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文檔簡介
1、電磁場理論基礎序 言教 師:劉埇 手 機公室:4號樓203室內容提要光什么是電磁場?發(fā)展簡史電磁頻譜研究對象研究領域章節(jié)安排學習的目的、方法和要求能級躍遷圖一、光的產生不同顏色的光是怎么產生的?關于光的“微粒說”和“波動說”“微粒說”和“波動說”都是對光的本性的認識過程中所提出的某種假說,都是建立在一定的實驗基礎之上的。以牛頓為代表的“微粒說”認為光是從光源發(fā)出的物質微粒,這種假說很容易解釋光的直進現(xiàn)象,光的反射現(xiàn)象,光的折射現(xiàn)象,但在解釋一束光射到兩種介質界面處會同時發(fā)生反射與折射現(xiàn)象時,發(fā)生了很大的困難。以惠更斯為代表的“波動說”認為光是某種振動以波的形式向周圍傳
2、播,這種假說很容易解釋反射與折射同時存在的現(xiàn)象,但由于波應能繞過障礙物,所以在解釋光的直進現(xiàn)象時遇到了困難。電磁波光 子光的波動性光的粒子性 波長 l頻率n波速cm 動質量e能量p動量波的干涉波的衍射橫波偏振有波動參量 如:有波的行為特性 如:有粒子參量 如: 有粒子的行為特性 如:黑體輻射光電效應康普頓效應,光的這種雙重特性,稱為光的波粒二象性。既具有波動性又具有粒子性光光的波粒二象性光的干涉激光P1S2S1PP2擋板 屏雙縫干涉薄膜干涉光的干涉條紋光的衍射條紋光的干涉與衍射充分地表明光是一種波,光的偏振現(xiàn)象又進一步表明光是橫波。麥克斯韋提出了光在本質上是一種電磁波,這就是所謂的光的電磁說。
3、赫茲用實驗證實了電磁波的存在,并測出其波長與頻率,進而得到電磁波的傳播速度,用實驗證實了光的電磁說。 本課程中,要用Maxwell方程波動力學加以解決。 光波動的客觀性二、什么是電磁場?對電磁場與微波專業(yè),電磁場理論是一門最重要的基礎課程。究竟什么是電磁場?這是我們關心的首要問題。電陰陽激燿也。從雨從申。 磁也為石名,本義:磁石。也指磁性 。場本義:平坦的空地 。電場是存在于電荷周圍能傳遞電荷與電荷之間相互作用的物理場。磁場磁體周圍存在磁場,磁體間的相互作用就是以磁場作為媒介的。 (電動力學-非接觸力) 電磁場電場和磁場的統(tǒng)稱。變化著的電場和磁場往往同時并存,并且互相轉化,形成電磁波。三、電磁
4、場理論的發(fā)展簡史1電磁場理論的早期研究 電、磁現(xiàn)象是大自然最重要的往來現(xiàn)象,也是最早被科學家們關心和研究的物理現(xiàn)象,其中貢獻最大的有穆欣布羅克來頓瓶、富蘭克林、伏特等科學家。 19世紀以前,電、磁現(xiàn)象作為兩個獨立的物理現(xiàn) 象,沒有發(fā)現(xiàn)電與磁的聯(lián)系。但是這些研究 為電磁學理論的建立奠定了基礎。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線的垂直線方向相互垂直,并定量建立了若干數(shù)學公式。法拉第相信電、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,法拉第敏銳地意識到磁也一定能夠對電產生影響。1821年他開始探索磁生電的實驗。1831年他發(fā)現(xiàn),當磁捧插入導體線圈時;導線圈
5、中就產生電流。這表明,電與磁之間存在著密切的聯(lián)系。 麥克斯韋(James Clerk Maxwell) 歷史選擇了Maxwell,一批年青的學者總結出電磁運動規(guī)律,即Maxwell方程組。同時,提出了Newton力學所沒有的嶄新概念場(Field的概念)。 深入研究并探討了電與磁之間發(fā) 生作用的問題,發(fā)展了場的概念。在法拉第實驗的基礎上,總結了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律,引進位移電流的概念,提出了一組描述電磁現(xiàn)象規(guī)律的偏微分方程,即麥克斯韋方程組,是經典電磁學的基本方程,并預言了電磁波的存在。電磁理論的集大成者Herz電磁實驗中使用過的儀器設備(圖中為Herz助手) 1895年,意大利馬可尼成功地進行
6、了2.5公里距離的無線電報傳送實驗。1896年,波波夫進行了約250米距離的類似試驗,1899年, 無線電報跨越英吉利海峽的試驗成功;1901年,跨越大西洋的3200公里距離的試驗成功。開始了利用電磁波進行信息傳輸?shù)臅r代。馬可尼以其在無線電報等領域的成就,獲得1909年的諾貝爾獎。無線電報有線電話 1876年, 美國科學家貝爾在美國建國100周年博覽會上展示了他所發(fā)明的有線電話。此后,有線電話便迅速普及開來。 廣播 1906年,美國費森登用50千赫頻率發(fā)電機作發(fā)射 機,用微音器接入天線實現(xiàn)調制,使大西洋航船 上的報務員聽到了他從波士頓播出的音樂。1919 年,第一個定時播發(fā)語言和音樂的無線電廣
7、播電 臺在英國建成。次年,在美國的匹茲堡城又建成 一座無線電廣播電臺。 電視 1884年,德國尼普科夫提出機械掃描電視的設想,1927年,英國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年和1924年相繼發(fā)明了攝像管和顯像管。 1931年,世界上第一個全電子電視系統(tǒng)出現(xiàn)。雷達(Radio Detection and Ranging) 1922年,意大利科學家G馬可尼發(fā)表了無線電波能檢測物體的論文,是雷達最早的基本概念。雷達作為一種探測目標的電子設備,產生于二次世界大戰(zhàn)。雷達的英文RADAR是 Radio Detection And Ranging的縮寫,意為 “無線
8、電探測和測距”。衛(wèi)星通信技術 1958年,美國發(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衛(wèi)星。1964年,借助定點的同步通信衛(wèi)星首次實現(xiàn)了美、 歐、非三大洲的通信和電視轉播。1965年,第一顆商用定點同步衛(wèi)星投入運行。 1969年,大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定點同步通信衛(wèi)星,衛(wèi)星地球站已遍布世界各國,這些衛(wèi)星地球站又和本國或本地區(qū)的通信網(wǎng)接通。衛(wèi)星通信經歷10年的發(fā)展終趨于成熟。衛(wèi)星定位技術 (Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System GPS) 1957年衛(wèi)星發(fā)射成功后,以衛(wèi)星為基地對
9、地球表 面及近地空間目標的定位和導航成為可能。1958 年底,美國開始研究實施這一計劃,于1964年研 究成功子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)。 1973年美國提出了由24顆衛(wèi) 星組成的實用系統(tǒng)新方案, 即GPS計劃,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。4、電磁波的最新應用電磁兼容性設計(EMC)高速數(shù)字電路設計射頻無線電光機算機網(wǎng)絡(光纖通信)四、電磁頻譜概述頻率和波長的概念電磁波頻段劃分 普通無線電波微波 紅外線 可見光 紫外線 射線 射線無線電波f = 3106310123.910147.510143101731019微 波:頻率高、波長微小的電磁波,在電子信息應用
10、領域中常用的波段。 micro + wave microwavef = 0電磁頻譜電磁波種類無線電波紅外線可見光紫外線倫琴射線射線頻率(Hz)1043101210123.910143.910147.510147.5101451016310163102031019以上真空中波長(m)310410-4310-47.710-77.710-7410-7410-7610-910-810-1210-11以下觀察方法無線電技術利用熱效應 激發(fā)熒光 利用貫穿本領照相底片感光(化學效應)核技術產生機LC電路中自由電子的的振蕩原子的外層電子受到激原子的內層電子受到激發(fā)原子核受到激發(fā)用途通訊廣播導航加熱烘干、遙測遙
11、感,醫(yī)療,導向等照明照相加熱等日光燈,黑光燈手術室殺菌消毒,治療皮膚病等檢查探測,透視,治療等探測,治療等電磁波譜普通無線電波及微波頻段劃分微 波微波頻段劃分頻段頻率波長P波段0.231GHz13030cmL波段12GHz3015cmS波段24GHz157.5cmC波段48GHz7.53.75cmX波段812.5GHz3.752.4cmKu波段12.818GHz2.41.67cmK波段1826.5GHz1.671.13cmKa波段26.540GHz1.130.75cm毫米波40300GHz7.51mm太赫茲波3003000GHz10.1mm中國無線電頻段劃分五、電磁場理論的研究領域研究領域理論
12、物理學分支無線電技術理論基礎電氣工程學科的核心電磁場的物理屬性、統(tǒng)一場論、微觀量子電動力學電磁場與物質相互作用、信息傳輸器件與系統(tǒng)、信息處理與利用技術電磁場能量的產生、傳輸、轉換、存儲和應用的研究電 磁 場: 電現(xiàn)象 磁現(xiàn)象 電磁現(xiàn)象 電場 磁場 電磁場 electro - + magnetic electromagnetic 電 磁 波(簡稱電波): 隨時間變化的電場、磁場互相激發(fā),以波動的形式向周圍擴散,形成電磁波。按變化的快慢不同,電磁波可以分為不同的頻率。電磁場與微波技術理論發(fā)展電磁場理論:研究電磁場的本質、性質、分布的理論 場與物質的相互作用及信息的提取數(shù)學語言物理概念微波技術:有關
13、微波的理論、方法和技術,以及應用微波的 過程中所需的器件和設備。數(shù)學語言物理概念工程實踐經驗六、章節(jié)安排(1)矢量分析數(shù)學工具靜電場E(x,y,z,t0)恒定電場和電流J (x,y,z,t0)恒定磁場H (x,y,z,t0)靜態(tài)場邊值問題(考慮環(huán)境影響)電磁感應(電場與磁場的相互作用)(畫圖說明)七、章節(jié)安排(2)矢量分析數(shù)學工具時變電磁場E(x,y,z,t)H (x,y,z,t)平面電磁波(在自由空間傳播)導行電磁波(在傳輸線中傳播)電磁波輻射(天線)(傳輸線與自由空間電磁波的相互轉換)(畫圖解釋三章之關系)電子信息系統(tǒng)組成示意檢測信號處理天線接收產生信號天線發(fā)射傳輸反射波傳輸直接傳輸目標識
14、別表現(xiàn)組成: 電子信息的產生、獲取、傳輸、檢測、處理、識別、表現(xiàn)8910109三大類應用問題電磁場(或電磁波)作為能量的一種形式。(主動拒止系統(tǒng))電磁波作為信息傳輸?shù)妮d體。(通信系統(tǒng))電磁波作為探測未知世界的一種重要手段。(雷達系統(tǒng))電磁波三大類應用問題 電磁場(或波)為能量一種形式,是當今世界 最重要的能源,其研究領域涉及電磁能產生、 存儲、變換、傳輸和應用. 電磁波作為信息的載體,成為當今社會發(fā)布和獲 取信息的主要手段,研究內容包括信息的產生、 獲取、交換、傳輸、儲存、處理、再現(xiàn)和應用.電磁波三大類應用問題 電磁波作為探測未知世界的一種重要手 段,主要研究領域為電磁波與目標的相 互作用特性、目標探測及其特征的獲取電磁波三大類應用問題電磁波三大類應用問題電磁波三大類應用問題七、電磁場理論的研究對象1)電磁場的基本屬性及其運動規(guī)律2)電磁場與物質的相互作用及信息的提取3)電磁場系統(tǒng)的計算方法4)電磁場仿真技術5)電磁場理論在工程技術中的應用學習本課程應具備的知識: 高等數(shù)學:微分、積分、矢量運算、 空間解析幾何、坐標系 普通大學物理:電磁學知識學習本課程的預期收獲: 掌握術語; 能看懂公式并理解公式所包含的物理概念; 對電磁理論與技術有全局觀; 能查閱并看懂有關的技術資料。掌握宏觀電磁場的基本屬性和運動規(guī)律掌握宏
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