2012電磁場(chǎng)與電磁波01-緒論

1、電磁場(chǎng)與電磁波Electromagnetic Fields and Waves 緒論主講：謝澤明華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院TEL:mail:內(nèi)容這門課程講什么為什么開設(shè)這門課電磁場(chǎng)理論和應(yīng)用發(fā)展簡(jiǎn)史課程內(nèi)容設(shè)置課程難點(diǎn)與對(duì)策課程要求 課程講什么統(tǒng)一的電磁場(chǎng)理論大樹理論的樹干：電場(chǎng)與磁場(chǎng)滿足的基本方程（麥克斯韋方程組）理論的樹枝之一：靜電場(chǎng)電場(chǎng)基本性質(zhì)和規(guī)律理論的樹枝之二：恒定電流場(chǎng)的基本性質(zhì)和規(guī)律理論的樹枝之三：恒定磁場(chǎng)的基本性質(zhì)和規(guī)律理論的樹枝之四：時(shí)變電磁場(chǎng)的基本性質(zhì)和規(guī)律理論的樹枝之五：電磁波的性質(zhì)和規(guī)律（專業(yè)的重要應(yīng)用）課程講什么與大學(xué)物理電磁學(xué)的異同相同點(diǎn)：

2、都是學(xué)習(xí)電場(chǎng)、磁場(chǎng)與電磁波的性質(zhì)和規(guī)律不同點(diǎn)：內(nèi)容不同：大學(xué)物理重點(diǎn)是電磁現(xiàn)象的學(xué)習(xí)，電磁場(chǎng)理論重點(diǎn)是建立各種電磁現(xiàn)象的邏輯聯(lián)系；數(shù)學(xué)工具不同：大學(xué)物理只涉及簡(jiǎn)單微積分，電磁場(chǎng)理論涉及矢量場(chǎng)論、偏微分方程和數(shù)理方程；目的不同：大學(xué)物理的目的是了解物理現(xiàn)象的本質(zhì)，電磁場(chǎng)理論是為了精確求解電磁場(chǎng)的分布，為后續(xù)課程提供理論基礎(chǔ)和工具為什么開設(shè)這門課 電磁場(chǎng)、電磁波是自然界中一種基本現(xiàn)象，一種獨(dú)立存在的物質(zhì)形式。摩擦起電：電荷間的作用力磁鐵：電流間的作用力無(wú)線電波：時(shí)變電磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)形式電磁場(chǎng)理論：各種宏觀電磁現(xiàn)象的本質(zhì)聯(lián)系和定量描述。電磁場(chǎng)理論：揭示新的電磁現(xiàn)象及其重要應(yīng)用。電磁波的發(fā)現(xiàn)無(wú)線通信介質(zhì)波

3、導(dǎo)的研究光纖通信超材料的研究電磁隱身下一個(gè)發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用？科學(xué)問(wèn)題為什么開設(shè)這門課電磁場(chǎng)、電磁波應(yīng)用廣泛。電磁場(chǎng)（或電磁波）作為能量的一種形式，是當(dāng)今世界最重要的能源，易于產(chǎn)生、儲(chǔ)存、變換、傳輸和綜合利用。電磁波作為信息傳輸?shù)妮d體，成為當(dāng)今社會(huì)發(fā)布和獲取信息的主要手段，主要研究領(lǐng)域?yàn)樾畔⒌漠a(chǎn)生、獲取、交換、傳輸、儲(chǔ)存、處理、再現(xiàn)和綜合利用。電磁波作為探測(cè)未知世界的一種重要手段，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡姶挪ㄅc目標(biāo)的相互作用特性、目標(biāo)探測(cè)及其特征的獲取。技術(shù)問(wèn)題水電輸電網(wǎng)絡(luò)電機(jī)微波爐電磁波加熱 各種分子、原子和原子核的諧振都發(fā)生在微波波段，這使得微波在基礎(chǔ)科學(xué)、醫(yī)學(xué)、遙感和加熱等領(lǐng)域有獨(dú)特的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)

4、絡(luò)電磁波通信網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)基站移動(dòng)用戶終端電磁波衛(wèi)星通信大氣窗口頻段的電磁波衛(wèi)星導(dǎo)航定位 （Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System GPS）射電天文雷達(dá) （ Radio Detection and Ranging，Radar）噴墨打印機(jī)礦石分選器磁分離器直流電動(dòng)機(jī)電磁波治療儀電磁場(chǎng)理論是電子、信息學(xué)科的基礎(chǔ)。電磁場(chǎng)理論電路理論天線理論電子技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、移動(dòng)通信、信息處理電波傳播微波、光纖電磁場(chǎng)理論與應(yīng)用發(fā)展簡(jiǎn)史電磁場(chǎng)理論的發(fā)展歷程公元前6世紀(jì)，希臘學(xué)者Thales發(fā)現(xiàn)用布摩擦過(guò)的琥珀能吸引輕微的物體。

5、16世紀(jì)吉爾伯特著論磁學(xué)，并根據(jù)琥珀的希臘文創(chuàng)造 electricity一詞。中國(guó)古代發(fā)明：司南1785年，庫(kù)侖（Coulomb，17361806，法國(guó)物理學(xué)家）利用扭秤測(cè)試了真空中兩個(gè)小電荷之間的吸引力，得到了著名的庫(kù)倫定律。其后Possion，Gauss等人的研究形成了靜電場(chǎng)的初期理論1786年，伽伐尼（A.L.Galvani，1737-1798,法國(guó)醫(yī)學(xué)家）發(fā)現(xiàn)了生物電流。1799年，伏打（Vlota，17451798，意大利物理學(xué)家）發(fā)明電池。1820年，奧斯特（H.C. Oersted, 1771-1851，丹麥物理學(xué)家）發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)，并創(chuàng)造了Electromagnetics一詞。

6、畢奧（J.B. Biot,1774-1862）和沙伐爾（Felix Savart, 1791-1841）法國(guó)物理學(xué)家，歸納出電流元的磁場(chǎng)定律。Lapalce給出更嚴(yán)格的數(shù)學(xué)形式。安培（A.M. Ampere,1775-1836 ，德國(guó)物理學(xué)家）在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得到了更為普遍的電動(dòng)力公式。1826年G.S Ohm（1789-1854）發(fā)現(xiàn)歐姆定律。1831年法拉第（M. Faraday，1791-1867，英國(guó)物理學(xué)家）經(jīng)過(guò)10年的多次失敗，終于取得突破，發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。法拉第的另一個(gè)貢獻(xiàn)是提出了磁力線概念，為形象地表述磁場(chǎng)提供途徑。1833年愣次發(fā)現(xiàn)了感應(yīng)電流的方向。1845年

7、紐曼以定律的形式給出了電磁感應(yīng)的定量規(guī)律。法拉第，出身貧寒，小學(xué)未畢業(yè)，但天生好學(xué)。11歲做報(bào)童。16歲做書籍裝訂工。這些工作讓他有機(jī)會(huì)接觸和學(xué)習(xí)很多知識(shí)。他酷愛(ài)聽(tīng)各種科學(xué)講座，使他有幸成為戴維實(shí)驗(yàn)助手，從此他在實(shí)驗(yàn)科學(xué)方面做出卓有成效的工作。1821年（30歲）成為英國(guó)皇家學(xué)院實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人。1824年（33歲）成為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。1864年J. C. Maxwell (1831-1879,英國(guó)物理學(xué)家，數(shù)學(xué)家）集前人之大成，富有創(chuàng)見(jiàn)地假設(shè)了位移電流，建立了著名的麥克斯韋方程，建立了完整的宏觀電磁場(chǎng)理論，并從理論上預(yù)測(cè)了電磁波的存在。 麥克斯韋出生時(shí)，是法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)后2個(gè)多月。神童，1

8、0歲進(jìn)愛(ài)丁堡學(xué)院學(xué)習(xí) ，15歲在“愛(ài)丁堡皇家學(xué)報(bào)”發(fā)表論文，卡文迪什試驗(yàn)室首任主任。死于癌癥。雖然只活了49 歲，但他卻寫了100多篇有價(jià)值的論文。是一位與牛頓、愛(ài)因斯坦相提并論的科學(xué)家。電磁波應(yīng)用簡(jiǎn)史1887年H. Hertz (1857-1894,德國(guó)物理學(xué)家) 實(shí)驗(yàn)證實(shí)了麥克斯韋方程的預(yù)言。 赫芝采用電火花間隙發(fā)射機(jī)和加載 偶極天線演示電磁波的傳播。 1890年赫茲又給出了麥克斯韋方程的最簡(jiǎn)潔形式，一直沿用至今。 赫茲這一重要的實(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，成為當(dāng)代最活躍的學(xué)科領(lǐng)域電報(bào) 1895年，意大利馬可尼（G. Marconi ）成功地進(jìn)行了2.

9、5公里的電報(bào)傳送實(shí)驗(yàn)。1896年，波波夫（A. Popov ）進(jìn)行了約250米的類似試驗(yàn)。1899年，電報(bào)跨越英吉利海峽的試驗(yàn)成功。1901年，跨越大西洋3200公里的試驗(yàn)成功。開始了電磁波信息傳輸?shù)臅r(shí)代。馬可尼以其在無(wú)線電報(bào)等領(lǐng)域的成就，獲得1909年的諾貝爾獎(jiǎng)獎(jiǎng)。電話 1876年, 美國(guó)科學(xué)家貝爾在美國(guó)建國(guó)100周年博覽會(huì)上展示了他所發(fā)明的電話。此后,電話便迅速普及開來(lái)。廣播 1906年，美國(guó)費(fèi)森登用50千赫頻率發(fā)電機(jī)作發(fā)射機(jī)，用微音器接天線實(shí)現(xiàn)調(diào)制，使大西洋航船上的報(bào)務(wù)員聽(tīng)到了他從波士頓播出的音樂(lè)。1919年，第一個(gè)定時(shí)播發(fā)語(yǔ)言和音樂(lè)的無(wú)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

10、成一座無(wú)線電廣播電臺(tái)。電視1884年，德國(guó)的尼普科夫提出機(jī)械掃描電視的設(shè)想。1927年，英國(guó)的貝爾德成功地用電話線路把圖像從倫敦傳至大西洋中的船上。1923年和1924年，茲沃霄金在相繼發(fā)明了攝像管和顯像管。1931年，世界上第一個(gè)全電子電視系統(tǒng)在美國(guó)出現(xiàn)。 雷達(dá)1936年，英國(guó)的瓦特設(shè)計(jì)的第一臺(tái)警戒雷達(dá)投入運(yùn)行，有效地警戒了來(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射擊的火炮控制雷達(dá)。1940年，多腔磁控管的發(fā)明，使微波雷達(dá)的研制成為可能。1944年，自動(dòng)跟蹤飛機(jī)的雷達(dá)研制成功。1945年，能消除背景干擾顯示運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的顯示技術(shù)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

11、達(dá)成了電磁場(chǎng)與電磁波理論最活躍的部分。衛(wèi)星通信 1958年,美國(guó)發(fā)射低軌的“斯科爾”衛(wèi)星成功, 這是第一顆用于通信的試驗(yàn)衛(wèi)星。1964年,借助定點(diǎn)的同步通信衛(wèi)星首次實(shí)現(xiàn)了美、 歐、非三大洲的通信和電視轉(zhuǎn)播。1965年,第一顆商用定點(diǎn)同步衛(wèi)星投入運(yùn)行。1969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)，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)星定位 1964年，美國(guó)研究成功子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。1973年美國(guó)提出了由24顆衛(wèi)星組成的實(shí)用系統(tǒng)新方案，即GPS計(jì)劃.1990年最終的GPS方案是由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。1945年，美國(guó)雷神公司把

12、磁控管用于微波加熱，誕生了微波爐，如今磁控管依然是微波爐的核心源。70年代，電視、雷達(dá)、衛(wèi)星通信、微波中繼通信成為電磁波應(yīng)用的主要領(lǐng)域，并迅速擴(kuò)展到微波加熱和微波遙感等領(lǐng)域。同時(shí)，射頻電路、微波集成電路開始迅速發(fā)展。80-90年代，移動(dòng)通信成為電磁波最耀眼的應(yīng)用。由于民用，涉及千家萬(wàn)戶，發(fā)展更為迅速，更為廣泛，甚至改變了人類的生活習(xí)慣，也使電磁波、射頻、天線成為尋常百姓都知道的詞語(yǔ)。如今，電磁波應(yīng)用幾乎深入了各類領(lǐng)域，我們身邊隨處可見(jiàn)：手機(jī)、藍(lán)牙、無(wú)線上網(wǎng)、衛(wèi)星電視、GPS定位等等。課程內(nèi)容設(shè)置矢量場(chǎng)論靜電場(chǎng)恒定電流場(chǎng)恒定磁場(chǎng)時(shí)變電磁場(chǎng)電磁波課程難點(diǎn)與對(duì)策難點(diǎn)概念抽象：人不能直接感受到電磁場(chǎng)與

13、電磁波，只能間接認(rèn)識(shí)，想象、假設(shè)、類比、推理不可缺少。數(shù)學(xué)繁復(fù)：只有數(shù)學(xué)可以嚴(yán)格描述電磁場(chǎng)與電磁波，并通過(guò)數(shù)學(xué)推理，得到電磁場(chǎng)與電磁波的概念、原理和性質(zhì)。課程的邏輯關(guān)系、思維方式不習(xí)慣。對(duì)策加強(qiáng)數(shù)學(xué)素養(yǎng)，提高思維能力。運(yùn)用類比法，記憶電磁場(chǎng)與電磁波現(xiàn)象，如水流、力線等。恰當(dāng)定位：基本要求：基本方程、基本概念、簡(jiǎn)單計(jì)算中等要求：重要方程、主要概念、常用計(jì)算高級(jí)要求：全面掌握理論、概念與計(jì)算有始有終，永不放棄。課程要求課時(shí)安排共16周，64學(xué)時(shí)。每周一次作業(yè)，星期三上課前交成績(jī)?cè)u(píng)定：期末考試70%，平時(shí)（出勤、作業(yè)等）30%。三次無(wú)故曠課，取消考試資格。教材：馬冰然，電磁場(chǎng)與電磁波，華南理工大學(xué)出版社，2007.8馬冰然，電磁場(chǎng)與電磁波學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題詳解，華南理工大學(xué)出版社，2010年參考書【1】謝處方，電磁場(chǎng)與電磁波，高等教育出版社【2】 畢德顯，電磁場(chǎng)理論，電子工業(yè)出版社【3】 郭碩鴻，電動(dòng)力學(xué)（第二版）【4】 王薔等，電磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)，清華大學(xué)出版社【5】 John Daniel, Kraus，Elect