电磁场与电磁波

1、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编写编写高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社 出版出版1一、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编写编写高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社 出版出版2 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

2、波）作为能量的一种形式，是当今世界最重要的能源之一重要的能源之一 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、探测未知世界的重要手段一、课程的性质一、课程的性质 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 是电气工程师的必备知识是电气工程师的必备知识 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编写编写高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社 出版出版31电磁场理论的早期研究电磁场理论的

3、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，其中贡献最大的有家们关心和研究的物理现象，其中贡献最大的有赖顿、富兰克赖顿、富兰克林、伏打林、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

4、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编写编写高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社 出版出版42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。 奥斯特奥斯特是是谢林谢林的信徒，他从的信徒，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

5、。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。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编写编写高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社 出版出版5 法拉第法拉第 在在谢林谢林的影响下，相信电、磁、光、热是相互联的影响下，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

6、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。这表明，电与磁之间存在导体线圈时，线圈中就会产生电流。这表明，电与磁之间存在着密切的联系。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

7、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述电磁现象的基本规律，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。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编写编写高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社 出版出版63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

8、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30年来，年来，无无线电电子学、计算机和网络技术线电电子学、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。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编写编写高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育电子音像出版社

9、高等教育电子音像出版社 出版出版7 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接收，证实了用另一个带隙的环状天线接收，证实了麦克斯韦麦克斯韦关于电磁波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。三、电磁场理论的应用三、电磁场理论的应用 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编写编写高等教育出

10、版社高等教育出版社 & 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社 出版出版8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距离的无线距离的无线电报传送实验；电报传送实验；1896年，年，波波夫波波夫进行了约进行了约250m米距离的类米距离的类似试验；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，跨越大西洋的年，跨越大西洋的3200km距离的试验成功。距离的试验成功。马可尼马可尼以以其在无线电报等领域的成就，获得了其在无线电报等领域的成就，获得了1909年的诺贝尔物理学年的诺贝

11、尔物理学奖。无线电报的发明，开始了利用电磁波时期。奖。无线电报的发明，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。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编写编写高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社 出版出版9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，

12、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，

13、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编写编写高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社 出版出版10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，年，英国的英国的瓦特瓦特设计的警戒雷达最先投入了

14、运行，有效地警戒了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。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，使微波年，多腔磁控管的发明，使微波雷达的研制成为可能。雷达的研制成为可能。1944年，能够自动跟踪飞机的雷达研年，能够自动跟踪飞机的雷达研制成功。制成功。1945年，能消除背景干扰、显示运动目标的显示技年，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，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

15、活跃的部分。雷达成了电磁场理论最活跃的部分。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编写编写高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社 出版出版11卫星通信技术卫星通信技术: 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。

16、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。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编写编写高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社 出版出版12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

17、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。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编写编写高等教育出版社高等教育出版社 &

18、高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社 出版出版13其他应用其他应用： 阴极射线示波器，喷墨打印机，矿物的分选，磁阴极射线示波器，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，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高速公路等等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编写编写高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社 出版出版14矢量分析矢量分析电磁场的基本规律电磁场的基本规律静态电

19、磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解时变电磁场时变电磁场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均匀平面波的反射和透射均匀平面波的反射和透射导行电磁波导行电磁波电磁辐射电磁辐射 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编写编写高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社 出版出版15五、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

20、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编写编写高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社 出版出版16六、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 Chi Shen, Jin Au Kong . Applied Electromagnet