電磁場與電磁波課件(英文版)

RuguiYangHigherEducationPressHigherEducationElectronicandVideoPressElectromagneticFieldsandWavesThephysicalunderstandingisemphasizedinsteadofthemathematicalderivation.Classhourdistribution（Classhours64：Lecture60，Spare:4）Vectoranalysis4Electrostaticfields7Boundary-valueproblems4Steadycurrentfields3Steadymagneticfields6EMinduction3Time-varyingEMfields7PlaneEMwaves10

GuidedEMwaves8PrinciplesofEMradiation8ElectricField&MagneticField電場和磁場Preface前言

Thefieldsproducedbythemovingchargesortheelectriccurrentsbehavesasthefunctionoftheforceactingonthemagnetandtheconductor

carryingcurrentsarecalledmagneticfields.運動電荷或電流產(chǎn)生的場表現(xiàn)為對于磁鐵和載流導體有力的作用，這種物質(zhì)稱為磁場

Thefieldsproducedbythestaticchargesbehavesasthefunctionoftheforceactingonthecharge,anditiscalledtheelectricfields.靜止電荷產(chǎn)生的場表現(xiàn)為對于帶電體有力的作用，這種場稱為電場Theelectricfieldsunchangingwithtimearecalledelectrostaticfields.不隨時間變化的電場稱為靜電場Themagneticfieldsunchangingwithtimearecalledsteadymagneticfields.不隨時間變化的磁場稱為恒定磁場。

Ifthechargeandthecurrent

vary

withtime,theelectricfieldandmagneticfieldtheyproducewillbe

functionsof

time.如果電荷及電流均隨時間改變，它們產(chǎn)生的電場及磁場也是隨時變化的ElectromagneticWave電磁波

Electrostaticfieldandsteadymagneticfieldareindependentofeachother,andmaybeinvestigatedseparately.靜電場與恒定磁場相互無關、彼此獨立，可以分別進行研究

The

interaction

betweentime-varyingelectricfieldandtime-varyingmagneticfieldresultsinan

electromagneticwave

inspace.時變電場與時變磁場之間的相互轉(zhuǎn)化作用，在空間形成了電磁波

Time-varyingelectricfieldandmagneticfieldmust

co-existandhavedefiniterelation

toeachother,leadingtoatime-varying

electromagneticfield.時變的電場與時變的磁場可以相互轉(zhuǎn)化，兩者不可分割，它們構(gòu)成統(tǒng)一的時變電磁場Entity物質(zhì)屬性

The

existence

andtransmission

ofelectromagneticwavesneed

notrelyon

anymedium.Specifically,whenanelectromagneticwavetravelsthrougha

vacuum,itissaidtopropagatein“freespace”.

電磁場與電磁波是一種物質(zhì)，它的存在和傳播無需依賴于任何媒質(zhì)。在沒有物質(zhì)存在的真空環(huán)境中，電磁場與電磁波的存在和傳播會感到更加“自由”。因此對于電磁場與電磁波來說，真空環(huán)境通常被稱為“自由空間”。

Electromagneticfieldsandwavesareinvisible

(exceptforvisiblelight),theirexistencecanbeinferredfromthe

energy

andmomentum

theycarry.

電磁場與電磁波雖然不能親眼所見，但是客觀存在的一種物質(zhì)，因為它具有物質(zhì)的兩種重要屬性：能量和質(zhì)量。但是，電磁場與電磁波的質(zhì)量極其微小，因此，通常僅研究電磁場與電磁波的能量特性。Forcesandenergyarethemostimportant.

Inthepresenceofmatter,anelectromagneticfieldgivesrisetopolarizationandmagnetization,andtheyinturnleadtosecondaryfieldswhichwillmodifytheoriginalfielddistribution.Thisistheinteractionbetweenthefieldandmatters.

當空間存在媒質(zhì)時，在電磁場的作用下媒質(zhì)中會發(fā)生極化與磁化現(xiàn)象，結(jié)果在媒質(zhì)中又產(chǎn)生二次電場及磁場，從而改變了媒質(zhì)中原先的場分布，這就是場與媒質(zhì)的相互作用現(xiàn)象。Field&Matter場與媒質(zhì)Fortheconvenienceofstudy,wefirstintroduceelectro-magneticfieldsinfreespace,afterwhichtheelectromagneticfieldinmatterwillbediscussed.

為了研究方便起見，我們先介紹真空中的電磁場，然后再討論媒質(zhì)中的電磁場。

Electricchargesandcurrentsaretheonlysourcesforproducingelectromagneticfields.Uptonow,nomagneticchargeormagneticcurrenthasbeenfoundtoexistinnature.電荷及電流是產(chǎn)生電磁場惟一的源。至今，人們尚未發(fā)現(xiàn)自然界中存在磁荷及磁流。Field&Source場與源Investigationontherelationbetweenthefieldanditssourceisafundamentalsubject.Wewillintroduceanumberofmathematicalequationstodescribetherelationshipbetweenthefieldandthesource,aswellasbetweenthefieldandthemedia.研究場與源的關系是電磁理論的基本問題之一。我們將要詳述場與源，以及場與媒質(zhì)之間的關系，并且給予嚴格的數(shù)學描述。

Nevertheless,theintroductionofmagneticchargesandcurrentsintheanalysisofelectromagneticfieldscanprovetobebeneficialsometimes,

althoughthesemustbetreatedasfictitiousentities.然而，有時引入磁荷及磁流的概念是十分有益的，但是，它們僅是假想的。History歷史的回顧

Theabilityofapieceofamber琥珀

toattractsmallitemsafterithadbeenrubbedwasdiscoveredbytheGreeksin600B.C.Theattractiveforcebetweenamagnetandiron鐵

wasnotedbytheChinesein300B.C.公元前600年希臘人發(fā)現(xiàn)了摩擦后的琥珀能夠吸引微小物體；公元前300年我國發(fā)現(xiàn)了磁石吸鐵的現(xiàn)象；

In1785,FrenchscientistCharlesAugustindeCoulomb(1736—1806)discoveredCoulomb’slaw(1785年法國科學家?guī)靵觯?736－1806）通過實驗創(chuàng)建了著名的庫侖定律),anditgivestherelationshipbetweentheforceexperiencedbytwosmallchargedobjectsandthedistancebetweenthem.

Earlyinthefirstcentury,thecompasswasinventedanditwasamongthefourgreatinventionsinancientChina.Thereafter,themagneticfieldoftheearthwasdiscovered.

In1820,DanishscientistHansChristianOersted(1777—1851)discoveredthemagneticfieldproducedbyanelectriccurrent.Inthesameyear,FrenchscientistAndreMarieAmpere安德烈.瑪麗.安培(1775—1836)determinedtheforcebetweentwoelectriccurrents.1820年丹麥人奧斯特（1777－1851）發(fā)現(xiàn)了電流產(chǎn)生的磁場，同年法國科學家安培（1775－1836）計算了兩個電流之間的作用力。In1831,BritishscientistMichaelFaraday(1791-1867)discoveredthephenomenonofelectromagneticinductionandputforththelawofelectromagneticinduction,whichstatesthatatime-varying

magneticfieldmustgiverisetoanelectricfield.

1831年英國科學家法拉第（1791－1867）發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象，創(chuàng)建了電磁感應定律，說明時變磁場可以產(chǎn)生時變電場。In1873,Britishscientist

JamesClerkMaxwell(1831—1879)

postulatedthe

displacementcurrent,whichprovidedthelinkbetweenatime-varyingelectricfieldandamagneticfield.Heputonafirmmathematicalfoundationthelawsgoverninganelectromagneticfield.TheyareknowntodayasthefamousMaxwell’sequations.1873年英國科學家麥克斯韋（1831－1879）提出了位移電流的假設，認為時變電場可以產(chǎn)生時變磁場，并以嚴格數(shù)學方程描述了電磁場與波應該遵循的統(tǒng)一規(guī)律，這就是著名的麥克斯韋方程。AGreatInnovation重大突破Theseequationsstatethatatime-varyingelectricfieldproducestime-varyingmagneticfieldandviceversa.Maxwellfurtherpredictedtheexistenceofelectromagneticwaves,whichwasdemonstratedin1887bytheexperimentconductedbyGermanphysicistHeinrichRudolphHertz(1875—1894).該方程說明了時變電場可以產(chǎn)生時變磁場，同時又表明時變磁場可以產(chǎn)生時變電場，因此麥克斯韋預言電磁波的存在，后來在1887年被德國物理學家赫茲（1857－1894）的實驗證實。Aroundtheendofthe19thcentury,PopovinRussiaandMarconiinItalyinventedthetechnologytotransmitinformationusingelectro-magneticwaves.

俄國的波波夫及意大利的馬可尼于19世紀末先后發(fā)明了用電磁波作為媒體傳輸信息的技術。

Applications電磁場與波的應用

Modernwirelesscommunications,broadcasting,radar,remotecontrol,microwavesensing,wirelessnetworksandlocalareanetworks,satellitepositioning,opticalcommunicationsandotherinformationtechnologies,allofthemuseelectromagneticwavestotransmitinformation.當今的無線通信、廣播、雷達、遙控遙測、微波遙感、無線因特網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、衛(wèi)星定位以及光纖通信等信息技術都是利用電磁波作為媒介傳輸信息的。

Electrostaticxerography,cleaning,andspraying,areallbasedontheactionofelectricforces.靜電復印、靜電除塵以及靜電噴漆等技術都是基于靜電場對于帶電粒子具有力的作用。

Electromagnets,maglevbearings,andmaglevvehicles,allofthembeingbasedontheactionofmagneticforces.電磁鐵、磁懸浮軸承以及磁懸浮列車等，都是利用磁場力的作用。

TheFirstHTSMaglevVehicle世界首輛載人高溫超導磁懸浮試驗車AppliedSuperconductivityR&DCenter,SWJTUStable!Stable!AMaglevVehicleinShanghai上海磁懸浮列車StealthBomber-B2irStealthFighterF-117X-47StereoscopicFilm

GlobalPositioningSystemGPSThewideapplicationsofthesenewtechnologiesfurtherenhancethedevelopmentofelectromagnetictheory.Newelectromagneticmaterialsarediscovered,andnewmethodstoanalyzeandcomputeelectromagneticproblemsarecreated.以上新技術的廣泛應用又促進了電磁理論的發(fā)展。由此創(chuàng)建了很多分析電磁場與波的新方法，研制了很多電磁性能優(yōu)越的新材料。Promotion&Development相互促進，共同發(fā)展Especially,theavailabilityofhighperformanceandhighspeedcomputerswithlargememorycapacitynotonlymadethecalculationsencounteredinobtainingthesolutionstomanyproblemsinelectro-magneticspossible,butalsogaverisetonewmethodstocomputeelectromagneticfieldsandwaves.Thisgavebirthtocomputationalelectromagnetics.特別是隨著大容量的高性能及高速度計算機出現(xiàn)，不但解決了很多電磁理論的計算問題，同時也萌生了計算電磁場與波的新方法，從而形成計算電磁學的新學科，它是當今電磁學的重要分支。Units電磁單位TheS.I.systemofunitsisemployedinthisbook.Inelectro-magnetics,thefourbasicquantitiesarelength(inmeters),mass(inkilograms),time(inseconds),andelec