變化電磁場(chǎng)的基本規(guī)律

1、變化電磁場(chǎng)的基本規(guī)律第1頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)56分，星期二一、課程簡(jiǎn)介二、電磁場(chǎng)理論的主要研究領(lǐng)域 三、磁場(chǎng)理論發(fā)展簡(jiǎn)史 四、電磁場(chǎng)理論的主要研究對(duì)象五、課程體系六、教材與參考書目七、學(xué)習(xí)的目的、方法及其要求 緒 論第2頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)56分，星期二一、課程簡(jiǎn)介 本課程將在“大學(xué)物理（電磁學(xué)）”的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究宏觀電磁現(xiàn)象和電磁過程的基本規(guī)律及其分析計(jì)算方法。通過課程的學(xué)習(xí)，掌握基本的宏觀電磁理論，具備分析和解決基本的電磁場(chǎng)工程問題的能力。第3頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)56分，星期二 是高等學(xué)校電子信息類及電氣信息類專業(yè)本科生

2、必修的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，課程涵蓋的內(nèi)容是合格的電子、電氣信息類專業(yè)本科學(xué)生所應(yīng)具備的知識(shí)結(jié)構(gòu)的重要組成部分。近代科學(xué)的發(fā)展表明，電磁場(chǎng)與電磁波基本理論又是一些交叉學(xué)科的生長(zhǎng)點(diǎn)和新興邊緣學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)，而且對(duì)完善自身素質(zhì)，增強(qiáng)適應(yīng)能力和創(chuàng)造能力長(zhǎng)遠(yuǎn)地發(fā)揮作用。 電磁場(chǎng)理論與微波技術(shù)第4頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)56分，星期二電磁場(chǎng)與電磁波是通信專業(yè)本科學(xué)生必須具備的知識(shí)結(jié)構(gòu)的重要組成部分之一。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握電磁場(chǎng)的基本規(guī)律，深刻理解麥克斯韋方程組和電磁場(chǎng)、電磁波的性質(zhì)；熟悉一些重要的電磁場(chǎng)問題的數(shù)學(xué)模型（如波動(dòng)方程、拉氏方程等）的建立過程以及分析方法；培養(yǎng)學(xué)生正確的思

3、維方法和分析問題的能力，使學(xué)生對(duì)場(chǎng)與路這兩種既密切相關(guān)又相距甚遠(yuǎn)的理論有深刻的認(rèn)識(shí)，并學(xué)會(huì)用場(chǎng)的觀點(diǎn)去觀察、分析和計(jì)算一些簡(jiǎn)單、典型的場(chǎng)的問題；為從事微波、天線、電子技術(shù)、通信和電磁兼容等領(lǐng)域的研究及解決實(shí)際問題打下必要的基礎(chǔ)電磁場(chǎng)與電磁波是電子信息科學(xué)與技術(shù)、通信專業(yè)后續(xù)課程，如：無(wú)線通信原理與應(yīng)用、現(xiàn)代通信技術(shù)、電磁工程EMC、通信原理和微波技術(shù)以及研究生有關(guān)的課程如：高等電磁理論、電磁場(chǎng)數(shù)值方法、電磁場(chǎng)高頻方法和電磁波傳播理論的重要基礎(chǔ)。第5頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)56分，星期二作為理論物理學(xué)的一個(gè)重要研究分支，主要致力于統(tǒng)一場(chǎng)理論和微觀量子電動(dòng)力學(xué)的研究。電磁場(chǎng)的重要

4、研究領(lǐng)域作為無(wú)線電技術(shù)的理論基礎(chǔ)，集中于三大類應(yīng)用問題的研究。二、電磁場(chǎng)理論的主要研究領(lǐng)域第6頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)56分，星期二 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，其研究領(lǐng)域涉及電磁能量的產(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)今人類社會(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)特征的獲取與重建、探測(cè)新技術(shù)等。 三大類應(yīng)用問題：第7頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4

5、點(diǎn)56分，星期二三、磁場(chǎng)理論發(fā)展簡(jiǎn)史 1電磁場(chǎng)理論的早期研究 電、磁現(xiàn)象是大自然最重要的往來(lái)現(xiàn)象，也最早被科學(xué)家們關(guān)心和研究的物理現(xiàn)象，其中貢獻(xiàn)最大的有來(lái)頓、富蘭克林、伏打等科學(xué)家。 19世紀(jì)以前，電、磁現(xiàn)象作為兩個(gè)獨(dú)立的物理現(xiàn) 象，沒有發(fā)現(xiàn)電與磁的聯(lián)系。但是由于這些研究 （特別是伏打1799年發(fā)明了電池），為電磁學(xué)理論的建立奠定了基礎(chǔ)。第8頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)56分，星期二18世紀(jì)末期，德國(guó)哲學(xué)家謝林認(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；電、磁、光、熱是相互聯(lián)系的。奧斯特是謝林的信徒，他從1807年開始研究電磁之間的關(guān)系。1820年，

6、他發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針。2電磁場(chǎng)理論的建立第9頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)56分，星期二安培發(fā)現(xiàn)作用力的方向和電流的方向以及磁針到通過電流的導(dǎo)線的垂直線方向相互垂直，并定量建立了若干數(shù)學(xué)公式。法拉第在謝林的影響下，相信電、磁、光、熱是相互聯(lián)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)。1831年他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁捧插入導(dǎo)體線圈時(shí)；導(dǎo)線圈中就產(chǎn)生電流。這表明，電與磁之間存在著密切的聯(lián)系。第10頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)56分，星期二 麥克斯韋深入研究并探討了電與磁之間發(fā)

7、生作用的問題，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)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)。在此基礎(chǔ)上提出了一套偏微分方程來(lái)表達(dá)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。第11頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)56分，星期二3電磁場(chǎng)理論的應(yīng)用和發(fā)展 1887年，德國(guó)科學(xué)家赫茲用火花隙激勵(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)了麥克斯韋關(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。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。第12頁(yè)

8、，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)56分，星期二 無(wú)線電報(bào) 1895年，意大利馬可尼成功地進(jìn)行了2.5公里距離的無(wú)線電報(bào)傳送實(shí)驗(yàn)。1896年，波波夫進(jìn)行了約250米距離的類似試驗(yàn), 1899年, 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3200公里距離的試驗(yàn)成功。馬可尼以其在無(wú)線電報(bào)等領(lǐng)域的成就，獲得了1909年的諾貝爾獎(jiǎng)金物理學(xué)獎(jiǎng)。無(wú)線電報(bào)的發(fā)明，開始了利用電磁波時(shí)期。 有線電話 1876年,美國(guó)A.G.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 的有線電話。此后,有線電話便迅速普及開來(lái)。第13頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)56分，星期二 廣播 190

9、6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。1919年，第一個(gè)定時(shí)播發(fā) 語(yǔ)言和音樂的無(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座無(wú)線電廣播電臺(tái)。 電視 1884年，德國(guó)尼普科夫提出機(jī)械掃描電視的設(shè)想，1927年，英國(guó)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。茲沃霄金在1923和1924年相繼發(fā)明了攝像管和顯像管。1931年，他組裝成世界上第一個(gè)全電子電視系統(tǒng)。第14頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)56分，星期二雷達(dá)（Radio Detection and Ranging）二次世

10、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。1936年，英國(guó)的瓦特設(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)。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，微波雷達(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)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)理論最活躍的部分。第15頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)56分，星期二衛(wèi)星通信技術(shù) 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

11、試驗(yàn)衛(wèi)星。1964年,借助定點(diǎn)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)星通信經(jīng)歷10年的發(fā)展，終趨于成熟。第16頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)56分，星期二 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)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1964年研究成功子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。1973年美國(guó)提出了由24顆衛(wèi)星組

12、成的實(shí)用系統(tǒng)新方案，即GPS計(jì)劃。它是英文Navigation Satellite Timing and Ranging /Global Positioning System 的字頭縮寫NAVSTAR/GPS的簡(jiǎn)稱，其含義是利用導(dǎo)航衛(wèi)星 進(jìn)行測(cè)時(shí)和測(cè)距。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。第17頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)56分，星期二電磁場(chǎng)的基本屬性及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律波與物質(zhì)的相互作用及信息的提取電磁場(chǎng)系統(tǒng)的計(jì)算方法，仿真技術(shù)工程技術(shù)應(yīng)用中的電磁場(chǎng)理論問題四、電磁場(chǎng)理論的主要研究對(duì)象當(dāng)今世界，電子信息系統(tǒng)，不論是通信、雷達(dá)、廣播、電視，還是導(dǎo)航、遙控

13、遙測(cè)，都是通過電磁波傳遞信息來(lái)進(jìn)行工作的。因此以宏觀電磁理論為基礎(chǔ)，電磁信息的傳輸和轉(zhuǎn)換為核心的電磁場(chǎng)與電磁波工程技術(shù)將充分發(fā)揮其重要作用。下面以無(wú)線電通信系統(tǒng)為例來(lái)說(shuō)明第18頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)56分，星期二發(fā)射機(jī)末級(jí)回路產(chǎn)生的高頻振蕩電流經(jīng)過饋線送到發(fā)射天線，通過發(fā)射天線將其轉(zhuǎn)換成電磁波輻射出去；到了接收端，電磁波在接收天線上感生高頻振蕩電流，再經(jīng)饋線將高頻振蕩電流送到接收機(jī)輸入回路，這就完成了信息的傳遞。在這個(gè)過程中，經(jīng)歷了電磁波的傳輸、發(fā)射、傳播、接收等過程。 接收機(jī)接收天線饋線下行波發(fā)射機(jī)發(fā)射天線饋線導(dǎo)行波第19頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)56分，

14、星期二傳輸導(dǎo)行電磁波發(fā)射天線接收天線傳播入射、反射、透射、繞射傳輸導(dǎo)行電磁波第20頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)56分，星期二中、短波發(fā)射天線微波接力天線天線第21頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)56分，星期二卡塞格侖天線第22頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)56分，星期二MMDSA型微波天線MMDSC型微波天線第23頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)56分，星期二對(duì)數(shù)周期天線第24頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)56分，星期二矩形波導(dǎo)圓波導(dǎo)平行雙線同軸線微帶線傳輸線第25頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)56分，星期二隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)

15、的發(fā)展，電子、電氣系統(tǒng)獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。運(yùn)行中的電子、電氣設(shè)備大多伴隨著電磁能量的轉(zhuǎn)換，使得高密度、寬頻譜的電磁信息充滿整個(gè)人類的生存空間，構(gòu)成極其復(fù)雜的電磁環(huán)境，出現(xiàn)了電磁干擾和電磁污染。使電子系統(tǒng)受到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，人類生存受到威脅。人們面臨的一個(gè)新問題就是如何提高電子系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下正常運(yùn)行的能力，如何改善人類生存環(huán)境。在這樣的背景下提出了電磁兼容的概念，逐漸形成了一門新學(xué)科電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility,簡(jiǎn)寫為EMC）。電子系統(tǒng)的電磁兼容性的分析、計(jì)算、試驗(yàn)都要用到大量的電磁場(chǎng)理論知識(shí)，應(yīng)用到電路的基礎(chǔ)知識(shí)，甚至生物醫(yī)學(xué)知識(shí)?？梢哉f(shuō)，電磁兼容

16、學(xué)科是電磁場(chǎng)學(xué)科和其他相關(guān)學(xué)科相結(jié)合而形成的新學(xué)科。電磁兼容第26頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)56分，星期二 生物電磁學(xué)也是與電磁場(chǎng)相關(guān)聯(lián)的一門新學(xué)科，它研究電磁場(chǎng)與生物系統(tǒng)的相互作用、相互影響的關(guān)系，電磁場(chǎng)與電磁波無(wú)疑是其討論的理論依據(jù)。生物電磁學(xué)第27頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)56分，星期二 電磁場(chǎng)理論與微波技術(shù) 靜態(tài)場(chǎng)（10610）靜電場(chǎng)靜電場(chǎng)問題分析 （第二章）靜電場(chǎng)邊值問題解法（第三章）穩(wěn)恒磁場(chǎng)分析（第四章）時(shí)變場(chǎng)（6106）時(shí)變場(chǎng)與maxwell方程 （第五章）平面電磁波 （第六章）電磁波的輻射 （ 第七章）微波基礎(chǔ)（864）傳輸線理論（第八章）波導(dǎo)與

17、諧振腔（第九章）微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)（第十章）五、本課程知識(shí)體系 矢量分析（15）第28頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)56分，星期二難 點(diǎn)分析和處理問題的方法 數(shù)學(xué)處理過程矢量分析第29頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)56分，星期二【1】電磁場(chǎng)與電磁波（3版）. 謝處方 饒克謹(jǐn) 編，高等教育出版社，1999?！?】微波技術(shù)與天線 . 盛振華 編著，出版社：西安電子科技大學(xué)出版社 1995年11月出版?！?】電磁場(chǎng)理論基礎(chǔ) . 主編：王薔 等 出版社：清華大學(xué)出版社 2001年2月出版?！?】 電磁場(chǎng)理論. 畢德顯，出版社：電子工業(yè)出版社。【5】 電動(dòng)力學(xué) (第二版）. 郭碩鴻，高等教育出版社，1997?！?】 Electromagnetism with Application. J D. Kraus，（Fi