北京理工大學(xué) 電磁場(chǎng)理論基礎(chǔ) 序言

《電磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)》

序言教師：劉埇手機(jī)公室：4號(hào)樓203室內(nèi)容提要光什么是電磁場(chǎng)？發(fā)展簡(jiǎn)史電磁頻譜研究對(duì)象研究領(lǐng)域章節(jié)安排學(xué)習(xí)的目的、方法和要求能級(jí)躍遷圖一、光的產(chǎn)生不同顏色的光是怎么產(chǎn)生的？關(guān)于光的“微粒說”和“波動(dòng)說”“微粒說”和“波動(dòng)說”都是對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)過程中所提出的某種假說，都是建立在一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的。以牛頓為代表的“微粒說”認(rèn)為光是從光源發(fā)出的物質(zhì)微粒，這種假說很容易解釋光的直進(jìn)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(zhì)界面處會(huì)同時(shí)發(fā)生反射與折射現(xiàn)象時(shí)，發(fā)生了很大的困難。以惠更斯為代表的“波動(dòng)說”認(rèn)為光是某種振動(dòng)以波的形式向周圍傳播，這種假說很容易解釋反射與折射同時(shí)存在的現(xiàn)象，但由于波應(yīng)能繞過障礙物，所以在解釋光的直進(jìn)現(xiàn)象時(shí)遇到了困難。電磁波光子光的波動(dòng)性光的粒子性波長(zhǎng)l頻率n波速cm動(dòng)質(zhì)量e能量p動(dòng)量波的干涉波的衍射橫波偏振有波動(dòng)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(yīng)康普頓效應(yīng),光的這種雙重特性,稱為光的波粒二象性。既具有波動(dòng)性又具有粒子性光光的波粒二象性物質(zhì)的波粒二象性物質(zhì)的波粒二象性1923年他提出電子既具有粒子性又具有波動(dòng)性。1924年正式發(fā)表一切物質(zhì)都具有波粒二象性的論述。并建議用電子在晶體上做衍射實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。1927年被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。他的論述被愛因斯坦譽(yù)為“揭開了巨大面罩的一角”。

德布羅意為此獲得1929年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。德布羅意PrinceLouisVictordeBroglie(1892~1987)本課程按照波動(dòng)性理論研究電磁場(chǎng)問題，而不考慮粒子性理論。光的干涉激光P1S2S1PP2擋板δ

屏雙縫干涉薄膜干涉光的干涉條紋光的衍射條紋光的偏振（電磁波的極化）P明QP明暗QP丙甲乙光的偏振說明光是橫波。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(jìn)一步表明光是橫波。麥克斯韋提出了光在本質(zhì)上是一種電磁波，這就是所謂的光的電磁說。赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，并測(cè)出其波長(zhǎng)與頻率，進(jìn)而得到電磁波的傳播速度，用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了光的電磁說。本課程中，要用Maxwell方程波動(dòng)力學(xué)加以解決。光波動(dòng)的客觀性二、什么是電磁場(chǎng)？對(duì)電磁場(chǎng)與微波專業(yè)，《電磁場(chǎng)理論》是一門最重要的基礎(chǔ)課程。究竟什么是電磁場(chǎng)？這是我們關(guān)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(chǎng)——本義:平坦的空地。電場(chǎng)——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(chǎng)。磁場(chǎng)——磁體周圍存在磁場(chǎng)，磁體間的相互作用就是以磁場(chǎng)作為媒介的。(電動(dòng)力學(xué)-非接觸力)電磁場(chǎng)——電場(chǎng)和磁場(chǎng)的統(tǒng)稱。變化著的電場(chǎng)和磁場(chǎng)往往同時(shí)并存，并且互相轉(zhuǎn)化，形成電磁波。三、電磁場(chǎng)理論的發(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)最大的有穆欣布羅克@來頓瓶、富蘭克林、伏特等科學(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。但是這些研究為電磁學(xué)理論的建立奠定了基礎(chǔ)。2．電磁場(chǎng)理論的建立18世紀(jì)末期，德國哲學(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，他發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針。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。麥克斯韋（JamesClerkMaxwell）歷史選擇了Maxwell，一批年青的學(xué)者總結(jié)出電磁運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即Maxwell方程組。同時(shí)，提出了Newton力學(xué)所沒有的嶄新概念——場(chǎng)(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(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，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(jīng)典電磁學(xué)的基本方程，并預(yù)言了電磁波的存在。電磁理論的集大成者

1887年，德國科學(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)致了后來無線電報(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。3、電磁場(chǎng)理論的應(yīng)用和發(fā)展Herz電磁實(shí)驗(yàn)中使用過的儀器設(shè)備（圖中為Herz助手）1895年，意大利馬可尼成功地進(jìn)行了2.5公里距離的無線電報(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。開始了利用電磁波進(jìn)行信息傳輸?shù)臅r(shí)代。馬可尼以其在無線電報(bào)等領(lǐng)域的成就，獲得1909年的諾貝爾獎(jiǎng)。無線電報(bào)有線電話

1876年,美國科學(xué)家貝爾在美國建國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。

廣播

1906年，美國費(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)語言和音樂的無線電廣播電臺(tái)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(tái)。

電視

1884年，德國尼普科夫提出機(jī)械掃描電視的設(shè)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(gè)全電子電視系統(tǒng)出現(xiàn)。雷達(dá)（RadioDetectionandRanging）

1922年，意大利科學(xué)家G·馬可尼發(fā)表了無線電波能檢測(cè)物體的論文，是雷達(dá)最早的基本概念。雷達(dá)作為一種探測(cè)目標(biāo)的電子設(shè)備，產(chǎn)生于二次世界大戰(zhàn)。雷達(dá)的英文RADAR是

RadioDetectionAndRanging的縮寫，意為

“無線電探測(cè)和測(cè)距”。1936年，英國的瓦特設(shè)計(jì)的警戒雷達(dá)最先投入了運(yùn)行。有效地警戒了來自德國的轟炸機(jī)。1938年，美國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,雷達(dá)成了電磁場(chǎng)理論最活躍的部分。衛(wèi)星通信技術(shù)

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(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，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(jīng)歷10年的發(fā)展終趨于成熟。衛(wèi)星定位技術(shù)（NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem－GPS）

1957年衛(wèi)星發(fā)射成功后，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)航成為可能。1958

年底，美國開始研究實(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。微波加熱及烘干4、電磁波的最新應(yīng)用電磁兼容性設(shè)計(jì)（EMC）高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)射頻無線電光機(jī)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（光纖通信）四、電磁頻譜概述頻率和波長(zhǎng)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

χ射線

γ射線無線電波f=3×1063×10123.9×10147.5×10143×10173×1019微波：

頻率高、波長(zhǎng)微小的電磁波，在電子信息應(yīng)用領(lǐng)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γ射線頻率（Hz）104～3×10121012～3.9×10143.9×1014～7.5×10147.5×1014～5×10163×1016～3×10203×1019以上真空中波長(zhǎng)（m）3×104～10-43×10-4～7.7×10-77.7×10-7～4×10-74×10-7～6×10-910-8～10-1210-11以下觀察方法無線電技術(shù)利用熱效應(yīng)激發(fā)熒光利用貫穿本領(lǐng)照相底片感光（化學(xué)效應(yīng)）核技術(shù)產(chǎn)生機(jī)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(nèi)層電子受到激發(fā)原子核受到激發(fā)用途通訊廣播導(dǎo)航加熱烘干、遙測(cè)遙感，醫(yī)療，導(dǎo)向等照明照相加熱等日光燈，黑光燈手術(shù)室殺菌消毒，治療皮膚病等檢查探測(cè)，透視，治療等探測(cè)，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(zhǎng)P波段0.23~1GHz130~30cmL波段1~2GHz30~15cmS波段2~4GHz15~7.5cmC波段4~8GHz7.5~3.75cmX波段8~12.5GHz3.75~2.4cmKu波段12.8~18GHz2.4~1.67cmK波段18~26.5GHz1.67~1.13cmKa波段26.5~40GHz1.13~0.75cm毫米波40~300GHz7.5~1mm太赫茲波300~3000GHz1~0.1mm中國無線電頻段劃分五、電磁場(chǎng)理論的研究領(lǐng)域研究領(lǐng)域理論物理學(xué)分支無線電技術(shù)理論基礎(chǔ)電氣工程學(xué)科的核心電磁場(chǎng)的物理屬性、統(tǒng)一場(chǎng)論、微觀量子電動(dòng)力學(xué)電磁場(chǎng)與物質(zhì)相互作用、信息傳輸器件與系統(tǒng)、信息處理與利用技術(shù)電磁場(chǎng)能量的產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和應(yīng)用的研究電磁場(chǎng)：

電現(xiàn)象＋磁現(xiàn)象→電磁現(xiàn)象電場(chǎng)＋磁場(chǎng)→電磁場(chǎng)

electro-+magnetic→electromagnetic電磁波（簡(jiǎn)稱電波）：

隨時(shí)間變化的電場(chǎng)、磁場(chǎng)互相激發(fā)，以波動(dòng)的形式向周圍擴(kuò)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(chǎng)與微波技術(shù)理論發(fā)展電磁場(chǎng)理論： 研究電磁場(chǎng)的本質(zhì)、性質(zhì)、分布的理論場(chǎng)與物質(zhì)的相互作用及信息的提取 數(shù)學(xué)語言＋物理概念微波技術(shù)：

有關(guān)微波的理論、方法和技術(shù)，以及應(yīng)用微波的 過程中所需的器件和設(shè)備。 數(shù)學(xué)語言＋物理概念＋工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)六、章節(jié)安排（1）矢量分析數(shù)學(xué)工具靜電場(chǎng)E（x,y,z,t0）恒定電場(chǎng)和電流J（x,y,z,t0）恒定磁場(chǎng)H（x,y,z,t0）靜態(tài)場(chǎng)邊值問題（考慮環(huán)境影響）電磁感應(yīng)（電場(chǎng)與磁場(chǎng)的相互作用）（畫圖說明）七、章節(jié)安排（2）矢量分析數(shù)學(xué)工具時(shí)變電磁場(chǎng)E（x,y,z,t）H（x,y,z,t）平面電磁波（在自由空間傳播）導(dǎo)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(zhuǎn)換）（畫圖解釋三章之關(guān)系）電子信息系統(tǒng)組成示意檢測(cè)信號(hào)處理天線接收產(chǎn)生信號(hào)天線發(fā)射傳輸反射波傳輸直接傳輸目標(biāo)識(shí)別表現(xiàn)組成：電子信息的產(chǎn)生、獲取、傳輸、檢測(cè)、處理、識(shí)別、表現(xiàn)8910109三大類應(yīng)用問題電磁場(chǎng)（或電磁波）作為能量的一種形式。（主動(dòng)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(cè)未知世界的一種重要手段。（雷達(dá)系統(tǒng)）電磁波三大類應(yīng)用問題電磁場(chǎng)（或波）為能量一種形式，是當(dāng)今世界最重要的能源，其研究領(lǐng)域涉及電磁能產(chǎn)生、存儲(chǔ)、變換、傳輸和應(yīng)用.電磁波作為信息的載體，成為當(dāng)今社會(huì)發(fā)布和獲取信息的主要手段，研究?jī)?nèi)容包括信息的產(chǎn)生、獲取、交換、傳輸、儲(chǔ)存、處理、