电磁场与电磁波第1讲-绪论

1、第第第第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院信息工程系信息工程系徐美芳徐美芳信息与通信工程学院信息工程系信息与通信工程学院信息工程系第第第第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院信息工程系信息工程系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 第第第第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪

2、论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院信息工程系信息工程系科学内涵及应用领域科学内涵及应用领域第第第第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院信息工程系信息工程系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

3、 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方法和技术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 电磁场理论的学科内涵电磁场理论的学科内涵第第第第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院信息工程系信息工程系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，

4、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. .第第第第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院信息工程系信息工程系 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第第第第第第1 1

5、 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院信息工程系信息工程系 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第第第第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院信息工程系信息工程系p 电磁场的主要应用领域电磁场的主要应用领域

6、第第第第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院信息工程系信息工程系思考题思考题: : 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? ?第第第第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工

7、程学院信息工程系信息工程系电磁场理论发展历程电磁场理论发展历程第第第第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院信息工程系信息工程系电、磁现象是大自然最重要的往来现象，也最早电、磁现象是大自然最重要的往来现象，也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来顿、富兰克林、伏打来顿、富兰克林、伏打等科学家。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

8、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 第第第第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院信息工程系信息工程系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认为,宇宙是有宇宙是有活力

9、的活力的, 而不是僵死的而不是僵死的, 认为电是宇宙的活力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。第第第第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院信息工程系信息工程系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。

10、2 2电磁场理论的建立电磁场理论的建立第第第第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院信息工程系信息工程系 法拉第法拉第相信电、磁、光、热是相相信电、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

11、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第第第第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院信息工程系信息工程系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

12、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。第第第第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院信息工程系信息工程系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电磁场理论建立第第第第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲

13、 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院信息工程系信息工程系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。第第第

14、第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院信息工程系信息工程系无线电报无线电报( (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32003200公里的试验成功公里的试验成功 马可尼成为马可

15、尼成为19091909年的诺贝尔奖得主年的诺贝尔奖得主第第第第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院信息工程系信息工程系有线电话有线电话 （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。第第第第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院信息工程系信

16、息工程系 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。第第第第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院信息工程系信息工程系电视电视 (television vid

17、eo ) 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，世界上第一个全电子电视系统出现。第第第第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院信

18、息工程系信息工程系雷达（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。第第第第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院信息工程系信息工程系1

19、9361936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第第第第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院信息工程系信息工程系卫星通信卫星通信(satellite communications

20、 ) 19581958年年, , 美国低轨美国低轨“斯科尔斯科尔”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, , 卫星通信经历卫星通信经历1010年发展终趋于成熟年发展终趋于成熟第第第第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院信息工程系信息工程系卫星定位技术卫星定位技术 （Navigation Satellite Tim

21、ing and Ranging/ Global Positioning System GPS）第第第第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院信息工程系信息工程系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

22、 卫星导航系统。卫星导航系统。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。第第第第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院信息工程系信息工程系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、

23、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。 第第第第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院信息工程系信息工程系 电磁场研究的对象与内容电磁场研究的对象与内容第第第第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与电磁波电磁场与电磁波中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院信息工程系信息工程系 电磁场的属性及其运动规律电磁场的属性及其运动规律 场与物质的相互作用场与物质的相互作用 电磁场系统的计算与仿真电磁场系统的计算与仿真第第第第第第1 1 1讲讲讲讲讲讲 绪论绪论绪论绪论绪论绪论电磁场与