电磁场与电磁波 绪论

电磁场与电磁波任课教师：陈其科1联系方式：E_mail：qkchen@电话：61830311总学时:80课时（课堂：68，课程设计：6，实验：6）教材：《电磁场与电磁波》（第四版）成绩构成：平时（10％）＋阶段考试（10%）＋期中考试（10％）＋实验（10％）＋

期末（60％）/

暂定

2一、课程的性质和任务二、电磁场理论的发展

三、电磁场理论的应用四、内容安排五、学习的目的、方法及其要求六、主要参考书3♥电磁波作为信息传输的载体，成为当今人类社会发布和获取信息、探测未知世界的重要手段♥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量形式之一一、课程的性质和任务♥是电磁理论的重要组成部分♥电类专业学生必修的技术基础课♥是电气工程师的必备知识4一、课程的性质和任务近代科学的发展表明，电磁场与电磁波基本理论又是一些交叉学科的生长点和新兴边缘学科发展的基础，而且对完善科学素养，增强适应能力和创造能力长远地发挥作用。本课程在“大学物理（电磁学）”的基础上，进一步研究宏观电磁现象和电磁过程的基本规律及其分析计算方法。通过本课程的学习，掌握基本的宏观电磁理论，具备分析和解决基本的电磁场工程问题的能力。5一、课程的性质和任务本课程知识体系地位：承上启下：大学物理电磁学←本课程→微波技术、高等电磁场边缘学科：电磁兼容性（ElectromagneticCompatibility—EMC）生物电磁学61．电磁场理论的早期研究

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，其中贡献最大的有赖顿、富兰克林、伏打等科学家。19世纪以前，电、磁现象一直作为两个独立的物理现象，没有人发现它们之间的相互联系。但是这些研究（特别是伏打1799年发明了电池）为电磁学理论的建立奠定了基础。二、电磁场理论的发展72．电磁场理论的建立

18世纪末期，德国哲学家谢林认为，宇宙是有活力的，而不是僵死的。他认为电就是宇宙的活力，是宇宙的灵魂，电、磁、光、热是相互联系的。

奥斯特是谢林的信徒，他从1807年开始研究电、磁之间的关系。1820年，他发现电流以力作用于磁针（电流的磁效应）。

安培发现作用力的方向、电流的方向、磁针到通电导线的垂直方向是相互垂直的，并定量建立了若干数学公式（安培力定律）。8

法拉第

在谢林的影响下，相信电、磁、光、热是相互联系的。奥斯特1820年发现电流以力作用于磁针后，法拉第敏锐地意识到，电可以对磁产生作用，磁也一定能够对电产生影响。1821年他开始探索磁生电的实验。1831年他发现，当磁棒插入导体线圈时，线圈中就会产生电流（法拉第电磁感应定律）。这表明，电与磁之间存在着密切的联系。

麦克斯韦

深入研究并探讨了电与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上，总结了宏观电磁现象的规律，引入位移电流的概念。在此基础上提出了一套偏微分方程来表述电磁现象的基本规律，称为麦克斯韦方程组，预言了电磁波的存在，麦克斯韦方程组是经典电磁学的基本方程。9

3．电磁场理论的发展

在麦克斯韦方程建立后的一百多年里,随着科学技术的发展，电磁理论得到了广泛的应用和发展，尤其近40年来，无线电电子学、计算机和网络技术的飞速发展，生物电磁学、环境电磁学和电磁兼容等学科的建立，向电磁理论提出了许多新的研究课题，使现代电磁理论得到了迅速的发展。10

三、电磁场理论的工程应用

（1）静电场的应用静电放电、静电感应、静电屏蔽、电场力（2）恒定电流场的应用

电镀工艺、电力工程、地质勘探、油井测量、超导技术（3）恒定磁场的应用发电机、电动机、电气仪表、电磁铁、示波管、显像管、磁控管、质谱仪、电子计算机、电子显微镜、回旋加速器、磁悬浮列车和磁悬浮轴承11

三、电磁场理论的工程应用

（4）平面波反射与折射定律的应用性能优越的隐形飞行器的设计必须依靠空气动力学家和电磁学家的共同合作才能完成（5）平面波极化特性的应用圆极化雷达、无线通信中的极化问题、微波器件（6）缩波、透波、和吸波效应的应用缩短效应：电磁波在媒质中的波长比真空中的波长短的现象透波效应：电磁波穿透媒质的能力吸波效应：媒质吸收电磁波的能力12

三、电磁场理论的工程应用

（7）导行波的应用双导线传输系统、同轴线、微带传、金属波导、光纤（8）电磁辐射的应用天线、无线通信系统、无线局域网(蓝牙技术)、全球卫星定位系统GPS(GlobalPositioningSystem)军工、农业、医疗、地质勘探以及天文地理等领域（9）电磁兼容的应用

所谓电磁兼容是指：电子和电气设备在一定的电磁环境下，能够正常工作的能力。同时各种电子和电气设备本身产生的电磁辐射不允许超过一定的限度。这就是所谓电子和电气设备的抗扰和电磁干扰的性能。13

电磁场最重要的应用方向——信息传递媒介。1887年，德国科学家赫兹用火花隙激励一个环状天线，用另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。从此开始了电磁场理论应用与发展时代，并且发展成为当代最引人注目的学科之一。

三、电磁场理论的工程应用

14无线电报:

1895年，意大利马可尼成功地进行了2.5km距离的无线电报传送实验；1896年，波波夫进行了约250m米距离的类似试验；1899年,无线电报跨越英吉利海峡的试验成功；1901年，跨越大西洋的3200km距离的试验成功。马可尼以其在无线电报等领域的成就，获得了1909年的诺贝尔物理学奖。无线电报的发明，开始了利用电磁波时期。有线电话:

1876年，美国A.G.贝尔在美国建国100周年博览会上展示了他所发明的有线电话。此后，有线电话便迅速普及开来。15

电视:

1884年，德国尼普科夫提出机械扫描电视的设想；1927年，英国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；兹沃霄金在1923和1924年相继发明了摄像管和显像管；1931年，他组装成世界上第一个全电子电视系统。

广播:

1906年，美国费森登用50kHz频率发电机作发射机，用微音器接入天线实现调制，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成一座无线电广播电台。16雷达:

第二次世界大战前夕，飞机成为主要进攻武器。英、美、德、法等国竞相研制一类能够早期警戒飞机的装置。1936年：英国的瓦特设计的警戒雷达最先投入了运行，有效地警戒了来自德国的轰炸机；1938年：美国研制成第一部火炮控制雷达；1940年：多腔磁控管发明成功，微波雷达研制成为可能；1944年：能够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的发明，使雷达更加完善。在整个第二次世界大战期间，雷达成了电磁场理论最活跃的部分。17卫星通信技术:

1958年，美国发射低轨道“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。卫星通信经历10年的发展，终趋于成熟。18卫星定位技术:

1957年卫星发射成功后，人们试图将雷达引入卫星，实现以卫星为基地对地球表面及近地空间目标的定位和导航。1958年底，美国开始研究实施这一计划，于1964年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。中国的北斗，欧洲的伽利略计划都是未来可能出现的卫星定位系统。19矢量分析(7学时)电磁场的基本规律（12学时）静态电磁场及其边值问题的解(15学时)时变电磁场(5学时)均匀平面波在无界空间中的传播（8学时)均匀平面波的反射和透射(11学时）导行电磁波（5学时）电磁辐射（3学时）四、内容安排根据纸质主教材，本教案也分八章：20五、学习的目的、方法及其要求

掌握宏观电磁场的基本属性和运动规律掌握宏观电磁波的传播规律了解电磁波的辐射原理掌握静态场问题的基本求解方法训练分析问题、归纳问题的科学方法培养用数学方法解决实际问题的能力独立完成作业

21六、主要参考书【1】谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波（第3版）.北京：高等教育出版社，1999【2】LiangChiShen,JinAuKong.AppliedElectromagnetism.2nded.PWSPublishingCompany,1987【3】JohnD.Kraus,DanielA.Fleisch.ElectromagneticsWithApplications.5nded（影印版）.北京：清华大学出版社，2001【4】WilliamH.Hayt,Jr.JohnA.Buck著.工程电磁学（第六版）.徐安士,周乐柱译.北京：电子工业出版社，2004【5】BhagSinghGuru,HüseyinR.Hiziroglu著.电磁场与电磁波.周克定等译.北京：机械工业出版社，2002【6】杨儒贵.电磁场与电磁波.北京：高等教育出版社，2003【7】赵家升，杨显清，王园.电磁场与波典型题解析及自测试题.西安：西北工业大学出版社，2002【8】冯林，杨显清，王园等编著.电磁场与电磁波.北京：机械工业出版社，2004【9】杨显清，王园，赵家升.电磁场与电磁波（第4版）教学指导书.北京：高等教育出版社，200622难点分析和处理问题的方法——数学门槛