電磁場(chǎng)與電磁波

1、電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版1一、課程的性質(zhì)一、課程的性質(zhì)二、電磁場(chǎng)理論的發(fā)展二、電磁場(chǎng)理論的發(fā)展三、電磁場(chǎng)理論的應(yīng)用三、電磁場(chǎng)理論的應(yīng)用 四、內(nèi)容安排四、內(nèi)容安排五、學(xué)習(xí)的目的、方法及其要求五、學(xué)習(xí)的目的、方法及其要求六、主要參考書六、主要參考書電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版2 電磁場(chǎng)電磁場(chǎng)（或電磁波）作為能量的一種形式，是當(dāng)今世界最（或電磁

2、波）作為能量的一種形式，是當(dāng)今世界最重要的能源之一重要的能源之一 電磁波電磁波作為信息傳輸?shù)妮d體，成為當(dāng)今人類社會(huì)發(fā)布和獲作為信息傳輸?shù)妮d體，成為當(dāng)今人類社會(huì)發(fā)布和獲取信息、探測(cè)未知世界的重要手段取信息、探測(cè)未知世界的重要手段一、課程的性質(zhì)一、課程的性質(zhì) 電類專業(yè)學(xué)生必修的技術(shù)基礎(chǔ)課電類專業(yè)學(xué)生必修的技術(shù)基礎(chǔ)課 是電氣工程師的必備知識(shí)是電氣工程師的必備知識(shí) 是電磁理論的重要組成部分是電磁理論的重要組成部分電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版31電磁場(chǎng)理論的早期研究電磁場(chǎng)理論的

3、早期研究 電、磁現(xiàn)象是大自然最重要的往來(lái)現(xiàn)象，也是最早被科學(xué)電、磁現(xiàn)象是大自然最重要的往來(lái)現(xiàn)象，也是最早被科學(xué)家們關(guān)心和研究的物理現(xiàn)象，其中貢獻(xiàn)最大的有家們關(guān)心和研究的物理現(xiàn)象，其中貢獻(xiàn)最大的有賴頓、富蘭克賴頓、富蘭克林、伏打林、伏打等科學(xué)家。等科學(xué)家。 19世紀(jì)以前，電、磁現(xiàn)象一直作為兩個(gè)獨(dú)立的物理現(xiàn)象，世紀(jì)以前，電、磁現(xiàn)象一直作為兩個(gè)獨(dú)立的物理現(xiàn)象，沒有人發(fā)現(xiàn)它們之間的相互聯(lián)系。但是這些研究（特別是沒有人發(fā)現(xiàn)它們之間的相互聯(lián)系。但是這些研究（特別是伏打伏打1799年發(fā)明了電池）為電磁學(xué)理論的建立奠定了基礎(chǔ)。年發(fā)明了電池）為電磁學(xué)理論的建立奠定了基礎(chǔ)。二、電磁場(chǎng)理論的發(fā)展二、電磁場(chǎng)理論的發(fā)展

4、電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版42電磁場(chǎng)理論的建立電磁場(chǎng)理論的建立 18世紀(jì)末期，德國(guó)哲學(xué)家世紀(jì)末期，德國(guó)哲學(xué)家謝林謝林認(rèn)為，宇宙是有活力的，認(rèn)為，宇宙是有活力的，而不是僵死的。他認(rèn)為電就是宇宙的活力，是宇宙的靈魂，而不是僵死的。他認(rèn)為電就是宇宙的活力，是宇宙的靈魂，電、磁、光、熱是相互聯(lián)系的。電、磁、光、熱是相互聯(lián)系的。 奧斯特奧斯特是是謝林謝林的信徒，他從的信徒，他從1807年開始研究電、磁之間年開始研究電、磁之間的關(guān)系。的關(guān)系。1820年，他發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針

5、。年，他發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針。 安培安培發(fā)現(xiàn)作用力的方向、電流的方向、磁針到通電導(dǎo)線發(fā)現(xiàn)作用力的方向、電流的方向、磁針到通電導(dǎo)線的垂直方向是相互垂直的，并定量建立了若干數(shù)學(xué)公式。的垂直方向是相互垂直的，并定量建立了若干數(shù)學(xué)公式。電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版5 法拉第法拉第 在在謝林謝林的影響下，相信電、磁、光、熱是相互聯(lián)的影響下，相信電、磁、光、熱是相互聯(lián)系的。奧斯特系的。奧斯特1820年發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針后，法拉第敏銳年發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針后，法拉第敏銳地意

6、識(shí)到，電可以對(duì)磁產(chǎn)生作用，磁也一定能夠?qū)﹄姰a(chǎn)生影響。地意識(shí)到，電可以對(duì)磁產(chǎn)生作用，磁也一定能夠?qū)﹄姰a(chǎn)生影響。1821年他開始探索磁生電的實(shí)驗(yàn)。年他開始探索磁生電的實(shí)驗(yàn)。1831年他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁棒插入年他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁棒插入導(dǎo)體線圈時(shí)，線圈中就會(huì)產(chǎn)生電流。這表明，電與磁之間存在導(dǎo)體線圈時(shí)，線圈中就會(huì)產(chǎn)生電流。這表明，電與磁之間存在著密切的聯(lián)系。著密切的聯(lián)系。 麥克斯韋麥克斯韋 深入研究并探討了電與磁之間發(fā)生作用的問(wèn)題，深入研究并探討了電與磁之間發(fā)生作用的問(wèn)題，發(fā)展了場(chǎng)的概念。在法拉第實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了宏觀電磁現(xiàn)發(fā)展了場(chǎng)的概念。在法拉第實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，引進(jìn)位移電流的概念。這個(gè)概

7、念的核心思想是：變象的規(guī)律，引進(jìn)位移電流的概念。這個(gè)概念的核心思想是：變化著的電場(chǎng)能產(chǎn)生磁場(chǎng)，與變化著的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)相對(duì)應(yīng)。在化著的電場(chǎng)能產(chǎn)生磁場(chǎng)，與變化著的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)相對(duì)應(yīng)。在此基礎(chǔ)上提出了一套偏微分方程來(lái)表述電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律，此基礎(chǔ)上提出了一套偏微分方程來(lái)表述電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律，稱為麥克斯韋方程組，是經(jīng)典電磁學(xué)的基本方程。稱為麥克斯韋方程組，是經(jīng)典電磁學(xué)的基本方程。電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版63電磁場(chǎng)理論的發(fā)展電磁場(chǎng)理論的發(fā)展 在麥克斯韋方程建立后的一百多年

8、里在麥克斯韋方程建立后的一百多年里,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電磁理論得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，尤其近展，電磁理論得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，尤其近30年來(lái)，年來(lái)，無(wú)無(wú)線電電子學(xué)、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)線電電子學(xué)、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，的飛速發(fā)展，生物電磁學(xué)、生物電磁學(xué)、環(huán)境電磁學(xué)環(huán)境電磁學(xué)和和電磁兼容電磁兼容等學(xué)科的建立，向電磁理論提出了許等學(xué)科的建立，向電磁理論提出了許多新的研究課題，使現(xiàn)代電磁理論得到了迅速的發(fā)展。多新的研究課題，使現(xiàn)代電磁理論得到了迅速的發(fā)展。電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社

9、高等教育電子音像出版社 出版出版7 1887年，德國(guó)科學(xué)家年，德國(guó)科學(xué)家赫茲赫茲用火花隙激勵(lì)一個(gè)環(huán)狀天線，用火花隙激勵(lì)一個(gè)環(huán)狀天線，用另一個(gè)帶隙的環(huán)狀天線接收，證實(shí)了用另一個(gè)帶隙的環(huán)狀天線接收，證實(shí)了麥克斯韋麥克斯韋關(guān)于電磁波關(guān)于電磁波存在的預(yù)言，這一重要的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致了后來(lái)無(wú)線電報(bào)的發(fā)明。存在的預(yù)言，這一重要的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致了后來(lái)無(wú)線電報(bào)的發(fā)明。從此開始了電磁場(chǎng)理論應(yīng)用與發(fā)展時(shí)代，并且發(fā)展成為當(dāng)代從此開始了電磁場(chǎng)理論應(yīng)用與發(fā)展時(shí)代，并且發(fā)展成為當(dāng)代最引人注目的學(xué)科之一。最引人注目的學(xué)科之一。三、電磁場(chǎng)理論的應(yīng)用三、電磁場(chǎng)理論的應(yīng)用 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出

10、版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版8無(wú)線電報(bào)無(wú)線電報(bào): 1895年，意大利年，意大利馬可尼馬可尼成功地進(jìn)行了成功地進(jìn)行了2.5km距離的無(wú)線距離的無(wú)線電報(bào)傳送實(shí)驗(yàn)；電報(bào)傳送實(shí)驗(yàn)；1896年，年，波波夫波波夫進(jìn)行了約進(jìn)行了約250m米距離的類米距離的類似試驗(yàn)；似試驗(yàn)； 1899年年, 無(wú)線電報(bào)跨越英吉利海峽的試驗(yàn)成功；無(wú)線電報(bào)跨越英吉利海峽的試驗(yàn)成功；1901年，跨越大西洋的年，跨越大西洋的3200km距離的試驗(yàn)成功。距離的試驗(yàn)成功。馬可尼馬可尼以以其在無(wú)線電報(bào)等領(lǐng)域的成就，獲得了其在無(wú)線電報(bào)等領(lǐng)域的成就，獲得了1909年的諾貝爾物理學(xué)年的諾貝

11、爾物理學(xué)獎(jiǎng)。無(wú)線電報(bào)的發(fā)明，開始了利用電磁波時(shí)期。獎(jiǎng)。無(wú)線電報(bào)的發(fā)明，開始了利用電磁波時(shí)期。有線電話有線電話: 1876年，美國(guó)年，美國(guó)A.G. 貝爾貝爾在美國(guó)建國(guó)在美國(guó)建國(guó)100周年博覽會(huì)上展示周年博覽會(huì)上展示了他所發(fā)明的有線電話。了他所發(fā)明的有線電話。 此后，有線電話便迅速普及開來(lái)。此后，有線電話便迅速普及開來(lái)。電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版9電視電視: : 1884年，德國(guó)年，德國(guó)尼普科夫尼普科夫提出機(jī)械掃描電視的設(shè)想；提出機(jī)械掃描電視的設(shè)想；1927年，英國(guó)年，

12、英國(guó)貝爾德貝爾德成功地用電話線路把圖像從倫敦傳至大西洋成功地用電話線路把圖像從倫敦傳至大西洋中的船上；中的船上；茲沃霄金茲沃霄金在在1923和和1924 年相繼發(fā)明了攝像管和顯年相繼發(fā)明了攝像管和顯像管；像管；1931年，他組裝成世界上第一個(gè)全電子電視系統(tǒng)。年，他組裝成世界上第一個(gè)全電子電視系統(tǒng)。廣播廣播: : 1906年，美國(guó)年，美國(guó)費(fèi)森登費(fèi)森登用用50kHz頻率發(fā)電機(jī)作發(fā)射機(jī)，用微頻率發(fā)電機(jī)作發(fā)射機(jī)，用微音器接入天線實(shí)現(xiàn)調(diào)制，使大西洋航船上的報(bào)務(wù)員聽到了他從音器接入天線實(shí)現(xiàn)調(diào)制，使大西洋航船上的報(bào)務(wù)員聽到了他從波士頓播出的音樂(lè)；波士頓播出的音樂(lè)；1919年，第一個(gè)定時(shí)播發(fā)語(yǔ)言和音樂(lè)的無(wú)年，

13、第一個(gè)定時(shí)播發(fā)語(yǔ)言和音樂(lè)的無(wú)線電廣播電臺(tái)在英國(guó)建成；次年，在美國(guó)的匹茲堡城又建成一線電廣播電臺(tái)在英國(guó)建成；次年，在美國(guó)的匹茲堡城又建成一座無(wú)線電廣播電臺(tái)。座無(wú)線電廣播電臺(tái)。電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版10雷達(dá)雷達(dá): : 第第二次世界大戰(zhàn)前夕，飛機(jī)成為主要進(jìn)攻武器。英、美、二次世界大戰(zhàn)前夕，飛機(jī)成為主要進(jìn)攻武器。英、美、德、法等國(guó)競(jìng)相研制一類能夠早期警戒飛機(jī)的裝置。德、法等國(guó)競(jìng)相研制一類能夠早期警戒飛機(jī)的裝置。1936年，年，英國(guó)的英國(guó)的瓦特瓦特設(shè)計(jì)的警戒雷達(dá)最先投入了

14、運(yùn)行，有效地警戒了設(shè)計(jì)的警戒雷達(dá)最先投入了運(yùn)行，有效地警戒了來(lái)自德國(guó)的轟炸機(jī)。來(lái)自德國(guó)的轟炸機(jī)。1938年，美國(guó)研制成第一部能指揮火炮年，美國(guó)研制成第一部能指揮火炮射擊的火炮控制雷達(dá)。射擊的火炮控制雷達(dá)。1940年，多腔磁控管的發(fā)明，使微波年，多腔磁控管的發(fā)明，使微波雷達(dá)的研制成為可能。雷達(dá)的研制成為可能。1944年，能夠自動(dòng)跟蹤飛機(jī)的雷達(dá)研年，能夠自動(dòng)跟蹤飛機(jī)的雷達(dá)研制成功。制成功。1945年，能消除背景干擾、顯示運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的顯示技年，能消除背景干擾、顯示運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的顯示技術(shù)的發(fā)明，使雷達(dá)更加完善。在整個(gè)第二次世界大戰(zhàn)期間，術(shù)的發(fā)明，使雷達(dá)更加完善。在整個(gè)第二次世界大戰(zhàn)期間，雷達(dá)成了電磁場(chǎng)理論最

15、活躍的部分。雷達(dá)成了電磁場(chǎng)理論最活躍的部分。電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版11衛(wèi)星通信技術(shù)衛(wèi)星通信技術(shù): 1958年，年， 美國(guó)發(fā)射低軌道美國(guó)發(fā)射低軌道“斯科爾斯科爾”衛(wèi)星成功，這是第一顆衛(wèi)星成功，這是第一顆用于通信的試驗(yàn)衛(wèi)星。用于通信的試驗(yàn)衛(wèi)星。1964年，年，借助定點(diǎn)同步通信衛(wèi)星首次實(shí)借助定點(diǎn)同步通信衛(wèi)星首次實(shí)現(xiàn)了美、現(xiàn)了美、 歐、非三大洲的通信和電視轉(zhuǎn)播。歐、非三大洲的通信和電視轉(zhuǎn)播。1965年，第一顆商年，第一顆商用定點(diǎn)同步衛(wèi)星投入運(yùn)行。用定點(diǎn)同步衛(wèi)星投入運(yùn)行。

16、1969年，大西洋、太平洋和印度洋年，大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定點(diǎn)同步通信衛(wèi)星。衛(wèi)星地球站已遍布世界各國(guó)，上空均已有定點(diǎn)同步通信衛(wèi)星。衛(wèi)星地球站已遍布世界各國(guó)，這些衛(wèi)星地球站又和本國(guó)或本地區(qū)的通信網(wǎng)接通。衛(wèi)星通信經(jīng)這些衛(wèi)星地球站又和本國(guó)或本地區(qū)的通信網(wǎng)接通。衛(wèi)星通信經(jīng)歷歷10年的發(fā)展，終趨于成熟。年的發(fā)展，終趨于成熟。電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版12衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù): : 1957年衛(wèi)星發(fā)射成功后，人們?cè)噲D將雷達(dá)引入衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)年衛(wèi)星發(fā)射成功后，人們?cè)噲D

17、將雷達(dá)引入衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)以衛(wèi)星為基地對(duì)地球表面及近地空間目標(biāo)的定位和導(dǎo)航。以衛(wèi)星為基地對(duì)地球表面及近地空間目標(biāo)的定位和導(dǎo)航。1958年底，美國(guó)開始研究實(shí)施這一計(jì)劃，于年底，美國(guó)開始研究實(shí)施這一計(jì)劃，于1964年研究成功子午儀年研究成功子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。1973年美國(guó)提出了由年美國(guó)提出了由24顆衛(wèi)星組成的實(shí)用系統(tǒng)顆衛(wèi)星組成的實(shí)用系統(tǒng)新方案，即新方案，即GPS計(jì)劃。計(jì)劃。1990年最終的年最終的GPS方案是由方案是由21顆工作衛(wèi)顆工作衛(wèi)星和星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。顆在軌備用衛(wèi)星組成。電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 &

18、高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版13其他應(yīng)用其他應(yīng)用： 陰極射線示波器，噴墨打印機(jī)，礦物的分選，磁陰極射線示波器，噴墨打印機(jī)，礦物的分選，磁分離器，回旋加速器，磁流體發(fā)電機(jī)，電磁泵，磁懸浮分離器，回旋加速器，磁流體發(fā)電機(jī)，電磁泵，磁懸浮列車，變壓器，電磁爐，電磁式生物芯片，隱形飛機(jī)，列車，變壓器，電磁爐，電磁式生物芯片，隱形飛機(jī)，電磁高速公路等等電磁高速公路等等電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版14矢量分析矢量分析電磁場(chǎng)的基本規(guī)律電磁場(chǎng)的基本規(guī)律靜態(tài)電

19、磁場(chǎng)及其邊值問(wèn)題的解靜態(tài)電磁場(chǎng)及其邊值問(wèn)題的解時(shí)變電磁場(chǎng)時(shí)變電磁場(chǎng)均勻平面波在無(wú)界空間中的傳播均勻平面波在無(wú)界空間中的傳播均勻平面波的反射和透射均勻平面波的反射和透射導(dǎo)行電磁波導(dǎo)行電磁波電磁輻射電磁輻射 四、內(nèi)容安排四、內(nèi)容安排根據(jù)紙質(zhì)主教材，本教案也分八章根據(jù)紙質(zhì)主教材，本教案也分八章電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版15五、學(xué)習(xí)的目的、方法及其要求五、學(xué)習(xí)的目的、方法及其要求掌握宏觀電磁場(chǎng)的基本屬性和運(yùn)動(dòng)規(guī)律掌握宏觀電磁場(chǎng)的基本屬性和運(yùn)動(dòng)規(guī)律掌握宏觀電磁波的傳播規(guī)律掌握

20、宏觀電磁波的傳播規(guī)律了解電磁波的輻射原理了解電磁波的輻射原理掌握靜態(tài)場(chǎng)問(wèn)題的基本求解方法掌握靜態(tài)場(chǎng)問(wèn)題的基本求解方法訓(xùn)練分析問(wèn)題、歸納問(wèn)題的科學(xué)方法訓(xùn)練分析問(wèn)題、歸納問(wèn)題的科學(xué)方法培養(yǎng)用數(shù)學(xué)方法解決實(shí)際問(wèn)題的能力培養(yǎng)用數(shù)學(xué)方法解決實(shí)際問(wèn)題的能力獨(dú)立完成作業(yè)獨(dú)立完成作業(yè)電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版16六、主要參考書六、主要參考書【1】 謝處方，饒克謹(jǐn)謝處方，饒克謹(jǐn). 電磁場(chǎng)與電磁波（第電磁場(chǎng)與電磁波（第3版）版）. 北京：高等教育出版社，北京：高等教育出版社，1999【2】 Liang Chi Shen, Jin Au Kong . Applied Electromagnet