电磁场与电磁波 绪论

主讲教师：田秀电磁场与电磁波》苏新彦徐美芳李新娥田秀荣电磁场与电磁波15-16-1学期上课要求及期末综合成绩计算方法1上课要求：（1）按时上课，不得迟到、早退、课间无故出教室。（2）上课不得看手机、接听手机、看其他书。（3）上课认真听讲，积极与老师互动回答问题。（4）上课期间不能吃任何食物，可以喝水。2期末综合成绩计算方法期末成绩占80%；平时成绩占20%，以20分计,具体为：（1）签到3次，每次2分，合计6分；（2）作业3次，合计3分；（3）实验2次，每次3分，包括做实验，实验报告，合计6分；（4）教师随机调节5分，根据第1条的上课要求给出；（5）所有同学必须签字确认。一、课程的性质一、课程的性质绪论一、课程的性质二、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、主要参考书一、课程的性质♥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之一♥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♥电类专业学生必修的专业基础课♥是电气工程师的必备知识♥是电磁理论的重要组成部分二、电磁场理论的发展1．电磁场理论的早期研究

电、磁现象是大自然最重要的客观现象，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、伏兰克林、伏特等科学家。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（特别是伏特1799年发明了电池）为电磁学理论的建立奠定了基础。2．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。

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。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。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，引进位移电流的概念。这个概念的核心思想是：变化着的电场能产生磁场，与变化着的磁场产生电场相对应。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，是经典电磁学的基本方程。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30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。三、电磁场理论的应用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。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。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。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。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。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，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。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。电子对抗

电子对抗也称为电子战，是指利用电磁能量、电磁频谱进行的军事对抗。包括：电子侦察（利用卫星、预警飞机等）；电子攻击（如电磁干扰、电磁脉冲武器、大功率微波武器、石墨炸弹等）；电子防护（抗干扰技术）。

1991年海湾战争是美军大规模实施电子对抗技术的战例，如美军充分利用了电磁干扰技术和隐身技术。首先利用隐形飞机、巡航导弹摧毁了伊军的指挥通信系统，然后利用电磁干扰飞机发射强大的电磁干扰信号，覆盖了伊拉克军用通信信号的整个频段，使伊军的通信设备完全瘫痪了，以致萨达姆最后下达的停火命令都是由美军传达的。隐身技术是利用电磁波吸收涂料和特殊的外形设计对电磁波的吸收、散射作用，使雷达接收不到飞机的回波信号。庞大的B-2B轰炸机的雷达截面仅和天空中的一个小鸟相当，以至于眼睛都看到飞机了，雷达还找不到。

海湾战争后，电子对抗技术在世界上引起很大的震动，我国也非常重视，投入很大的人力、物力进行研究，现在已经具备了进行大规模电子战的能力。电磁兼容随着科学技术的发展，越来越多的电子、电气设备进入了人们生活和生产的各个领域，这些设备在正常运行的同时也向外辐射电磁能量，可能对其他设备产生不良的影响，甚至造成严重的危害，这就是电磁干扰。采用一定的技术手段，使同一电磁环境的各种电子、电气设备都能正常工作，并且不干扰其他设备的正常工作，这就是电磁兼容（ElectromagneticCompatibility,EMC）。其他应用：

阴极射线示波器，喷墨打印机，矿物的分选，磁分离器，回旋加速器，磁流体发电机，电磁泵，磁悬浮列车，变压器，电磁炉，电磁式生物芯片，隐形飞机，电磁高速公路等等电磁炉是采用磁场感应涡流加热原理，他利用电流通过线圈产生磁场，当磁场内之磁力通过含铁质锅底部时，即会产生无数之小涡流，使锅体本身自行高速发热，然后再加热于锅内食物。电磁炉工作时产生的电磁波，完全被线圈底部的屏蔽层和顶板上的含铁质锅所吸收。电磁炉加热原理电磁炉是应用电磁感应原理对食品进行加热的。电磁炉的炉面是耐热陶瓷板，交变电流通过陶瓷板下方的线圈产生磁场，磁场内的磁力线穿过铁锅、不锈钢锅等底部时，产生涡流，令锅底迅速发热，达到加热食品的目的。其工作过程如下：交流电压经过整流器转换为直流电，又经高频电力转换装置使直流电变为超过音频的高频交流电，将高频交流电加在扁平空心螺旋状的感应加热线圈上，由此产生高频交变磁场。其磁力线穿透灶台的陶瓷台板而作用于金属锅。在烹饪锅体内因电磁感应就有强大的涡流产生。涡流克服锅体的内阻流动时完成电能向热能的转换，所产生的焦耳热就是烹调的热源。四、内容安排三种坐标系与场场源模型电磁场的基本物理量和基本实验定律静电场分析恒定磁场分析静态场边值问题的解法时变电磁场正弦平面电磁波

电磁场与电磁波教材体系的组织主要有两种：一种是先静态场后时变场的教材体系，如本书，从库化定律、安培定律出发，逐一介绍静电场、恒定磁场、时变场。这种教材体系的特点是起点低、学生较易接受，但与电磁学有较多内容重复。另一种是先时变场后静态场，并以时变场为主的教材体系，它从麦克斯韦方程组出发，先论述时变场、然后把静态场归结为时变场的一种特殊情况，最后再介绍静态场。这种体系压缩了静态场的内容，充实了时变场的内容，但起点高，学生不易接受。

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掌握静态场问题的基本求解方法了解电磁波的辐射原理训练分析问题、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按时上课，独立完成教师布置的课后作业

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】BhagSingh