電磁場(chǎng)與電磁波前言.ppt

一、課程簡(jiǎn)介 二、電磁場(chǎng)理論發(fā)展簡(jiǎn)史 三、電磁場(chǎng)理論的主要應(yīng)用 四、電磁場(chǎng)理論的主要研究領(lǐng)域 五、課程知識(shí)體系 六、主要參考書目,緒 論,一、課程簡(jiǎn)介,本課程是高等學(xué)校電子信息類及電氣信息類專業(yè)本科生必修的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，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(guò)程的基本規(guī)律及其分析計(jì)算方法。通過(guò)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(wèn)題的能力。,二、磁場(chǎng)理論發(fā)展簡(jiǎn)史,電磁場(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現(xiàn)象之一，也是最早被關(guān)心和研究的物理現(xiàn)象： 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(guó)發(fā)現(xiàn)了磁石吸鐵的現(xiàn)象 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(méi)有發(fā)現(xiàn)電與磁的聯(lián)系。,緒論,2電磁場(chǎng)理論的建立 18世紀(jì)末期，德國(guó)哲學(xué)家謝林認(rèn)為，世界上各種運(yùn)動(dòng)形式之間具有統(tǒng)一性，光、電、磁、化學(xué)、力等都是相互聯(lián)系的，是同一事物的不同側(cè)面 。 丹麥的奧斯特在這種思想的指導(dǎo)下，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究于1820年發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)。初步揭開(kāi)了電與磁的內(nèi)在聯(lián)系，為電磁學(xué)的迅速發(fā)展揭開(kāi)了新的一頁(yè)。 英國(guó)的法拉第敏銳地意識(shí)到，既然電可以產(chǎn)生磁效應(yīng)，磁也一定能夠產(chǎn)生電效應(yīng)。1831年，他發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。,二、磁場(chǎng)理論發(fā)展簡(jiǎn)史,1873年英國(guó)科學(xué)家麥克斯韋（18311879）提出了位移電流的假設(shè)，認(rèn)為時(shí)變電場(chǎng)可以產(chǎn)生時(shí)變磁場(chǎng)，并建立了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方程麥克斯韋方程。,重 大 突 破,麥克斯韋預(yù)言電磁波的存在，后來(lái)在1887年被德國(guó)物理學(xué)家赫茲（18571894）的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。,俄國(guó)的波波夫及意大利的馬可尼于19世紀(jì)末先后發(fā)明了使用電磁波作為信息載體的傳輸技術(shù)。,電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，是科學(xué)史上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，它揭示了自然界中的機(jī)械運(yùn)動(dòng)、磁運(yùn)動(dòng)、電運(yùn)動(dòng)并不是獨(dú)立的，而是普遍地聯(lián)系著的，是可以相互轉(zhuǎn)化的 在前人研究的基礎(chǔ)上，英國(guó)的麥克斯韋深入研究了電與磁之間發(fā)生相互作用的問(wèn)題。,三、電磁場(chǎng)理論的主要應(yīng)用,當(dāng)今世界，電子電力、信息通信、雷達(dá)、廣播、電視、導(dǎo)航、遙控遙測(cè)等，在我們的日常生活中，普遍應(yīng)用了電磁場(chǎng)理論技術(shù)。,1電場(chǎng),電磁場(chǎng)理論,2磁場(chǎng),3電磁波,電子管、晶體管、陰極射線管、顯像管、回旋加速器 及靜電復(fù)印、靜電除塵以及靜電噴漆等技術(shù)都是利用了電場(chǎng)力對(duì)電荷及電子的作用,發(fā)電機(jī)、示波器、顯像管、磁控管、質(zhì)譜儀、回旋加速器、電磁鐵、磁懸浮軸承以及磁懸浮列車等都離不開(kāi)磁場(chǎng)的作用,電場(chǎng)：,磁場(chǎng)：,電磁起重機(jī),電磁鐵吸起鐵礦石,繼電器,繼電器工作原理,變壓器,三峽發(fā)電機(jī)組,發(fā)電機(jī)線圈,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子,三峽發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)輪,電動(dòng)機(jī)構(gòu)成,高壓電動(dòng)機(jī),電動(dòng)機(jī)原理,磁懸浮列車,世界首輛載人高溫超導(dǎo)磁懸浮試驗(yàn)車,西南交通大學(xué)應(yīng)用超導(dǎo)研究所研制,Stable! Stable!,磁 場(chǎng) 力 的 應(yīng) 用,緒 論,當(dāng)今的無(wú)線通信、廣播、雷達(dá)、遙控遙測(cè)、微波遙感、無(wú)線廣域網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)、衛(wèi)星定位以及光纖通信等信息技術(shù)都是利用電磁波作為載體傳輸信息的。,電磁波：,微波是頻率非常高的電磁波，通常，我們將頻率為 300 MHz 至 30 GHz 的電磁波稱作微波。,緒 論,1、廣播,緒 論,移動(dòng)通信,2、移動(dòng)通信,基站,* 2004年無(wú)線上網(wǎng)的設(shè)備達(dá)到 15 億部。,* 2011年全世界手機(jī)用戶人數(shù)達(dá)到 46 億。,* 目前中國(guó)的手機(jī)用戶已有 13 億多。,微波能穿透等離子體和電離層 由于微波既能穿透電離層 (低頻電磁波不行) 也能穿透塵埃、云、霧 (光波不行)，因此，微波就成了衛(wèi)星通訊、空間通訊和射電天文研究的重要手段。,3、衛(wèi)星廣播、電視、通信,緒 論,緒 論,全 球 定 位 系 統(tǒng) Global Positioning System(GPS),信 息 載 體 的 應(yīng) 用,4、雷達(dá)(Radar=Radio Detection And Ranging) 雷達(dá)是微波技術(shù)的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。雷達(dá)、青霉素和原子彈被稱為二戰(zhàn)期間的三大科學(xué)發(fā)明。 1931 年至 1935 年，英國(guó)皇家無(wú)線電研究所的科學(xué)家首先發(fā)明了雷達(dá)，當(dāng)時(shí)雷達(dá)的作用距離僅為 80 公里。 雷達(dá)在第二次世界大戰(zhàn)中投入實(shí)用，并在許多重要戰(zhàn)役中起到了決定性的作用，其中包括著名的不列顛空戰(zhàn)和中途島海戰(zhàn)。,緒 論,雷達(dá)與隱形飛機(jī),隱形飛機(jī),雷達(dá),英國(guó)研制獨(dú)特隱形飛機(jī)的Replica計(jì)劃中的隱形機(jī)模型,雷達(dá)的其它應(yīng)用：,公眾應(yīng)用 ：機(jī)場(chǎng)監(jiān)視、海上導(dǎo)航、氣象雷達(dá)、測(cè)量學(xué)、飛機(jī)著陸、夜間防盜、速度測(cè)量（警戒雷達(dá)）、測(cè)繪等,軍事應(yīng)用：空間和海事導(dǎo)航，飛機(jī)、導(dǎo)彈、空間飛行器的檢測(cè)和跟蹤，導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)，導(dǎo)彈和火炮的點(diǎn)火控制，武器保險(xiǎn)、偵察等,科學(xué)應(yīng)用：天文學(xué)、繪圖和成像，精密距離測(cè)量，自然資源遙感等,B2 隱形轟炸機(jī),反 射 定 律 的 應(yīng) 用,緒 論,立 體 電 影,電 磁 波 極 化 特 性 的 應(yīng) 用,5. 其他應(yīng)用 研究受控核聚變的一個(gè)主要手段就是借助微波、毫米波的等離子體診斷技術(shù)。 全球個(gè)人通訊是絕對(duì)離不開(kāi)微波通訊系統(tǒng)的。 光纖通訊 微波加熱微波爐 微波治療微波可以對(duì)人體內(nèi)的炎癥、潰瘍、腫瘤等 微波武器高能微波束可以干擾甚至摧毀敵方的各種電子設(shè)備；可以引爆敵方的炮彈、導(dǎo)彈甚至核武器等。,緒 論,微波能穿透等離子體和電離層 目前，研究受控核聚變的一個(gè)主要手段就是借助微波、毫米波的等離子體診斷技術(shù)。 根據(jù)石油起源于古生物遺體的“有機(jī)成因?qū)W說(shuō)”，2000 年前后，地球上的石油貯藏量約為 1370 億噸，可供人類再開(kāi)采 40 至 50 年。根據(jù)美國(guó)康奈爾大學(xué)天文學(xué)家托馬斯.戈?duì)柕陆淌谔岢龅氖汀盁o(wú)機(jī)成因?qū)W說(shuō)”，石油起源于 46 億年前地球誕生時(shí)封存在地球深處的甲烷，可以供人類再開(kāi)采 500 年。 盡管人們對(duì)這兩種學(xué)說(shuō)仍存在爭(zhēng)論，但兩種學(xué)說(shuō)都認(rèn)為石油資源是有限的，因此，人類的能源終將依賴于受控核聚變。開(kāi)發(fā)受控核聚變能源是解決人類對(duì)能源無(wú)限需求的根本途徑。受控核聚變的產(chǎn)生條件是高溫，檢測(cè)和控制核反應(yīng)堆內(nèi)部的溫度是受控核聚變的關(guān)鍵。由于核反應(yīng)堆中的高溫會(huì)使氣體發(fā)生電離，通過(guò)對(duì)核反應(yīng)堆中等離子體的診斷，我們可以探測(cè)到核聚變反應(yīng)堆內(nèi)部的溫度情況，從而實(shí)現(xiàn)受控核聚變。,緒論,二、信息技術(shù)領(lǐng)域 微波通訊系統(tǒng)的工作頻帶寬、信息容量大、機(jī)動(dòng)性好，特別適合于衛(wèi)星通訊，宇航通訊和移動(dòng)通訊等，因而在現(xiàn)代通訊系統(tǒng)中占有相當(dāng)重要的地位。 微波、毫米波通訊系統(tǒng)不但頻帶寬、信息容量大，而且還具有便于架設(shè)、機(jī)動(dòng)性好、保密性好等優(yōu)點(diǎn)。目前常見(jiàn)的蜂窩移動(dòng)電話、尋呼機(jī)、微波電話網(wǎng)、微波電視網(wǎng)、衛(wèi)星電視網(wǎng)等等，都屬于微波通訊系統(tǒng)。 在 21 世紀(jì)，全球個(gè)人通訊將會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。那時(shí)，不僅每個(gè)電話機(jī)有電話號(hào)碼，每個(gè)人也將有自己的專用電話號(hào)碼，就象每個(gè)人都有一個(gè)身份證號(hào)碼一樣?？梢钥隙?，全球個(gè)人通訊是絕對(duì)離不開(kāi)微波通訊系統(tǒng)的。,緒論,二、信息技術(shù)領(lǐng)域 光纖通訊是 20 世紀(jì) 60 年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的新型通訊手段。它的技術(shù)基礎(chǔ)是半導(dǎo)體激光器和光導(dǎo)纖維的發(fā)明。 光纖通訊具有傳輸距離長(zhǎng)，通訊容量極大等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前和未來(lái)通訊網(wǎng)的主干。 早期光纖通訊系統(tǒng)的傳輸速率較低，目前已經(jīng)從最初的幾十兆比特/每秒，發(fā)展到 140 Mbits/s，622 Mbits/s，2.488 Gbits/s，10 Gbits/s，40 Gbits/s 甚至更高！ 可以看出，光纖通訊系統(tǒng)基帶信號(hào)的傳輸速率已經(jīng)進(jìn)入微波頻段，這表明新一代光纖通訊系統(tǒng)同樣需要微波技術(shù)知識(shí)的支持。,緒論,二、信息技術(shù)領(lǐng)域 電子計(jì)算機(jī)是人類在二十世紀(jì)的最偉大發(fā)明之一。 早期的電子計(jì)算機(jī)可以說(shuō)與微波技術(shù)毫無(wú)聯(lián)系。隨著電子計(jì)算機(jī)芯片制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，電子計(jì)算機(jī)的工作主頻已經(jīng)從早期的 20 MHz，33 MHz，40 MHz，66 MHz，120 MHz 不斷向高頻發(fā)展。目前，高性能處理器的主頻已經(jīng)超過(guò) 3GHz?？偩€的頻率也已達(dá)到800MHz。這些都已進(jìn)入微波波段。 如何對(duì)CPU、內(nèi)存、主板等在微波頻帶內(nèi)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為目前的一個(gè)重要課題。 由此可見(jiàn)，新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也需要用到微波技術(shù)知識(shí)。,緒論,三、科學(xué)研究 微波作為一種科學(xué)研究的手段也得到了廣泛的應(yīng)用。 國(guó)際計(jì)量大會(huì)確定的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)銫（se） 133 原子時(shí)鐘的譜線就是處在微波頻段。 微波在物理學(xué)、天文學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、氣象學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域里的應(yīng)用導(dǎo)致了許多重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和進(jìn)展。 所謂 20 世紀(jì) 60 年代天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)類星體、中子星、2.7 OK 微波背景輻射和星際有機(jī)分子都是利用微波作為主要觀測(cè)手段而發(fā)現(xiàn)的。,緒論,2.7 O K 微波背景輻射 二十世紀(jì)六十年代初，貝爾實(shí)驗(yàn)室的美國(guó)科學(xué)家彭齊亞斯和R.W.威爾遜為了改進(jìn)衛(wèi)星通訊，建立了高靈敏度的接收天線系統(tǒng)。 1964 年，他們用它測(cè)量銀暈氣體射電強(qiáng)度時(shí)，發(fā)現(xiàn)總有消除不掉的背景噪聲。他們認(rèn)為，這些來(lái)自宇宙的的波長(zhǎng)為 7.35 厘米的微波噪聲相當(dāng)于 3.5 OK 的熱輻射。1965 年他們又將其修正為 3 OK，并將這一發(fā)現(xiàn)公布，為此獲得了 1978 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 微波背景輻射的最重要特征是具有黑體輻射譜，在 0.3 75 厘米波段，可以在地面上直接測(cè)到。 目前的看法認(rèn)為背景輻射起源于熱宇宙的早期。這是對(duì)大爆炸宇宙學(xué)的強(qiáng)有力支持。,緒論,四、其它領(lǐng)域 微波加熱微波是一種特殊的能源，利用微波的熱效應(yīng)可以對(duì)一些物質(zhì)進(jìn)行加熱。-微波爐,緒論,緒論,微波爐加熱原理 各種不同的物質(zhì)，在微波電磁場(chǎng)中，對(duì)微波能吸收的情況是不一樣的。導(dǎo)電物質(zhì)遇到微波時(shí)，會(huì)在其表面產(chǎn)生全反射，微波不可能深入到導(dǎo)體內(nèi)部。因此，微波不能用來(lái)加熱良導(dǎo)體，只能對(duì)介質(zhì)材料進(jìn)行加熱。 由于介質(zhì)材料內(nèi)部存在極性分子，在微波電磁場(chǎng)的作用下，這些極性分子從原來(lái)的隨機(jī)分布狀態(tài)轉(zhuǎn)向依照微波場(chǎng)的極性排列取向。由于這些取向是按微波頻率不斷變化的，這種交變過(guò)程使分子運(yùn)動(dòng)相互摩擦而產(chǎn)生熱能，使介質(zhì)溫度不斷升高，這種通過(guò)介質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)將微波能轉(zhuǎn)化為熱能的效應(yīng)就是微波加熱。,微波治療微波可以對(duì)人體內(nèi)的炎癥、潰瘍、腫瘤和其它病變產(chǎn)生抑制或治療作用。目前，已經(jīng)有很多類型的微波治療儀器投入了實(shí)用。 微波武器微波武器的工作原理與微波爐基本相同。高能微波束可以干擾甚至摧毀敵方的各種電子設(shè)備；可以引爆敵方的炮彈、導(dǎo)彈甚至核武器等；可以干擾敵方人員的神經(jīng)系統(tǒng)和大腦的思維，可以灼傷人的眼睛和人體組織，破壞大腦、心臟和呼吸系統(tǒng)的工作，直至殺傷敵方的人員。 微波武器、激光武器和粒子束武器被稱為新一代定向能武器，它們都是光速武器，而且看不見(jiàn)摸不著。微波武器又是這三種新概念兵器中研制費(fèi)用最低，最容易實(shí)現(xiàn)的一種。,緒論,生活中常見(jiàn)波導(dǎo)接頭。,緒 論,中、短波發(fā)射天線,微波接力天線,天線,卡塞格倫天線,八目天線,對(duì)數(shù)周期天線,MMDSA型微波天線,MMDSC型微波天線,北京天文臺(tái)密云觀測(cè)站的射電望遠(yuǎn)鏡天線陣,隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)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(wèn)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）。,電磁兼容,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)理論和宏觀、微觀電動(dòng)力學(xué)的研究。,電磁場(chǎng)的重要研究領(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(wèn)題的研究。,四、電磁場(chǎng)理論的主要研究領(lǐng)域,電磁場(chǎng)理論與微波技術(shù),靜態(tài)場(chǎng) （64+44）,靜電場(chǎng) （第二章）,靜電場(chǎng)邊值問(wèn)題 （第三章）,恒定電流場(chǎng) （第四章） 恒定磁場(chǎng)分析 （第五章）,時(shí)變場(chǎng) (3+684+4),電磁感應(yīng) （第六章） 時(shí)變電磁場(chǎng) （第七章） 平面電磁波 （第八章） 導(dǎo)行電磁波 （第九章） 電磁波輻射 （ 第十章）,五、課程知識(shí)體系,矢量分析 （14）,難 點(diǎn),分析和處理問(wèn)題的方法 數(shù)學(xué)處理過(guò)程,矢量分析,六、主要參考書目,參考書,1）電磁場(chǎng)理論畢德顯著 電子工業(yè)出版社 2）微波技術(shù)與天線劉學(xué)觀等編著 西安電子科