2012电磁场与电磁波01-绪论

1、电磁场与电磁波Electromagnetic Fields and Waves 绪论主讲：谢泽明华南理工大学电子与信息学院TEL:mail:内容这门课程讲什么为什么开设这门课电磁场理论和应用发展简史课程内容设置课程难点与对策课程要求 课程讲什么统一的电磁场理论大树理论的树干：电场与磁场满足的基本方程（麦克斯韦方程组）理论的树枝之一：静电场电场基本性质和规律理论的树枝之二：恒定电流场的基本性质和规律理论的树枝之三：恒定磁场的基本性质和规律理论的树枝之四：时变电磁场的基本性质和规律理论的树枝之五：电磁波的性质和规律（专业的重要应用）课程讲什么与大学物理电磁学的异同相同点：

2、都是学习电场、磁场与电磁波的性质和规律不同点：内容不同：大学物理重点是电磁现象的学习，电磁场理论重点是建立各种电磁现象的逻辑联系；数学工具不同：大学物理只涉及简单微积分，电磁场理论涉及矢量场论、偏微分方程和数理方程；目的不同：大学物理的目的是了解物理现象的本质，电磁场理论是为了精确求解电磁场的分布，为后续课程提供理论基础和工具为什么开设这门课 电磁场、电磁波是自然界中一种基本现象，一种独立存在的物质形式。摩擦起电：电荷间的作用力磁铁：电流间的作用力无线电波：时变电磁场的运动形式电磁场理论：各种宏观电磁现象的本质联系和定量描述。电磁场理论：揭示新的电磁现象及其重要应用。电磁波的发现无线通信介质波

3、导的研究光纤通信超材料的研究电磁隐身下一个发现与应用？科学问题为什么开设这门课电磁场、电磁波应用广泛。电磁场（或电磁波）作为能量的一种形式，是当今世界最重要的能源，易于产生、储存、变换、传输和综合利用。电磁波作为信息传输的载体，成为当今社会发布和获取信息的主要手段，主要研究领域为信息的产生、获取、交换、传输、储存、处理、再现和综合利用。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互作用特性、目标探测及其特征的获取。技术问题水电输电网络电机微波炉电磁波加热 各种分子、原子和原子核的谐振都发生在微波波段，这使得微波在基础科学、医学、遥感和加热等领域有独特的应用。计算机及其网

4、络电磁波通信网络交换机基站移动用户终端电磁波卫星通信大气窗口频段的电磁波卫星导航定位 （Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System GPS）射电天文雷达 （ Radio Detection and Ranging，Radar）喷墨打印机矿石分选器磁分离器直流电动机电磁波治疗仪电磁场理论是电子、信息学科的基础。电磁场理论电路理论天线理论电子技术、无线通信技术、移动通信、信息处理电波传播微波、光纤电磁场理论与应用发展简史电磁场理论的发展历程公元前6世纪，希腊学者Thales发现用布摩擦过的琥珀能吸引轻微的物体。

5、16世纪吉尔伯特著论磁学，并根据琥珀的希腊文创造 electricity一词。中国古代发明：司南1785年，库仑（Coulomb，17361806，法国物理学家）利用扭秤测试了真空中两个小电荷之间的吸引力，得到了著名的库伦定律。其后Possion，Gauss等人的研究形成了静电场的初期理论1786年，伽伐尼（A.L.Galvani，1737-1798,法国医学家）发现了生物电流。1799年，伏打（Vlota，17451798，意大利物理学家）发明电池。1820年，奥斯特（H.C. Oersted, 1771-1851，丹麦物理学家）发现电流磁效应，并创造了Electromagnetics一词。

6、毕奥（J.B. Biot,1774-1862）和沙伐尔（Felix Savart, 1791-1841）法国物理学家，归纳出电流元的磁场定律。Lapalce给出更严格的数学形式。安培（A.M. Ampere,1775-1836 ，德国物理学家）在实验的基础上进行数学推导，得到了更为普遍的电动力公式。1826年G.S Ohm（1789-1854）发现欧姆定律。1831年法拉第（M. Faraday，1791-1867，英国物理学家）经过10年的多次失败，终于取得突破，发现了电磁感应现象。法拉第的另一个贡献是提出了磁力线概念，为形象地表述磁场提供途径。1833年愣次发现了感应电流的方向。1845年

7、纽曼以定律的形式给出了电磁感应的定量规律。法拉第，出身贫寒，小学未毕业，但天生好学。11岁做报童。16岁做书籍装订工。这些工作让他有机会接触和学习很多知识。他酷爱听各种科学讲座，使他有幸成为戴维实验助手，从此他在实验科学方面做出卓有成效的工作。1821年（30岁）成为英国皇家学院实验室负责人。1824年（33岁）成为英国皇家学会会员。1864年J. C. Maxwell (1831-1879,英国物理学家，数学家）集前人之大成，富有创见地假设了位移电流，建立了著名的麦克斯韦方程，建立了完整的宏观电磁场理论，并从理论上预测了电磁波的存在。 麦克斯韦出生时，是法拉第发现电磁感应后2个多月。神童，1

8、0岁进爱丁堡学院学习 ，15岁在“爱丁堡皇家学报”发表论文，卡文迪什试验室首任主任。死于癌症。虽然只活了49 岁，但他却写了100多篇有价值的论文。是一位与牛顿、爱因斯坦相提并论的科学家。电磁波应用简史1887年H. Hertz (1857-1894,德国物理学家) 实验证实了麦克斯韦方程的预言。 赫芝采用电火花间隙发射机和加载 偶极天线演示电磁波的传播。 1890年赫兹又给出了麦克斯韦方程的最简洁形式，一直沿用至今。 赫兹这一重要的实验导致了后来无线电报的发明。从此开始了电磁场理论应用与发展时代，成为当代最活跃的学科领域电报 1895年，意大利马可尼（G. Marconi ）成功地进行了2.

9、5公里的电报传送实验。1896年，波波夫（A. Popov ）进行了约250米的类似试验。1899年，电报跨越英吉利海峡的试验成功。1901年，跨越大西洋3200公里的试验成功。开始了电磁波信息传输的时代。马可尼以其在无线电报等领域的成就，获得1909年的诺贝尔奖奖。电话 1876年, 美国科学家贝尔在美国建国100周年博览会上展示了他所发明的电话。此后,电话便迅速普及开来。广播 1906年，美国费森登用50千赫频率发电机作发射机，用微音器接天线实现调制，使大西洋航船上的报务员听到了他从波士顿播出的音乐。1919年，第一个定时播发语言和音乐的无线电广播电台在英国建成。次年，在美国的匹兹堡城又建

10、成一座无线电广播电台。电视1884年，德国的尼普科夫提出机械扫描电视的设想。1927年，英国的贝尔德成功地用电话线路把图像从伦敦传至大西洋中的船上。1923年和1924年，兹沃霄金在相继发明了摄像管和显像管。1931年，世界上第一个全电子电视系统在美国出现。 雷达1936年，英国的瓦特设计的第一台警戒雷达投入运行，有效地警戒了来自德国的轰炸机。1938年，美国研制成第一部能指挥火炮射击的火炮控制雷达。1940年，多腔磁控管的发明，使微波雷达的研制成为可能。1944年，自动跟踪飞机的雷达研制成功。1945年，能消除背景干扰显示运动目标的显示技术发明, 使雷达更加完善。在整个第二次世界大战期间,雷

11、达成了电磁场与电磁波理论最活跃的部分。卫星通信 1958年,美国发射低轨的“斯科尔”卫星成功, 这是第一颗用于通信的试验卫星。1964年,借助定点的同步通信卫星首次实现了美、 欧、非三大洲的通信和电视转播。1965年,第一颗商用定点同步卫星投入运行。1969年,大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定点同步通信卫星,卫星地球站已遍布世界各国，这些卫星地球站又和本国或本地区的通信网接通。 卫星定位 1964年，美国研究成功子午仪卫星导航系统。1973年美国提出了由24颗卫星组成的实用系统新方案，即GPS计划.1990年最终的GPS方案是由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。1945年，美国雷神公司把

12、磁控管用于微波加热，诞生了微波炉，如今磁控管依然是微波炉的核心源。70年代，电视、雷达、卫星通信、微波中继通信成为电磁波应用的主要领域，并迅速扩展到微波加热和微波遥感等领域。同时，射频电路、微波集成电路开始迅速发展。80-90年代，移动通信成为电磁波最耀眼的应用。由于民用，涉及千家万户，发展更为迅速，更为广泛，甚至改变了人类的生活习惯，也使电磁波、射频、天线成为寻常百姓都知道的词语。如今，电磁波应用几乎深入了各类领域，我们身边随处可见：手机、蓝牙、无线上网、卫星电视、GPS定位等等。课程内容设置矢量场论静电场恒定电流场恒定磁场时变电磁场电磁波课程难点与对策难点概念抽象：人不能直接感受到电磁场与

13、电磁波，只能间接认识，想象、假设、类比、推理不可缺少。数学繁复：只有数学可以严格描述电磁场与电磁波，并通过数学推理，得到电磁场与电磁波的概念、原理和性质。课程的逻辑关系、思维方式不习惯。对策加强数学素养，提高思维能力。运用类比法，记忆电磁场与电磁波现象，如水流、力线等。恰当定位：基本要求：基本方程、基本概念、简单计算中等要求：重要方程、主要概念、常用计算高级要求：全面掌握理论、概念与计算有始有终，永不放弃。课程要求课时安排共16周，64学时。每周一次作业，星期三上课前交成绩评定：期末考试70%，平时（出勤、作业等）30%。三次无故旷课，取消考试资格。教材：马冰然，电磁场与电磁波，华南理工大学出版社，2007.8马冰然，电磁场与电磁波学习指导与习题详解，华南理工大学出版社，2010年参考书【1】谢处方，电磁场与电磁波，高等教育出版社【2】 毕德显，电磁场理论，电子工业出版社【3】 郭硕鸿，电动力学（第二版）【4】 王蔷等，电磁场理论基础，清华大学出版社【5】 John Daniel, Kraus，Elect