电磁学基础汇编

1、电磁学基础(jch)课件下载(xi zi)：共一百一十一页电磁学隐身技术重要的理论基础光即可见光，为电磁波热红外辐射(fsh)，为电磁波电雷达波，为电磁波声机械波共一百一十一页电磁学与经典电动力学电磁学密切相关的是经典电动力学，两者在内容上并没有原则的区别。电磁学偏重于电磁现象的实验(shyn)研究，从广泛的电磁现象研究中归纳出电磁学的基本规律；经典电动力学则偏重于理论方面，它以麦克斯韦方程组和洛伦兹力为基础，研究电磁场分布，电磁波的激发、辐射和传播，以及带电粒子与电磁场的相互作用等电磁问题也可以说，广义的电磁学包含了经典电动力学。共一百一十一页相关历史(lsh)西周(公元前1100-公元前7

2、71)青铜铭文就记载有“电”字和“雷”字先秦“阴阳相薄，感而为雷，激而为霆。霆，电也。” 共一百一十一页公元前七世纪，发现磁石 公元前二世纪，发现静电吸引1600年，论磁论述磁1747年，电荷守恒定律 1785年，库仑定律(k ln dn l)1799年，发明电池1820年，电流的磁效应1826年，欧姆定律1831年，电磁感应现象1834年，楞次定律1865年，麦克斯韦方程组1888年，实验证实电磁波存在 共一百一十一页吉尔伯特（15441603），英国著名的医生(yshng)、物理学家。由于他医术高明，1601年担任英国女王伊丽莎白一世的御医，直到1603年11月30日逝世。共一百一十一页写

3、成名著论磁，于1600年在伦敦出版。 记录(jl)了磁石的吸引与推斥；磁针指向南北等性质；烧热的磁铁磁性消失；还发现了球形磁体的极，并断定地球本身是一个大磁体，提出了“磁轴”、“磁子午线”等概念。共一百一十一页在吉尔伯特的名著中，也叙述了他对电现象的研究内容(nirng)。他研究了十几种物质，发现它们中的大多数被摩擦后，可以吸引轻小的物体。他首先指出，这是与磁现象有本质区别的另一类现象。吉尔伯特的名著论磁，直到19世纪末还很少为人了解，他的其他作品、先进的科学思想在英国也很少有人知道。因为他的作品都是仅用拉丁文出版的。1889年成立的吉尔伯特俱乐部，到1900年根据汤姆生的倡议，才出版了吉尔伯

4、特名著的英译本。 共一百一十一页富兰克林本杰明.富兰克林（Benjamin Franklin）(1706-1790)，十八世纪美国最伟大的科学家和发明家，著名(zhmng)的政治家、外交家、哲学家、文学家和航海家以及美国独立战争的伟大领袖。 共一百一十一页1752年7月，富兰克林和他的儿子威廉做了“风筝实验”，证明了天上的雷电与人工摩擦产生(chnshng)的电具有完全相同的性质。 1753年，俄国著名电学家利赫曼为了验证富兰克林的实验，不幸被雷电击死。1754年，避雷针开始应用 共一百一十一页库仑(kln)1736年6月14日-1806年8月23日，法国物理学、军事工程师。1785年，库仑用

5、自己发明的扭秤建立了静电学中著名的库仑定律。共一百一十一页康德伊曼努尔康德(Immanuel Kant, 1724年4月22日1804年2月12日)德国哲学家、天文学家、星云说的创立者之一、德国古典(gdin)哲学的创始人，唯心主义，不可知论者，德国古典(gdin)美学的奠定者。认为各种自然力都来自同一根源，可以相互转化。共一百一十一页伏特 亚历山德罗朱塞佩安东尼奥安纳塔西欧伏特伯爵（Count Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta，1745年2月18日1827年3月5日），意大利物理学家，因在1800年发明伏打电堆而著名。后来他受封为伯爵。

6、为了纪念他，人们(rn men)将电动势单位取名伏特。共一百一十一页奥斯特（1777-1851）丹麦(dn mi)人，发现电流磁效应的第一人。共一百一十一页1799年的博士论文论外部自然的基本的形而上学范畴中，阐述了康德哲学思想对科学的指导作用，并深受康德关于“基本力”可以转化为其它各种形式的力的观点影响。1803年他曾说:“人们的物理学将不再是关于运动、热、空气、光、电、磁以及人们所知道的任何其他(qt)现象的零散的罗列，人们将把整个宇宙容纳在一个体系中。”他认为“自然力之统一”。 共一百一十一页奥斯特在一次讲课中，他尝试将磁针放在导线的侧面。当他接通电源时，发现磁针轻微的晃动了一下! 正是

7、这一轻微的晃动，奥斯特马上意识到他多年孜孜以求的东西就要实现(shxin)了。奥斯特紧抓不放，经过反复实验，查明了电流具有磁效应。1820年7月21日，发表了电流对磁针的作用的实验，引起了学术界的轰动。 共一百一十一页奥斯特奥斯特的发现和牛顿力学的基本原理是相互矛盾的。在牛顿力学中，自然界的力只能是作用于物体连线上的吸引或排斥力，即直接推拉性质的“中心力”。而奥斯特发现的却是一种“旋转力”。他所说的“螺旋线”，实际上就是关于磁的横向效应或电流(dinli)所引起的涡流磁场的直观描述。是“场”的思想的开端。 国际上从1934年起命名磁场强度的单位为奥斯特，简称“奥” 共一百一十一页共一百一十一页

8、韦伯WE(Wilhelm Eduard Weber,18041891)，德国物理学家(w l xu ji)共一百一十一页博士论文以及其后的研究是声学方面的；而他的主要贡献则是在电学和磁学方面。1833年，他与高斯合作研了用电池作动力的电报机，在哥廷根大学相距9000英尺的物理实验馆与天文台之间架设电线来传输信号，这是世界(shji)上第一台有线电报。 1935年国际电工委员会通过以“韦伯”作为磁通量的实用制单位，1948年又得到国际计量大会的承认。共一百一十一页亨利(Joseph Henry,17971878年)，美国物理学家。生于纽约州的奥尔巴尼，读过小学和初中，但由于勤奋学习，考进了奥尔巴

9、尼学院，在那里他学习化学、解剖学和生理学，准备当一名医生(yshng)，可是，毕业以后他却在奥尔巴尼学院当上了一名自然科学和数学讲师。 强电磁铁的制成，为改进发电机打下了基础。共一百一十一页电磁感应现象的发现，比法拉第早一年。1830年8月，亨利在电磁铁两极中间放置一根绕有导线的条形软铁棒，然后把条形铁棒上的导线接到检流计上，形成闭合回路。他观察到，当电磁铁的导线接通的时候，检流计指针向一方偏转后回到零；当导线断开的时候，指针向另一方偏转后回到零。这就是亨利发现的电磁感应现象。这比法拉第的发现几乎早一年，遗憾的是亨利没有及时公开发表(fbio)自己的实验结果。 发现了自感现象共一百一十一页18

10、42年亨利在实验室里安装(nzhung)了一个火花隙装置，在30多英尺处放一个线圈来接收能量，线圈和检流计相接，形成回路。当火花隙装置的电火花闪过的时候，和线圈相接的检流计指针就发生偏转。这个实验的成功，实际上实现了无线电波的传播。亨利的实验虽然比赫兹的实验早了40多年，但是当时的人们包括亨利自己在内，还认识不到这个实验的重要性。亨利的贡献很多，只是当时没有立即发表，因此他失去了许多发明的专利权和发现的优先权。但是亨利仍然不失为公认的著名电学家，为了纪念他，电感的国际单位以亨利命名。 共一百一十一页赫兹海因里希鲁道夫赫兹 (Hertz，1857年2月22日 - 1894年1月1日)德国物理学家

11、，于1888年首先证实了无线电波的存在。并对电磁学有很大的贡献，故频率的国际单位(dnwi)制单位(dnwi)赫兹以他的名字命名。 共一百一十一页亥姆霍兹 （Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz，18211894）德国物理学家(w l xu ji)、数学家、生理学家、心理学家。亥姆霍兹线圈(xinqun)共一百一十一页1847年他在德国物理学会发表了关于力的守恒讲演，在科学界赢得很大声望，次年担任了柯尼斯堡大学生理学副教授。亥姆霍兹在这次讲演中，第一次以数学方式提出能量守恒定律。 主要论点(lndin)是：一切科学都可以归结到力学。强调了牛顿力学和拉格朗

12、日力学在数学上是等价的，因而可以用拉氏方法以力所传递的能量或它所作的功来量度力。所有这种能量是守恒的。 共一百一十一页亥姆霍兹的一生，研究领域十分广泛，除物理学外，在生理光学和声学、数学、哲学(zhxu)诸方面都作出了重大贡献。测定了神经脉冲的速度，重新提出托马斯杨的三原色视觉说研究了音色、听觉和共鸣理论发明了验目镜、角膜计、立体望远镜。对黎曼创立的非欧几何学也有研究。亥姆霍兹不仅对医学、生理学和物理学有重大贡献，而且一直致力于哲学认识论。他确信：世界是物质的，而物质必定守恒。共一百一十一页高斯Johann Carl Friedrich Gauss）（1777年4月30日1855年2月23日）

13、，生于不伦瑞克，卒于哥廷根，是德国著名数学家、物理学家、天文学家、大地测量学家。他有数学王子(wngz)的美誉，并被誉为历史上最伟大的数学家之一，和阿基米德、牛顿、欧拉同享盛名。共一百一十一页19世纪30年代，高斯发明了磁强计与韦伯(18041891)在电磁学的领域共同工作。他比韦伯年长27岁，以亦师亦友的身份进行合作。1833年，通过受电磁影响的罗盘指针，他向韦伯发送了电报。1840年他和韦伯画出了世界第一张地球磁场图，而且定出了地球磁南极(nnj)和磁北极的位置，并于次年得到美国科学家的证实。 共一百一十一页高斯研究数个领域，但只将他思想中成熟的理论发表。他经常提醒他的同事，该同事的结论已

14、经被自己很早的证明(zhngmng)，只是因为的不完备性而没有发表。批评者说他这样是因为极爱出风头。实际上高斯只是一部疯狂的打字机，将他的结果都记录起来。在他死后，有20部这样的笔记被发现，才证明高斯的宣称是事实。一般认为，即使这20部笔记，也不是高斯全部的笔记。高斯的肖像已经被印在从1989年至2001年流通的德国马克的纸币上。共一百一十一页法拉第迈克尔法拉第（Michael Faraday，公元1791公元1867）英国物理学家、化学家，也是著名的自学成才(z xu chn ci)的科学家。生于萨里郡纽因顿一个贫苦铁匠家庭。仅上过小学。 共一百一十一页1831年，他作出了关于力场的关键性突

15、破，永远改变了人类文明。他将化学中的许多重要术语给予了通俗的名称，如阳极、阴极(ynj)、电极、离子等法拉第把磁力线和电力线的重要概念引入物理学，通过强调不是磁铁本身而是它们之间的“场”法拉第坚信：“物质的力借以表现出的各种形式，都有一个共同的起源” 爱因斯坦高度评价法拉第的工作，认为他在电学中的地位，相当于伽利略在力学中的地位。法拉第奠定了电磁学的实验基础。 共一百一十一页安培安德烈玛丽安培（Andr-Marie Ampre，1775年1836年），法国化学家，在电磁(dinc)作用方面的研究成就卓著，对数学和物理也有贡献。电流的国际单位安培即以其姓氏命名。 共一百一十一页1820年7月 ，

16、H.C.奥斯特发表关于电流(dinli)磁效应的论文后，安培报告了他的实验结果：通电的线圈与磁铁相似；9月25日，他报告了两根载流导线存在相互影响，相同方向的平行电流彼此相吸，相反方向的平行电流彼此相斥；对两个线圈之间的吸引和排斥也作了讨论。 共一百一十一页主要贡献发现了安培定则 发现电流的相互作用规律 电流方向相同的两条平行载流导线互相吸引，电流方向相反的两条平行载流导线互相排斥。发明了电流计 电流在线圈中流动的时候表现出来的磁性(cxng)和磁铁相似，创制出第一个螺线管，在这个基础上发明了探测和量度电流的电流计。 提出分子电流假说 共一百一十一页轶事怀表变卵石马车车厢做“黑板(hibn)”

17、经典电动力学奠基人麦克斯韦对安培工作的评价很高，称安培的研究是“科学史上最辉煌的成就之一”后人又称安培是“电学中的牛顿”。共一百一十一页麦克斯韦James Clerk Maxwell（公元1831公元1879）詹姆斯克拉克麦克斯韦是伟大的英国(yn u)物理学家，经典电磁理论的创始人。共一百一十一页科学史上，称牛顿把天上和地上的运动规律统一起来，是实现第一次大综合，麦克斯韦把电、光统一起来，是实现第二次大综合，因此应与牛顿齐名。1873年出版的论电和磁，也被尊为继牛顿原理之后的一部最重要的物理学经典(jngdin)。没有电磁学就没有现代电工学，也就不可能有现代文明。共一百一十一页1831年6月

18、13日出生于爱丁堡16岁时进入爱丁堡大学，三年后转入剑桥大学学习数学1854年毕业并留校任教，两年后到苏格兰的马里沙耳学院任自然哲学教授1860年到伦敦国王学院任教1871年受聘(shu pn)筹建剑桥大学卡文迪许实验室，并任第一任主任1879年11月5日在剑桥逝世共一百一十一页1855年发表论法拉第力线，他以一种几何观点，为法拉第的力线作出了数学描绘。他在文章中写到：“如果人们(rn men)从任意一点画一条线，并且当人们(rn men)沿这条线走时，线上任一点的方向，总是和该点力的方向重合，那么这条曲线就表示他所通过的各点的合力的方向，并且在这个意义上才称为力线。用同样的方法人们(rn m

19、en)可以画出其它力线。知道曲线充满整个空间以表示任一指定点的方向。”这样，力线的切线方向就是电场力的方向，力线的密度表示电场力的大小。 共一百一十一页1873年，麦克斯韦出版电磁学通论，他不仅(bjn)用数学理论发展了法拉第的思想，还创造性的建立了电磁场理论的完整体系。在这本书中，他的思想得到更完善的发展和更系统的陈述。他把以前的电磁场理论都综合在一组方程式中，得到了电磁场的数学方程-麦克斯韦电磁方程组。现在常见的麦克斯韦方程组，乃是经过赫维赛德于1884年编排修改而成的四个方程麦克斯韦说：“把数学分析和实验研究联合使用所得到的物理知识，比之一个单纯实验人员或单纯的数学家能具有的知识更坚实，

20、有益和巩固”。 共一百一十一页尼古拉特斯拉（塞尔维亚文： ；1856年7月10日1943年1月7日）是世界知名(zhmng)的发明家、物理学家、机械工程师和电机工程师。塞尔维亚血统的他出生在克罗地亚（后并入奥地利帝国）。共一百一十一页特斯拉被认为是历史上一位重要的发明家，在19世纪末和20世纪初对电和磁的贡献也是知名的。特斯拉的专利和理论工作形成了现代的交流电电力系统,其中(qzhng)包括交流电动机，他以此帮助推动了第二次工业革命。共一百一十一页为表彰他早在18961899年实现200 kV、架空57.6 m的高压输电成果，与制成著名的特斯拉线圈和在交流电系统的贡献，在他百年纪念时(1956

21、年)国际电气技术协会决定用他的名字作为磁感应强度的单位(dnwi)。 1912年，由于特斯拉和爱迪生在电力方面的贡献，两人被同时授予诺贝尔物理学奖，但是两人都拒绝领奖，理由是无法忍受和对方一起分享这一荣誉。 共一百一十一页尼古拉特斯拉尼古拉特斯拉1 尼古拉特斯拉2沃登克里弗塔共一百一十一页共一百一十一页共一百一十一页尼古拉.特斯拉纪念币共一百一十一页场论(chn ln)基础位置矢量（矢径）xyzP(x,y,z)P点相对于O点的位置xyzP(x,y,z)P点相对于P点的位置P(x,y,z)共一百一十一页场论基础矢量代数(dish)运算式均为矢量垂直于所在平面， 并与成右手螺旋关系。共一百一十一页

22、场论基础矢量(shling)代数运算式共一百一十一页场论基础梯度 标量函数的梯度定义为：性质：指向增长最快的方向(fngxing)，垂直于的等值面标量的梯度是矢量 表示单位矢量。共一百一十一页场论基础散度 矢量(shling)场 通过闭合面S的通量为散度定义为（v为S包围的体积）共一百一十一页场论基础散度 为 在 方向的分量，可以证明性质(xngzh)：矢量的散度是标量共一百一十一页场论基础旋度 矢量场 沿有向曲线(qxin)l的积分为 旋度 定义为S为l包围面积，l方向与 成右手螺旋方向， 为法向量共一百一十一页场论基础(jch)旋度 性质：矢量的旋度是矢量共一百一十一页哈密顿算子(sun

23、z)又称nabla算子读作del。 共一百一十一页场论(chn ln)基础矢量恒等式共一百一十一页场论基础(jch)矢量恒等式高斯(o s)散度公式斯托克斯旋度公式共一百一十一页场论(chn ln)基础格林公式标量第一格林公式标量第二格林公式矢量第一格林公式矢量第二格林公式共一百一十一页时域麦克斯韦(mi k s wi)方程组电场(din chng)旋度方程磁场旋度方程电位移散度方程磁感应散度方程电流连续方程共一百一十一页时域麦克斯韦(mi k s wi)方程组本构方程(fngchng)介电常数张量，单位F/m，法拉/米磁导率张量，单位H/m，亨利/米共一百一十一页时域麦克斯韦(mi k s

24、wi)方程组表示直接关系表示时变关系电荷电场电流磁场时变部分电磁波3式2式右边第一项2式右边第二项1式5式共一百一十一页时域麦克斯韦(mi k s wi)方程组电场强度（V/m）伏特/米磁场强度（A/m）安培(npi)米电位移矢量（C/m2）库仑/米2磁感应强度（T；Wb/m2）特斯拉；韦伯米2自由电荷体密度（C/m3）库仑/米3传导电流体密度（A/m2）安培/米2共一百一十一页时域麦克斯韦(mi k s wi)方程组本构方程共一百一十一页时域麦克斯韦方程组非均匀媒质：C是空间坐标x,y,z的函数；不稳定媒质：C是时间(shjin)t的函数，又称时变媒质；时间色散媒质：C是场的时间导数的函数，

25、如 ；空间色散媒质：C是场的空间导数的函数，如 ；共一百一十一页时域麦克斯韦(mi k s wi)方程组非线性媒质：C是场强的函数，如 与 有关各向同性媒质：C中各元素退化为标量；反之为张量；电磁单性媒质： 只与 ， 只与 有关。共一百一十一页时域麦克斯韦方程组简化形式的麦克斯韦方程对于线性均匀(jnyn)各向同性（LHI）媒质可简化为共一百一十一页时域麦克斯韦方程组所以(suy)有真空介电常数(8.85410-12)(F/m)法/米相对介电常数真空磁导率(410-7)(H/m)亨/米相对磁导率电导率(S/m)西门子/米共一百一十一页时域麦克斯韦方程组通常的研究(ynji)为简单媒质线性 Li

26、near均匀 Homogeneous各向同性 Isotropic总结为：LHI媒质共一百一十一页时域麦克斯韦(mi k s wi)方程组不同类型媒质的边界条件法矢切向传导电流面密度（A/m）安培/米自由电荷面密度（C/m2）库仑(kln)/平方米以上各场量均为瞬时值共一百一十一页时域麦克斯韦(mi k s wi)方程组对于线性、均匀、各向同性媒质，麦克斯韦方程组形式为共一百一十一页时域麦克斯韦方程组对于均匀(jnyn)、理想介质，有所以共一百一十一页时谐电磁场方程余弦函数的复数表示(biosh)电磁场的场量随时间做正弦或余弦变化余弦实标量函数 ：取实部 * ： 复数取共轭 ：瞬时值 ，实标量；

27、 ：幅值，实标量； ：幅值加相位，复标量；共一百一十一页时谐电磁场方程余弦函数的复数表示(biosh)对时间的导数可以用乘以 表示共一百一十一页时谐电磁场方程余弦(yxin)函数的复数表示例如：共一百一十一页时谐电磁场方程余弦(yxin)函数的复数表示余弦实矢量函数其中共一百一十一页时谐电磁场方程余弦函数的复数(fsh)表示的各方向(fngxing)分量，复标量瞬时值，实矢量复矢量各方向幅值，实标量；各方向的初相 共一百一十一页时谐电磁场方程余弦函数的复数(fsh)表示共一百一十一页时谐电磁场方程余弦函数的复数表示(biosh)例如： 的每个分量都随同一角频率 作余弦变化（余弦电磁场）共一百一

28、十一页时谐电磁场方程余弦(yxin)函数的复数表示符号约定：为使得公式简洁，频域电磁场方程场量均不加“点”，根据上下文可判断场量为频域或时域。如麦克斯韦方程组可以表示为：共一百一十一页时谐电磁场方程时谐媒质方程一般媒质 极化强度(qingd)矢量 磁化强度矢量共一百一十一页时谐电磁场方程(fngchng)时谐媒质方程线性各向同性媒质共一百一十一页时谐电磁场方程(fngchng)时谐媒质方程理想导体 为有限值，故导体内部 ， 均为零共一百一十一页时谐电磁场方程时谐媒质方程理想(lxing)介质共一百一十一页时谐电磁场方程时谐麦克斯韦(mi k s wi)方程组用 代替 ，得共一百一十一页时谐电磁

29、场方程时谐麦克斯韦方程组对于(duy)LHI（线性、均匀、各向同性）媒质，有共一百一十一页时谐电磁场方程时谐麦克斯韦方程组对于均匀(jnyn)理想介质，有共一百一十一页时谐电磁场方程时谐电磁场边界条件对于(duy)均匀理想介质，有注： 只有(zhyu)在一种介质为理想导体时非零共一百一十一页时谐电磁场方程时谐电磁场边界条件对于非理想导体的均匀(jnyn)理想介质，有共一百一十一页时谐电磁场方程时谐电磁场边界条件为什么使用复数量来代替瞬时值？可以达到“降维”的目的，去掉了时间变量，场量只是空间的函数运算方便，对时间的导数化为乘以一个因子在数值计算中，往往计算的是某一频率下的散射情况，用复数量代替

30、瞬时值可以带来方便实际应用中，最关心(gunxn)的往往不是瞬时值，而是场量总的情况共一百一十一页电磁场的波动方程麦克斯韦(mi k s wi)方程组描述了电场和磁场的相互作用关系，以及场与源的关系。波动方程揭示了电场与磁场的运动规律：电磁场的波动性。共一百一十一页电磁场的波动方程(fngchng)时域波动方程：（均匀线性各向同性媒质）共一百一十一页电磁场的波动方程频域波动方程：（均匀线性各向同性( xin tn xn)媒质）共一百一十一页电磁场的波动方程对于(duy)均匀理想介质又根据公式以及得无源频域波动方程，称齐次亥姆霍兹方程共一百一十一页电磁学共一百一十一页Sttratton-Chu积分方程广义时谐电磁场波动方程引入磁荷 ，磁流 （无实际物理意义(yy)，仅有数学表达方面的帮助），有广义麦克斯韦方程共一百一十一页Sttratton-Chu积分方程广义(gungy)时谐电磁场波动方程广义麦克斯韦方程的频域形式为共一百一十一页Sttratton-Chu积分方程广义时谐电磁场波动方程对于线性、均匀(jnyn)、各向同性媒质，可推出广义时谐波动方程共一百一十一页Sttratton-Chu积分方程广义矢量波动方程结合(jih)矢量第二格林公式推得Stra