电磁场课件-00

1、电电 子子 教教 案案课程名称：课程名称：电磁场电磁场使用教材：使用教材：杨儒贵杨儒贵 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 北京：高等教育出版社，北京：高等教育出版社，2007学学 分分: : 2 学学 时时: : 32简介简介教教 学学 目目 的的 通过课堂教学，介绍电磁场的基本特性及规律。通过课堂教学，介绍电磁场的基本特性及规律。 电磁场（或电磁波）电磁场（或电磁波）: : 一种一种能量形式能量形式，最重要的能源之一，最重要的能源之一 电磁波电磁波: : 传输传输信息载体信息载体，人类社会发展和获取信息、探测，人类社会发展和获取信息、探测 未知世界的重要手段未知世界的重要手段一、课程的性质一、课

2、程的性质 电类专业学生必修的电类专业学生必修的技术基础课技术基础课 是电气工程师的是电气工程师的必备知识必备知识 是电磁理论的是电磁理论的重要组成部分重要组成部分 电磁场和电路关系：电磁场是电磁场和电路关系：电磁场是客观存在客观存在，电路是，电路是简化并简化并理理 想化了想化了的电磁场。微观和宏观的区别。的电磁场。微观和宏观的区别。第一章第一章 矢量分析矢量分析前前 言言第二章第二章 静电场静电场第三章第三章 静电场的边值问题静电场的边值问题第四章第四章 恒定电流场恒定电流场第五章第五章 恒定磁场恒定磁场目录目录第八章第八章 平面电磁波平面电磁波* *第九章第九章 导行电磁波导行电磁波* *第

3、十章第十章 电磁辐射及原理电磁辐射及原理* *第六章第六章 电磁感应电磁感应第七章第七章 时变电磁场时变电磁场电场和磁场电场和磁场前前 言言 运动电荷或电流运动电荷或电流产生的场表现为对于磁铁和载流导产生的场表现为对于磁铁和载流导体有力的作用，这种物质称为体有力的作用，这种物质称为磁场磁场。不随时间变化的磁。不随时间变化的磁场称为场称为恒定磁场恒定磁场。 静止电荷静止电荷产生的场表现为对于带电体有力的作用，产生的场表现为对于带电体有力的作用，这种场称为这种场称为电场电场。不随时间变化的电场称为。不随时间变化的电场称为静电场静电场。 如果电荷及电流均随如果电荷及电流均随时间时间改变，它们产生的电

4、场及改变，它们产生的电场及磁场也是随时间变化的。时变的电场与时变的磁场可以磁场也是随时间变化的。时变的电场与时变的磁场可以相互转化，两者不可分割，它们构成统一的相互转化，两者不可分割，它们构成统一的时变电磁场时变电磁场。时变电场与时变磁场之间的相互转化作用，在空间传播时变电场与时变磁场之间的相互转化作用，在空间传播形成了形成了电磁波电磁波。电电 磁磁 波波 静电场静电场与与恒定磁场恒定磁场相互无关、彼此独立，可以分别相互无关、彼此独立，可以分别进行研究。因此，本书先讨论静电场和恒定磁场，然后进行研究。因此，本书先讨论静电场和恒定磁场，然后再介绍时变电磁场。再介绍时变电磁场。物物 质质 属属 性

5、性 电磁场与电磁波既然是一种物质，它的存在和传电磁场与电磁波既然是一种物质，它的存在和传播无需依赖于任何介质。播无需依赖于任何介质。 电磁场与电磁波是客观存在的一种物质，因为它电磁场与电磁波是客观存在的一种物质，因为它具有物质的两种重要属性具有物质的两种重要属性：能量能量和和质量质量。但是，电磁。但是，电磁场与电磁波的质量极其微小，因此，通常仅研究电磁场与电磁波的质量极其微小，因此，通常仅研究电磁场与电磁波的场与电磁波的能量特性能量特性。 对于电磁场与电磁波来说，真空环境通常被称为对于电磁场与电磁波来说，真空环境通常被称为“自由空间自由空间”。 当空间存在介质时，在电磁场的作用下介质中会当空间

6、存在介质时，在电磁场的作用下介质中会发生发生极化极化与与磁化磁化现象，结果在介质中又产生二次电场现象，结果在介质中又产生二次电场及磁场，从而改变了介质中原先的场分布，这就是场及磁场，从而改变了介质中原先的场分布，这就是场与介质的与介质的相互作用相互作用现象。现象。场场 与与 介介 质质 先介绍先介绍真空真空中的电磁场，然后再讨论中的电磁场，然后再讨论介质介质中的电中的电磁场。磁场。电荷电荷及及电流电流是产生电磁场是产生电磁场惟一惟一的源。的源。场场 与与 源源研究研究场场与与源源的关系是电磁理论的基本问题之一。的关系是电磁理论的基本问题之一。 引入引入磁荷磁荷及及磁流磁流的概念是十分有益的，但

7、是，的概念是十分有益的，但是，它们仅是它们仅是假想的假想的。时时 代代发发 明明 者者现现 象象公元前公元前600年年希腊人希腊人摩擦后琥珀吸引微物体摩擦后琥珀吸引微物体公元前公元前300年年中国人中国人磁石吸铁磁石吸铁1785年年法国库仑法国库仑(17361806)电荷之间的作用力电荷之间的作用力库仑定律库仑定律1820年年丹麦奥斯特丹麦奥斯特(17771851)电流产生磁场电流产生磁场1820年年法国安培法国安培(17751836)电流之间的作用力电流之间的作用力安培安培定律定律1831年年英国法拉第英国法拉第(17911867)时变磁场产生时变电场时变磁场产生时变电场电磁感应定律电磁感应

8、定律历历 史史 的的 回回 顾顾 1873年英国科学家年英国科学家麦克斯韦麦克斯韦（18311879）提出了）提出了位移电流的假设，认为时变电场可以产生时变磁场，并位移电流的假设，认为时变电场可以产生时变磁场，并建立了严格的数学方程建立了严格的数学方程麦克斯韦方程麦克斯韦方程。重重 大大 突突 破破 麦克斯韦预言电磁波的存在，后来在麦克斯韦预言电磁波的存在，后来在1887年被德国年被德国物理学家物理学家赫兹赫兹（18571894）的实验证实。）的实验证实。 俄国的俄国的波波夫波波夫及意大利的及意大利的马可尼马可尼于于19世纪末先后发世纪末先后发明了使用电磁波作为信息载体的传输技术。明了使用电磁

9、波作为信息载体的传输技术。电磁理论基础（三大实验定律）电磁理论基础（三大实验定律）库仑定律，库仑定律，安培定律，安培定律，法拉第定律。法拉第定律。Michael FaradayAndr-Marie Ampre (17751836)麦克斯韦的贡献：麦克斯韦的贡献：位移电流假设和理论总结位移电流假设和理论总结赫兹的贡献：赫兹的贡献：位移电流假设验证，电磁波位移电流假设验证，电磁波库仑定律库仑定律安培定律安培定律法拉第定律法拉第定律位移电流假设位移电流假设麦克斯韦麦克斯韦电磁场方程组电磁场方程组库仑定律库仑定律验验证证电磁学三大实验定律电磁学三大实验定律基本原理：基本原理：静电场的基本原理静电场的基

10、本原理恒定电场的基本原理恒定电场的基本原理恒定磁场的基本原理恒定磁场的基本原理时变电磁场的基本原理时变电磁场的基本原理分析计算方法：分析计算方法：镜像法、分离变量镜像法、分离变量有限元法有限元法数学工具：数学工具：矢量分析与场论矢量分析与场论专题讨论：专题讨论：电磁场的能量电磁场的能量电磁波电磁波电路参数计算电路参数计算电磁场的工程电磁场的工程应用应用实验：实验：仿真实验仿真实验实物实验实物实验学习内容：学习内容：应用背景：应用背景：电力系统电力系统通信系统通信系统民用民用军工军工电磁兼容电磁兼容生物电磁学生物电磁学电气工程电气工程信息工程信息工程电磁场与波的应用电磁场与波的应用 当今的当今的

11、无线通信无线通信、广播广播、雷达雷达、遥控遥测遥控遥测、微波遥微波遥感感、无线广域网无线广域网、无线局域网无线局域网、卫星定位卫星定位以及以及光纤通信光纤通信等信息技术都是利用电磁波作为载体传输信息的。等信息技术都是利用电磁波作为载体传输信息的。 静电复印静电复印、静电除尘静电除尘以及以及静电喷漆静电喷漆等技术都是基于等技术都是基于静电场对于带电粒子具有力的作用。静电场对于带电粒子具有力的作用。 电磁铁电磁铁、磁悬浮轴承磁悬浮轴承以及以及磁悬浮列车磁悬浮列车等，都是利等，都是利用磁场力的作用。用磁场力的作用。世界首辆载人高温超导磁悬浮试验车西南交通大学应用超导研究所研制Stable!Stabl

12、e!磁磁 场场 力力 的的 应应 用用B2 隐形轰炸机隐形轰炸机 i rir反反 射射 定定 律律 的的 应应 用用 全全 球球 定定 位位 系系 统统 Global Positioning System(GPS)信信 息息 载载 体体 的的 应应 用用 电电 动动 汽汽 车车 无无 线线 电电 能能 充充 电电电电 子子 产产 品品 无无 线线 电电 能能 充充 电电 新技术的广泛应用促进了电磁理论的发展。由此创新技术的广泛应用促进了电磁理论的发展。由此创建了很多分析电磁场与建了很多分析电磁场与电磁电磁波的波的新方法新方法，研制了很多电，研制了很多电磁性能优越的磁性能优越的新材料新材料。相互

13、促进，共同发展相互促进，共同发展 随着大容量的高性能及高速度计算机的出现，不但解随着大容量的高性能及高速度计算机的出现，不但解决了很多电磁理论的计算问题，同时也萌生了计算电磁场决了很多电磁理论的计算问题，同时也萌生了计算电磁场与与电磁电磁波的新方法，从而形成波的新方法，从而形成计算电磁学计算电磁学的新学科。的新学科。各各 章章 重重 点点 1. 矢量分析矢量分析：梯度，散度，旋度，亥姆霍兹定理。：梯度，散度，旋度，亥姆霍兹定理。 2. 静电场静电场：电场强度，场方程，边界条件，能量与力。：电场强度，场方程，边界条件，能量与力。 3. 静电场边值问题静电场边值问题：电位微分方程，镜像法，分离变量

14、法。：电位微分方程，镜像法，分离变量法。 4. 恒定电流场恒定电流场：电流，电流连续性原理，能量损耗。：电流，电流连续性原理，能量损耗。 5. 恒定磁场恒定磁场：磁通密度，场方程，边界条件。：磁通密度，场方程，边界条件。6. 电磁感应电磁感应: : 电磁感应定律，自感与互感，能量与力。电磁感应定律，自感与互感，能量与力。 7. 时变电磁场时变电磁场: : 位移电流，麦克斯韦方程，边界条件，位移电流，麦克斯韦方程，边界条件，位函数，能流密度矢量，正弦电磁场，复能流密度矢量。位函数，能流密度矢量，正弦电磁场，复能流密度矢量。 8. 平面电磁波平面电磁波：理想介质中的平面波，极化特性，平：理想介质中

15、的平面波，极化特性，平面边界上的正投射，任意方向传播的平面波的表示，平面边面边界上的正投射，任意方向传播的平面波的表示，平面边界上的斜投射。界上的斜投射。 9. 导行电磁波导行电磁波：矩形波导中的电磁波，矩形波导：矩形波导中的电磁波，矩形波导中的中的TE10波，圆波导中的电磁波，同轴线，谐振腔。波，圆波导中的电磁波，同轴线，谐振腔。 10. 电磁辐射电磁辐射：电流元辐射，天线方向性，线天：电流元辐射，天线方向性，线天线，天线阵，对偶原理，镜像原理，互易原理，惠更线，天线阵，对偶原理，镜像原理，互易原理，惠更斯原理，面天线辐射。斯原理，面天线辐射。参参 考考 书书 目目 一、基本参考书一、基本参考书 1 杨儒贵杨儒贵. 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 M. 2 版版. 北京北京: 高等教高等教育出版社育出版社, 2007. 2 谢处方