电磁场理论(绪论)2015_new

1、 电磁场理论电磁场理论 Electromagnetic Theory武武 汉汉 大大 学学课程介绍o武汉大学（1893年）是我国最早开设“电磁场理论”课程的院校之一，可追溯至1946年游离层实验室o物理系理论物理中四门基础课程之一（郭硕鸿先生的“电动力学”），1980年空间物理系分离o1995年老电信学院成立，3个本科专业，学院必修基础课（1998年谢处方先生的“电磁场与电磁波” ）o2001年新电信学院成立，5个本科专业，2002年开始课程改革和建设（理工渗透 、科研和教学相结合）o2004年省精品课程，2009年国家精品课程，国家“十一五”规划教材（柯亨玉教授的“电磁场理论”），建立电磁场

2、仿真和射频技术实验室 绪绪 论论 p 科学内涵和应用领域科学内涵和应用领域 p 发展历程与发展简史发展历程与发展简史 p 主要研究对象和内容主要研究对象和内容p 课程学习目的及要求课程学习目的及要求 科学内涵及应用领域科学内涵及应用领域电磁场电磁场理论的理论的科学内科学内涵和应涵和应用领域用领域1. 物理的一个分支学科：物理的一个分支学科： 电磁场属性与统一场理论电磁场属性与统一场理论 微观量子电磁现象及应用微观量子电磁现象及应用2. 无线电技术的理论基础：无线电技术的理论基础： 电磁场与物质相互作用电磁场与物质相互作用 信息传输新器件和系统信息传输新器件和系统 信息获取新方法和技术信息获取新

3、方法和技术p 电磁场理论的学科内涵电磁场理论的学科内涵3. 电气工程学科理论核心电气工程学科理论核心: 电磁能量的产生转换电磁能量的产生转换 电磁能量的传输和储存电磁能量的传输和储存 电磁场能的开发和应用电磁场能的开发和应用p 电磁场的主要应用领域电磁场的主要应用领域 电磁场（或波）为能量一种形式，是当今世界电磁场（或波）为能量一种形式，是当今世界 最重要的能源，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. .电磁力悬浮系统EMS系统 Electromagnetic Suspension电动力悬浮系统EDS系统Electro

4、dynamic Suspension 电磁波作为信息的载体，成为当今社会发布和获电磁波作为信息的载体，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. .p 电磁场的主要应用领域电磁场的主要应用领域 电磁波作为探测未知世界的一种重要手电磁波作为探测未知世界的一种重要手 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p 电磁场的主要应用领域电磁场的主要应用领域p 电

5、磁场的主要应用领域电磁场的主要应用领域思考题思考题: : 1. 1.为什么电磁波可作为信息载体为什么电磁波可作为信息载体? ? 2. 2.作为信息载体有很多物理量作为信息载体有很多物理量, ,为为 什么电磁波应用最广泛什么电磁波应用最广泛? ? 3. 3.为什么电磁波可作为探测未知为什么电磁波可作为探测未知 物理世界的工具物理世界的工具? ?电磁波电磁波-信息载体信息载体电磁波每一个振动的振幅都是一样的，如果我们通过某种方法，可以按照我们的意愿改变电磁波每一次振动的幅度不同，那么这个电磁波上就带有了某种信息，传输出去，再把每次振动的幅度不同所代表的信息提取出来，就达到了传输的目的。 简单的说，

6、我们说话，转化成电压信号，我们用高频的电磁振动去采集这个信号，每一次振动的幅度对应于我们说话的某一个点上的电压值，那么这么多振动组合起来，就表示出了我们说话对应的电压的变化的大致情况，就可以传输出去，另一端把这个信息采集出来，就知道了说话的内容。 所对应的物理学名词叫做调制和解调 电磁波可以根据其性质的不同而以不同的方式向四面八方辐射开去，一般的声音信号和光学图像却无法做到这样，最多利用麦克风、扩音器之类或望远镜之类帮点小忙，作用范围有限得很。电磁波可以载带着音像信息发射出去。调幅波就是电磁波的幅度变化代表了声音信号，调频波就是其频率的变化代表了声音、图像的信号。这或者是模拟量的信号，更可以是

7、数字化的音像信号。这些过程叫调制，相当于往车子上装载货物一样。接受到这种电磁波之后必须解调丢掉车子（载体电磁波），选取出音像信号，送到收音机喇叭、电视机屏幕、电脑屏幕、手机屏幕、手机喇叭等等您的耳、眼认可的玩意儿中去。更有甚者，这游戏还可往返于地球外星或宇航器之间。电磁场理论发展历程电磁场理论发展历程电、磁现象是大自然最重要的现象，也是最早电、磁现象是大自然最重要的现象，也是最早被科学家们关心和研究的物理现象，其中贡献最被科学家们关心和研究的物理现象，其中贡献最大的有大的有富兰克林、伏打、富兰克林、伏打、沈括、哥伦布沈括、哥伦布等科学家。等科学家。1919世纪以前，电、磁现象作为两个独立的物理

8、现世纪以前，电、磁现象作为两个独立的物理现象被广泛的关注和研究。正是由于这些研究为电象被广泛的关注和研究。正是由于这些研究为电磁学理论的建立奠定了基础。磁学理论的建立奠定了基础。1. 1. 电磁场理论的早期研究电磁场理论的早期研究 磁偏角的发现：方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也 （笔谈-沈括）西方直到1492年才由哥伦布发现，比沈括已经晚了400多年 东向地理北地磁北2 2电磁场理论的建立电磁场理论的建立奥斯特奥斯特是谢林的信徒，从是谢林的信徒，从18071807年年开始研究电与磁之间的关系。开始研究电与磁之间的关系。18201820年发现电流以力作用于磁年发现电流以力作用于磁

9、针针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，宇宙是有认为，宇宙是有活力的，而不是僵死的，认为电是宇宙的活力活力的，而不是僵死的，认为电是宇宙的活力和灵魂；电、磁、光、热现象是相互联系的。和灵魂；电、磁、光、热现象是相互联系的。安培安培发现作用力的方向和电发现作用力的方向和电流的方向以及磁针到通过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流的导线的垂直线方向相互垂直，并定量建立了若干数垂直，并定量建立了若干数学公式。这表明，电流与磁学公式。这表明，电流与磁之间存在着密切的联系。之间存在着密切的联系。2 2电磁场理论的建立电磁场理论的建立 法拉第法拉第相信电、磁、光、热是

10、相相信电、磁、光、热是相 互联系的。奥斯特互联系的。奥斯特18201820年发现年发现 电流以力作用于磁针后，法拉第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敏锐地意识到磁也一定能够对电 产生影响。产生影响。18211821年他开始探索磁年他开始探索磁 生电的实验生电的实验18311831年他发现；年他发现； 当磁捧插入导体线圈时；导线圈当磁捧插入导体线圈时；导线圈 中就产生电流。这表明，电与磁中就产生电流。这表明，电与磁 之间存在着密切的联系。之间存在着密切的联系。2 2电磁场理论的建立电磁场理论的建立麦克斯韦麦克斯韦深入研究并探讨了电与深入研究并探讨了电与磁之间发生作用的问

11、题，发展了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场的概念。在法拉第实验的基础上，总结了宏观电磁现象规律，上，总结了宏观电磁现象规律，引进位移电流的概念，提出了一引进位移电流的概念，提出了一组描述电磁现象的规律偏微分方组描述电磁现象的规律偏微分方程，即麦克斯韦方程组，建立了程，即麦克斯韦方程组，建立了宏观经典电磁场理论。宏观经典电磁场理论。18551855年：开始致力于电磁学的研究年：开始致力于电磁学的研究18641864年：年：电磁场的动力学理论电磁场的动力学理论18731873年：年：电磁通论电磁通论著作完成著作完成18731873年年: : 经典宏观电磁场理论建立经典宏观

12、电磁场理论建立电磁场理论电磁场理论-光速不变原理光速不变原理o光速不变原理由联合求解麦氏方程得到，是爱因斯坦创立狭义相对论的基本出发点o光速不变原理：真空中的光速对任何惯性系中的观测者来说都相同，不随光源和观测者所在参考系的相对运动而改变o物理高速运动时将发生尺短钟慢现象，当物体速度达到光速时，物体沿空间方向的尺度会缩短为零，时间会慢到停止3 3电磁场理论的发展和应用电磁场理论的发展和应用 德国科学家德国科学家赫兹赫兹，1887 1887 年用火年用火 花隙激励一个环状天线，用另花隙激励一个环状天线，用另 一个带隙的环状天线接收，证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实了麦克

13、斯韦关于电磁波存在 的预言，这一重要的实验导致的预言，这一重要的实验导致了后来无线电报的发明。从此开始了电磁场了后来无线电报的发明。从此开始了电磁场和电磁波理论的应用与发展时代。和电磁波理论的应用与发展时代。无线电报无线电报( (telegraphtelegraph） 18951895年，年，马可尼马可尼进行了进行了2.52.5公里无线电报传送公里无线电报传送18961896年，年，波波夫波波夫进行了进行了250250米的电报传送试验米的电报传送试验 18991899年年, , 跨越英吉利海峡电报传送试验成功跨越英吉利海峡电报传送试验成功 19011901年，跨越大西洋的年，跨越大西洋的320

14、03200公里的试验成功公里的试验成功 马可尼成为马可尼成为19091909年的诺贝尔奖得主年的诺贝尔奖得主有线电话有线电话 （telephone)telephone) 1876 1876年年, , 美国科学家美国科学家贝贝 尔尔在美国建国在美国建国100100周年周年 博览会上展示了他所发博览会上展示了他所发 明的有线电话。明的有线电话。 广播广播 (broadcasting ) 1906 1906年，美国年，美国费森登费森登用用5050 千赫的发电机作发射机，千赫的发电机作发射机， 用微音器接入天线实现调用微音器接入天线实现调 制，使大西洋航船上的报制，使大西洋航船上的报 务员听到了广播播

15、出的音乐。务员听到了广播播出的音乐。19191919年第一个定时年第一个定时 的无线电广播电台在英国建成。的无线电广播电台在英国建成。电视电视 (television set ) 1884 1884年，德国年，德国尼普科夫尼普科夫提出机提出机 械扫描电视的设想，械扫描电视的设想，19271927年，年， 英国英国贝尔德贝尔德成功用电话线路把成功用电话线路把 图像从伦敦传至大西洋中的船上。图像从伦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像管。年相继发明了摄像管和显像管。 19311931年，世界上第一个全电子电视系统出现。年，世界

16、上第一个全电子电视系统出现。雷达（雷达（RadarRadar）雷达的英文雷达的英文RADAR是是Radio Detection And Ranging的缩的缩写，意为无线电探测和测距写，意为无线电探测和测距 19221922年，年，马可尼马可尼发表无线电波能检测物体的论发表无线电波能检测物体的论 文，是雷达最早的概念。雷达作为一种探测目文，是雷达最早的概念。雷达作为一种探测目 标的电子设备，产生于二次世界大战。标的电子设备，产生于二次世界大战。19361936年，英国设计警戒雷达投入了运行年，英国设计警戒雷达投入了运行19381938年，美国研制成第一部火炮控制雷达年，美国研制成第一部火炮控制

17、雷达19401940年，微波雷达的研制成为可能年，微波雷达的研制成为可能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，显示运动目标的显示技术发明年，显示运动目标的显示技术发明卫星通信卫星通信(satellite communications ) 19581958年年, , 美国低轨美国低轨“探险者探险者”卫星发射成功卫星发射成功 19641964年年, , 同步通信卫星实现了三大洲的通信同步通信卫星实现了三大洲的通信 19651965年年, , 第一颗商用定点同步卫星投入运行第一颗商用定点同步卫星投入运行 19691969年年, , 卫星通信经

18、历卫星通信经历1010年发展终趋于成熟年发展终趋于成熟卫星定位技术卫星定位技术 （Navigation Satellite Timing and Ranging/ Global Positioning System GPS）卫星定位技术卫星定位技术 GPSGPS 1957 1957年卫星发射成功后，以卫星为基地对地球表面及年卫星发射成功后，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。近地空间目标的定位和导航成为可能。19581958年底，美年底，美 国开始研究实施这一计划，于国开始研究实施这一计划，于19641964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。

19、19731973年美国提出了由年美国提出了由2424颗卫星组成的颗卫星组成的 实用系统新方案，即实用系统新方案，即GPSGPS计划，计划，19901990年最终的年最终的GPSGPS方方 案是由案是由2121颗工作卫星和颗工作卫星和3 3颗在轨备用卫星组成。颗在轨备用卫星组成。北斗定位系统北斗定位系统 北斗定位系统是我国建立北斗定位系统是我国建立的区域导航定位系统。北的区域导航定位系统。北斗一代由三颗卫星、地面斗一代由三颗卫星、地面控制中心、用户三部分组控制中心、用户三部分组成。功能为定位成。功能为定位, 通信和通信和授时授时. 北斗二代为全地定北斗二代为全地定位系统位系统, 2011年完成系统年完成系统组网，基本具备运行能力。组网，基本具备运行能力。2020年完成建设任务。年完成建设任务。 电磁场研究的对象与内容电磁场研究的对象与内容p 电磁场的属性及其运动规律电磁场的属性及其运动规律p 场与物质的相互作用场与物质的相互作用p 电磁场系统的计算与仿真电磁场系统的计算与仿真p 电磁能的开发与利用电磁能的开发与利用p 新器件与系统的开发新器件与系统的开发p 电磁