电磁场与电磁波序言——法林

1、第第0 0章章 电磁学漫谈电磁学漫谈电磁场与电磁波电磁场与电磁波电磁学漫谈一、电磁场与电磁波理论发展简史一、电磁场与电磁波理论发展简史三、该课程的内容三、该课程的内容二、电磁场与电磁波的典型应用二、电磁场与电磁波的典型应用第第0 0章章 电磁学漫谈电磁学漫谈电磁场与电磁波电磁场与电磁波 电磁场与电磁波理论是近代自然科学中，理论相对最完整、应用最广泛的支柱学科之一。电磁场与电磁波技术已遍及人类的科学技术、政治、经济、军事、文化以及日常生活的各个领域。 电磁场是物质世界的重要组成部分。在生产实践和科学技术领域存在大量与电磁场有关的问题。例如电力系统、电磁探矿、粒子加速器等。在迅变情况下，电磁场以电

2、磁波的形式存在，其应用更为广泛，如无线电波、微波、热辐射、光波、X射线等。 19世纪是电磁研究蓬勃开展的时代，法拉第、欧姆、傅立叶、基尔霍夫、奥斯特、安培、毕奥、萨伐尔、麦克斯韦、斯托克斯、汤姆森、赫兹、楞次、雅可比、西门，单单从这些名字和科学家的阵容，你就可以感受到这一时期的电磁科学取得了多么辉煌的成就。 一、电磁场与电磁波理论发展简史一、电磁场与电磁波理论发展简史第第0 0章章 电磁学漫谈电磁学漫谈电磁场与电磁波电磁场与电磁波宇宇宙宙射射线线 射射线线 X X射射线线 紫紫外外线线 可可见见光光红红外外线线微波微波毫毫米米波波厘厘米米波波分分米米波波超超短短波波短短波波中中波波长长波波无无

3、 线线 电电 波波12101010410210210410610)c( m22103 16103 14103 12103 4103 )Hz(第第0 0章章 电磁学漫谈电磁学漫谈电磁场与电磁波电磁场与电磁波最早的天线最早的发射天线是最早的发射天线是赫兹赫兹在在18871887年为了验证麦克斯韦根据理论推导所作关于存在年为了验证麦克斯韦根据理论推导所作关于存在电磁波的预言而设计的。它是两个约为电磁波的预言而设计的。它是两个约为3030厘米长、位于一直线上的金属杆，其厘米长、位于一直线上的金属杆，其远离的两端分别与两个约远离的两端分别与两个约4040厘米厘米2 2的正方形金属板相连接，靠近的两端分别

4、连接的正方形金属板相连接，靠近的两端分别连接两个金属球并接到一个感应线圈的两端，利用金属球之间的火花放电来产生振两个金属球并接到一个感应线圈的两端，利用金属球之间的火花放电来产生振荡。当时，赫兹用的接收天线是单圈金属方形环状天线，根据方环端点之间空荡。当时，赫兹用的接收天线是单圈金属方形环状天线，根据方环端点之间空隙出现火花来指示收到了信号。隙出现火花来指示收到了信号。 第第0 0章章 电磁学漫谈电磁学漫谈电磁场与电磁波电磁场与电磁波 1785年，法国科学家库仑在实验规律的基础上，提出了第一个电学定律：库仑定律。使电学研究走上了理论研究的道路。 1820年，由丹麦的科学家奥斯特在课堂上的一次试

5、验中，发现了电的磁效应，从此将电和磁联系在一起 。 1822年，法国科学家安培提出了安培环路定律，将奥斯特的发现上升为理论。 1825年，德国科学家欧姆得出了第一个电路定律：欧姆定律。 1831年，英国实验物理学家法拉第发现了电磁感应定律 。并设计了世界上第一台感应发电机。第第0 0章章 电磁学漫谈电磁学漫谈电磁场与电磁波电磁场与电磁波 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。 电磁学理论的完成者英国的物理学家麦克斯韦（18311879）。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 。麦克斯韦从理论上预言了电磁波的存在。第第0 0章章 电磁学漫谈电磁

6、学漫谈电磁场与电磁波电磁场与电磁波 静电场：利用静电场对带电粒子具有力的作用。静电场：利用静电场对带电粒子具有力的作用。如：如：静电复印、静电除尘以及静电喷漆静电复印、静电除尘以及静电喷漆 静磁场：利用磁场力的作用。静磁场：利用磁场力的作用。如：电磁铁、磁悬浮如：电磁铁、磁悬浮轴承以及磁悬浮列车等轴承以及磁悬浮列车等 时变电磁场：利用电磁波作为媒介传输信息。时变电磁场：利用电磁波作为媒介传输信息。如：如：无线通信、广播、雷达、遥控遥测、微波遥感、无无线通信、广播、雷达、遥控遥测、微波遥感、无线因特网、无线局域网、卫星定位以及光纤通信等线因特网、无线局域网、卫星定位以及光纤通信等信息技术信息技术

7、二、电磁场与电磁波应用的三个主要方面二、电磁场与电磁波应用的三个主要方面第第0 0章章 电磁学漫谈电磁学漫谈电磁场与电磁波电磁场与电磁波应用的各个领域应用的各个领域电磁理论电子对抗电子对抗无线通信无线通信广播、电视广播、电视雷达、导航、遥雷达、导航、遥感感工业无损探伤工业无损探伤射电天文射电天文强电（变压器、电机）强电（变压器、电机）等等电磁兼容等电磁兼容等电磁医疗仪器、电磁医电磁医疗仪器、电磁医疗疗探地雷达探地雷达磁悬浮技术磁悬浮技术微波烘干、杀微波烘干、杀菌菌第第0 0章章 电磁学漫谈电磁学漫谈电磁场与电磁波电磁场与电磁波静态场应用静态场应用时变场应用时变场应用阴极射线示波器阴极射线示波器

8、喷墨打印机喷墨打印机磁分离器磁分离器磁悬浮列车磁悬浮列车矿物的分选矿物的分选.变压器变压器蓝牙技术蓝牙技术卫星通信卫星通信微波炉微波炉/电磁炉电磁炉隐形飞机隐形飞机.应用实例应用实例第第0 0章章 电磁学漫谈电磁学漫谈电磁场与电磁波电磁场与电磁波所有带电粒子偏转都是通过两平行板间的电位差实现所有带电粒子偏转都是通过两平行板间的电位差实现原理应用：原理应用：阴极射线示波器阴极射线示波器回旋加速器回旋加速器喷墨打印机喷墨打印机速度选择器等速度选择器等原理：通过控制带电粒子（电子或是质子）的轨迹。原理：通过控制带电粒子（电子或是质子）的轨迹。第第0 0章章 电磁学漫谈电磁学漫谈电磁场与电磁波电磁场与

9、电磁波阴极射线示波器阴极射线示波器第第0 0章章 电磁学漫谈电磁学漫谈电磁场与电磁波电磁场与电磁波喷喷墨墨打打印印机机第第0 0章章 电磁学漫谈电磁学漫谈电磁场与电磁波电磁场与电磁波选矿器硫酸盐矿石英含石英硫酸盐矿第第0 0章章 电磁学漫谈电磁学漫谈电磁场与电磁波电磁场与电磁波磁分离器第第0 0章章 电磁学漫谈电磁学漫谈电磁场与电磁波电磁场与电磁波磁录音原理：第第0 0章章 电磁学漫谈电磁学漫谈电磁场与电磁波电磁场与电磁波磁悬浮列车第第0 0章章 电磁学漫谈电磁学漫谈电磁场与电磁波电磁场与电磁波时变场时变场电磁波的应电磁波的应用用在发现电磁波不到在发现电磁波不到6 6年，利用年，利用电磁波的技

10、术，如雨后春笋电磁波的技术，如雨后春笋般相继问世。般相继问世。无线电报（无线电报（18941894年）年）无线电广播（无线电广播（19061906年）年）无线电导航（无线电导航（19111911年）年）无线电话（无线电话（19161916年）年）第第0 0章章 电磁学漫谈电磁学漫谈电磁场与电磁波电磁场与电磁波 短波通信（短波通信（19211921年）年） 无线电传真（无线电传真（19231923年）年） 电视（电视（19291929年）年） 微波通信（微波通信（19331933年）年） 雷达（雷达（19351935年）年） 遥控、遥感、卫星通信、遥控、遥感、卫星通信、射电天文学射电天文学它们使

11、整它们使整个世界面貌发生了深刻的个世界面貌发生了深刻的变化。变化。第第0 0章章 电磁学漫谈电磁学漫谈电磁场与电磁波电磁场与电磁波 卫星通信卫星通信 基本原理：基本原理：卫星通信就是地球上（包括地球、水面和卫星通信就是地球上（包括地球、水面和低层大气中）的无线电通信站之间利用人造卫星做中低层大气中）的无线电通信站之间利用人造卫星做中继站而进行的通信。继站而进行的通信。 通信地球站：通信地球站：可以是地面站、车载站、机载站可以是地面站、车载站、机载站 地球站的天线地球站的天线要始终对准卫星才能利用卫星进行通信，要始终对准卫星才能利用卫星进行通信，所以我们通常使用静止卫星，也即同步卫星。所以我们通

12、常使用静止卫星，也即同步卫星。 同步卫星：同步卫星：卫星处在距地面卫星处在距地面35600公里左右时，周期公里左右时，周期T=24小时，时间与地球自转时间一致。小时，时间与地球自转时间一致。卫星通信卫星通信是二战之后发展起来的一是二战之后发展起来的一种先进的无线通信技术。种先进的无线通信技术。第第0 0章章 电磁学漫谈电磁学漫谈电磁场与电磁波电磁场与电磁波我国卫星发展状况我国卫星发展状况 1、1970年年4月月24日成功发射日成功发射“东方红一号东方红一号”第一第一颗卫星。颗卫星。 2、1984年年4月月 成功发射第一颗同步卫星成功发射第一颗同步卫星“东方红东方红二号二号”。 3、1990年年

13、4月月27日成功发射日成功发射“亚州一号亚州一号”通信卫通信卫星。星。第第0 0章章 电磁学漫谈电磁学漫谈电磁场与电磁波电磁场与电磁波电磁炉电磁炉加热原理：加热原理：采用磁场感应电流采用磁场感应电流( (涡流涡流) )加热，利用电流通加热，利用电流通过线圈产生磁场，当磁场内的磁力线通过金属器皿的过线圈产生磁场，当磁场内的磁力线通过金属器皿的底部时即会产生无数小涡流，使器皿本身自行高速发底部时即会产生无数小涡流，使器皿本身自行高速发热，然后再加热于器皿内的食物。热，然后再加热于器皿内的食物。特点：特点： 锅具自行发热，并煮食锅内食物。锅具自行发热，并煮食锅内食物。 炉面不发热，当磁场内的磁力线通

14、过非金属物休，不炉面不发热，当磁场内的磁力线通过非金属物休，不会产生涡流，故不会产生热力。炉面和人都是非金属会产生涡流，故不会产生热力。炉面和人都是非金属物体，本身不会发热，因此没有被电磁炉烧伤的危险，物体，本身不会发热，因此没有被电磁炉烧伤的危险，安全可靠。安全可靠。 电磁炉的热效率极高，煮食时安全、洁净、无火、无电磁炉的热效率极高，煮食时安全、洁净、无火、无烟、无废气、不怕风吹、不会爆炸或引致气体中毒。烟、无废气、不怕风吹、不会爆炸或引致气体中毒。第第0 0章章 电磁学漫谈电磁学漫谈电磁场与电磁波电磁场与电磁波微波炉微波炉 内加热：内加热：微波炉中极性分子接受微波辐射的能量微波炉中极性分子

15、接受微波辐射的能量后，通过分子偶极的每秒数十亿次的高速旋转产后，通过分子偶极的每秒数十亿次的高速旋转产生热效应，这种加热方式称为内加热生热效应，这种加热方式称为内加热 外加热：外加热：把普通热传导和热对流的加热过程称为把普通热传导和热对流的加热过程称为外加热。外加热。 内加热特点：内加热特点：加热速度快、受热体系温度均匀等加热速度快、受热体系温度均匀等特点。特点。第第0 0章章 电磁学漫谈电磁学漫谈电磁场与电磁波电磁场与电磁波隐形飞机隐形飞机 雷达工作原理：雷达工作原理：雷达发出高频电磁波射到物体上。雷达发出高频电磁波射到物体上。物体把这个电磁波向各个方向反射，当然也有一部物体把这个电磁波向各

16、个方向反射，当然也有一部分反射回发射点（雷达），在雷达处再设一个接收分反射回发射点（雷达），在雷达处再设一个接收装置就可接收到回波。根据回波可发现物体。装置就可接收到回波。根据回波可发现物体。 隐形飞机原理：隐形飞机原理：使雷达无法探测到。飞机达到隐形使雷达无法探测到。飞机达到隐形效果的关键，在于采用隐形材料和隐形设计，尽量效果的关键，在于采用隐形材料和隐形设计，尽量把雷达波束吸收掉，或者向偏离原雷达的方向反射。把雷达波束吸收掉，或者向偏离原雷达的方向反射。这样飞机就不容易被雷达探测到。这样飞机就不容易被雷达探测到。隐形飞机决不是指飞机将自己隐形飞机决不是指飞机将自己的形体隐藏起来，让我们看的

17、形体隐藏起来，让我们看不见它，而是说它可以使雷不见它，而是说它可以使雷达达“看不到看不到”它。它。F-117A (第第1种可正式作战的隐形种可正式作战的隐形飞机飞机) 第第0 0章章 电磁学漫谈电磁学漫谈电磁场与电磁波电磁场与电磁波雷达系统雷达系统第第0 0章章 电磁学漫谈电磁学漫谈电磁场与电磁波电磁场与电磁波电磁学的数学基础电磁学的数学基础 矢量运算矢量运算静态场静态场静电场静电场恒定电场恒定电场恒定磁场恒定磁场静态场的求解方法静态场的求解方法时变场时变场时变电磁场的基本特性时变电磁场的基本特性均匀平面电磁波均匀平面电磁波三、该课程的内容三、该课程的内容第第0 0章章 电磁学漫谈电磁学漫谈电磁场与电磁波电磁场与电磁波参考书参考书1 1、电磁场与电磁波电磁场与电磁波人民邮电出版社人民邮