场理论的发展与应用二、电磁场理论的发展与应用o 卫星通信技术卫星通信技术: 1958年, 美国发射低轨的“斯科尔”卫星成功，这是第一颗用于通信的试验卫星。1964年，借助定点同步通信卫星首次实现了美、 欧、非三大洲的通信和电视转播。1965年，第一颗商用定点同步卫星投入运行。2022-1-12厦门大学通信工程系23二、电磁场理论的发展与应用二、电磁场理论的发展与应用o 卫星定位技术卫

18、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1964年研究成功子午仪卫星导航系统。1973年美国提出了由24颗卫星组成的实用系统新方案，即GPS计划。1990年最终的GPS方案是由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。2022-1-12厦门大学通信工程系24二、电磁场理论的发展与应用二、电磁场理论的发展与应用o 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，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，电磁式生物芯片，隐形飞机，电磁高速公路

19、等等2022-1-12厦门大学通信工程系25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 广播、电视，还是导航、遥控遥测，都是通过电磁波传递信息来进行工作的。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发挥其重要作用。下面以无线电通信系统为例来说明。三、电磁场理论在专业学习中的地位和作用三、电磁场理论在专业学习中的地位和作用2022-1-12厦门大学通信工程系26三、电磁场理论在专业学习中的地位和作用三、电磁场理论在专业学习中的地位和作用o 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

20、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，经历了电磁波的传输、发射、传播、接收等过程。o 传输导行电磁波o 发射和接收天线o 传播入射、反射、透射、绕射2022-1-12厦门大学通信工程系27三、电磁场理论在专业学习中的地位和作用三、电磁场理论在专业学习中的地位和作用传输传输导导行行电电磁磁波波发射天线发射天线接收天线接收天线传播传播入射、反射、透射、绕射入射、反射、透射、绕射传输传输导导行行电电磁磁波波2022-1-12厦门大学通信工程系28三、电磁场理论在专业学习中的地位和作用三、电磁场理论在专业学习中

21、的地位和作用o 要掌握天线发射和接收电磁波的机理和性能，必须掌握电磁场与电磁波的基本理论和技术。o 要掌握电磁波传输的机理和性能，了解构成导波系统的元件和器件的性能，就必须掌握电磁场与电磁波的基本理论和技术。o 要掌握电磁波传播的机理和性能，了解电磁波在水下或地下如何传播，了解在地面站和卫星之间如何传播，就必须掌握电磁场与电磁波的基本理论和技术。2022-1-12厦门大学通信工程系29 总之，一切无线电工程系统，如前面提到的移动通信、卫星通信、雷达、电视、微波遥感都包含许许多多电磁场与电磁波的基础理论问题，而且不断地对以电磁场与电磁波为基础理论的无线电技术、微波技术提出新的课题。因而电磁场与电

22、磁波基础理论将始终发挥着重要作用，且不断扩充其应用领域。三、电磁场理论在专业学习中的地位和作用三、电磁场理论在专业学习中的地位和作用2022-1-12厦门大学通信工程系30三、电磁场理论在专业学习中的地位和作用三、电磁场理论在专业学习中的地位和作用o 先修课程先修课程：高等数学、电磁学（普通物理）、数学物理方程、矢量分析与场论 等o 后续课程后续课程：微波技术、天线原理、电波传播、光纤通信、电磁兼容 等2022-1-12厦门大学通信工程系31四、课程内容及安排四、课程内容及安排o 本课程基于物理电子学，以三大实验定律三大实验定律（库仑定律库仑定律、安培定律安培定律、法拉第电磁感应定法拉第电磁感

23、应定律律）和两个基本假说两个基本假说（有旋电场的假说有旋电场的假说、位位移电流的假说移电流的假说）为基础，归纳总结出宏观电磁现象的基本规律麦克斯韦方程组，然后再讨论静态场静态场、时变电磁场时变电磁场以及电磁波传播电磁波传播与辐射与辐射的特性。2022-1-12厦门大学通信工程系32四、课程内容及安排四、课程内容及安排根据教材，本课程分八章o 第1章 矢量分析矢量分析o 第2章 电磁场的基本规律电磁场的基本规律o 第3章 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o 第4章 时变电磁场时变电磁场o 第5章 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o 第6章 均匀平面波的

24、反射和透射均匀平面波的反射和透射o 第7章 导行电磁波导行电磁波o 第8章 电磁辐射电磁辐射2022-1-12厦门大学通信工程系33五、学习的目的、方法及其要求五、学习的目的、方法及其要求o 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o 掌握宏观电磁波的传播规律掌握宏观电磁波的传播规律o 了解电磁波的辐射原理了解电磁波的辐射原理o 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o 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o 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o 不得迟到，认真听讲，做好笔记，课后复习不得迟

25、到，认真听讲，做好笔记，课后复习o 独立完成作业独立完成作业2022-1-12厦门大学通信工程系34六、主要参考书六、主要参考书o1.贾起民，郑永令，陈暨耀贾起民，郑永令，陈暨耀. 电磁学电磁学，高等教育出版社，高等教育出版社o2.谢树艺，工程数学矢量分析与场论（第二版），高等教谢树艺，工程数学矢量分析与场论（第二版），高等教育出版社育出版社o3.工程数学数学物理方程，高等教育出版社工程数学数学物理方程，高等教育出版社o4. 谢处方，电磁场与电磁波（第三版），高等教育出版社，谢处方，电磁场与电磁波（第三版），高等教育出版社，1999o5杨显清，王园，赵家升杨显清，王园，赵家升. 电磁场与电磁波（第四版）教学电磁场与电磁波（第四版）教学指导书，高等教育出版指导书