第一講-電磁場基本問題及其應(yīng)用發(fā)展

2023/1/14

1工程電磁場導(dǎo)論—導(dǎo)言工程電磁場導(dǎo)論靜電場恒定電場恒定磁場導(dǎo)言矢量分析與場論基礎(chǔ)時變電磁場、準(zhǔn)靜態(tài)場（介紹）2023/1/14

2工程電磁場導(dǎo)論—導(dǎo)言課程導(dǎo)言二、電磁場理論發(fā)展三、電磁場理論應(yīng)用一、電磁場（理論）科學(xué)內(nèi)涵四、學(xué)習(xí)目的、要求和安排2023/1/14

3工程電磁場導(dǎo)論—導(dǎo)言一、電磁場理論的科學(xué)內(nèi)涵1.1電氣工程學(xué)科理論核心；電磁能量的生產(chǎn)及轉(zhuǎn)換電磁能量的傳輸與儲存電磁場能的開發(fā)和利用2023/1/14

4工程電磁場導(dǎo)論—導(dǎo)言作為理論物理學(xué)的一個重要研究分支，主要致力于統(tǒng)一場理論和微觀量子電動力學(xué)的研究。電磁

場理論作為電類專業(yè)的理論基礎(chǔ)和專業(yè)技術(shù)，集中于三大類應(yīng)用問題的研究。1.2

電磁場理論的科學(xué)內(nèi)涵工程電磁場電磁學(xué)2023/1/14

5工程電磁場導(dǎo)論—導(dǎo)言1.3工程電磁場研究內(nèi)容或應(yīng)用問題電磁場（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、儲存、變換、傳輸和綜合利用。

電磁力懸浮系統(tǒng)——EMS系統(tǒng)（Electromagneticsuspension）電動力懸浮系統(tǒng)——EDS系統(tǒng)（Electrodynamicsuspension）電磁波作為信息傳輸?shù)妮d體，成為當(dāng)今人類社會發(fā)布和獲取信息的主要手段，主要研究領(lǐng)域為信息的產(chǎn)生、獲取、交換、傳輸、儲存、處理、再現(xiàn)和綜合利用。電磁波作為探測未知世界的一種重要手段，主要研究領(lǐng)域為電磁波與目標(biāo)的相互作用特性、目標(biāo)特征的獲取與重建、探測新技術(shù)等。

（世界最大的射電望遠(yuǎn)鏡，貴州，直徑500米，2016年9月）2023/1/14

6工程電磁場導(dǎo)論—導(dǎo)言什么是場？電磁場的實質(zhì)是什么？載流線圈的磁場如何產(chǎn)生？電容器如何儲能？一段導(dǎo)線如何發(fā)射或接收信號？電磁場在空間如何傳播？能量如何沿導(dǎo)線傳輸和以波形式傳輸？—電磁場理論學(xué)習(xí)除了回答這些簡單問題外，對于理解電氣工程中發(fā)生的許多現(xiàn)象也是極其重要的，比如集成電路、印制電路板的可靠性分析，電器設(shè)備絕緣可靠性試驗分析，電（磁）能轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的效能分析等。1.4問題2023/1/14

7工程電磁場導(dǎo)論—導(dǎo)言電磁場屬性與運動規(guī)律場與媒質(zhì)（物質(zhì)）的相互作用電磁場系統(tǒng)的計算與仿真電磁能的開發(fā)與利用新器件與系統(tǒng)的開發(fā)電磁場與波的其它應(yīng)用1.5電磁場研究的對象與內(nèi)容2023/1/14

8工程電磁場導(dǎo)論—導(dǎo)言理論體系嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)理論內(nèi)容抽象——看不見，摸不著理論復(fù)雜——時域、頻域、空域、極化要求有較強的邏輯推理能力立足于宏觀電磁關(guān)系，場的積分形式為主應(yīng)用非常廣泛1.6電磁場理論課特點2023/1/14

9工程電磁場導(dǎo)論—導(dǎo)言電類專業(yè)基礎(chǔ)課—以經(jīng)典理論為主，結(jié)合電類工程問題，既是專業(yè)基礎(chǔ)課，又是專業(yè)（技術(shù)）課突出專業(yè)基礎(chǔ)課的基礎(chǔ)性，強調(diào)基本概念、基本規(guī)律和電磁場的基本分析計算方法注重電磁場理論的應(yīng)用性和實踐性，重視工程問題的建模和定性分析——以電磁場微分形式為主強調(diào)專業(yè)課的功能，加強計算能力的訓(xùn)練，以便妥善處理工程電磁場問題——直接為電氣工程專業(yè)提供解決電磁場問題的方法1.7電磁場專業(yè)課特點2023/1/14

10工程電磁場導(dǎo)論—導(dǎo)言

電、磁現(xiàn)象是大自然最重要的現(xiàn)象，也是最早被關(guān)注和研究的物理現(xiàn)象，其中貢獻(xiàn)大的科學(xué)家有富蘭克林(避雷針)、伏打（伏特）、沈括、哥倫布等。方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常偏東，不全南也。

——沈括?夢溪筆談?磁偏角現(xiàn)象，西方1492年哥倫布發(fā)現(xiàn)，比沈括晚了400多年。19世紀(jì)之前，電、磁為兩個獨立的物理現(xiàn)象被單獨研究。二、

電磁場理論的發(fā)展2.1

電磁場理論的早期發(fā)展2023/1/14

11工程電磁場導(dǎo)論—導(dǎo)言

18世紀(jì)末期，德國哲學(xué)家謝林提出“電是宇宙的活力和靈魂”，“電、磁、光、熱是相互聯(lián)系的”觀點。

其信徒奧斯特1807年開始研究電與磁之間的關(guān)系，1820年發(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有電流的導(dǎo)線的垂直方向相互垂直，并建立了定量計算電流作用力的數(shù)學(xué)公式。揭示了電流與磁之間密切的聯(lián)系。二、

電磁場理論的發(fā)展2.2

電磁場理論的建立2023/1/14

12法拉第相信“電、磁、光、熱是相互聯(lián)系的”觀點。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對電產(chǎn)生影響。1821年他開始探索研究磁生電的實驗，經(jīng)過十年研究，于1831年他發(fā)現(xiàn)：當(dāng)磁棒插入導(dǎo)體線圈后，導(dǎo)體線圈中就產(chǎn)生電流。這表明：電和磁之間存在著密切的聯(lián)系。

一定質(zhì)量物體之間具有吸引力稱為萬有引力。萬有引力解釋為帶電粒子高速形成的磁場力。2016年2月11日，Ligo(激光干涉引力波天文臺)探測到距離地球13億光年的兩個黑洞并合產(chǎn)生的引力波工程電磁場導(dǎo)論—導(dǎo)言二、

電磁場理論的發(fā)展2.2

電磁場理論的建立2023/1/14

13工程電磁場導(dǎo)論—導(dǎo)言麥克斯韋深入研究了電與磁之間相互聯(lián)系問題。在法拉第實驗的基礎(chǔ)上，總結(jié)了宏觀電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律，引入位移電流的概念，提出了描述電磁現(xiàn)象的規(guī)律的偏微分方程，即麥克斯韋方程組，建立了宏觀經(jīng)典的電磁場理論。

麥克斯韋研究電磁場重要時間表：1855年，開始致力于電磁學(xué)的研究1864年，“電磁場的動力學(xué)理論”發(fā)表1873年，“電磁通論”著作完成，經(jīng)典宏觀的電磁場理論建立。

二、

電磁場理論的發(fā)展2023/1/14

14工程電磁場導(dǎo)論—導(dǎo)言電磁場理論——光速不變原理光速不變原理由聯(lián)合求解麥克斯韋方程得到，是愛因斯坦創(chuàng)立狹義相對論的基本出發(fā)點：光速不變原理：真空中的光速對任何慣性系中的觀測者來說都相同，不隨光源和觀測者所在參考系的相對運動而改變。

物體高速運動時將發(fā)生尺短鐘慢的現(xiàn)象，當(dāng)物體速度達(dá)到光速時，物體沿空間方向的尺度會縮短為零，時間會慢到停止。二、

電磁場理論的發(fā)展2.3

電磁場理論的發(fā)展2023/1/14

15工程電磁場導(dǎo)論—導(dǎo)言德國科學(xué)家赫茲1887年用火花隙激勵一個環(huán)狀天線，用另一個帶隙的環(huán)狀天線接收，證實了麥克斯韋關(guān)于電磁波存在的預(yù)言。這一重要實驗導(dǎo)致了后來無線電報的發(fā)明，從此開始了電磁場與電磁波理論的應(yīng)用與發(fā)展時代。無線電報（telegraph）：1895年，馬可尼進(jìn)行2.5公里無線電報傳送；1896年，波波夫進(jìn)行250米無線電報傳送試驗；1899年，跨越英吉利海峽的電報傳送實驗成功；1901年，跨越大西洋3200公里的電報傳送實驗成功。二、

電磁場理論的發(fā)展2.4

電磁場理論的發(fā)展與應(yīng)用研究2023/1/14

16工程電磁場導(dǎo)論—導(dǎo)言有線電話（telephone）：1876年,美國科學(xué)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。廣播（broadcasting）;1906年,美國費森登用50千赫的發(fā)電機(jī)作發(fā)射機(jī)，用微音器接入天線作為調(diào)制，使大西洋航船上的報務(wù)員聽到了廣播播出的音樂，1919年第一個無線廣播電臺在英國建立。電視(televisionset）：1884年，德國尼普科夫提出機(jī)械掃描電視；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)。二、

電磁場理論的發(fā)展2.4

電磁場理論的發(fā)展與應(yīng)用研究2023/1/14

17工程電磁場導(dǎo)論—導(dǎo)言雷達(dá)（Radar）：雷達(dá)英文Radar是RadioDetectionandRanging的縮寫，意思是無線電探測和測距。1922年,馬可尼發(fā)表無線電波能檢測物體的論文，是雷達(dá)最早的概念。雷達(dá)作為一種探測目標(biāo)的電子設(shè)備，產(chǎn)生于二次世界大戰(zhàn)。1936年，英國設(shè)計的警戒雷達(dá)投入運行；1938年，美國研制成第一部炮火控制雷達(dá)；1940年，微波雷達(dá)出現(xiàn)；1944年，自動跟蹤飛機(jī)的雷達(dá)研制成功；1945年，顯示運動目標(biāo)的顯示技術(shù)發(fā)明。二、

電磁場理論的發(fā)展2.4

電磁場理論的發(fā)展與應(yīng)用研究2023/1/14

18工程電磁場導(dǎo)論—導(dǎo)言衛(wèi)星通信（Satellitecommunication）：1958年，美國低軌“探險者”衛(wèi)星發(fā)射成功；1964年，同步衛(wèi)星通信實現(xiàn)了三大洲的通信；1965年，第一顆商用定點同步衛(wèi)星投入運行；1969年，衛(wèi)星通信發(fā)展趨于成熟。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)星為基地的對地球表面及近地空間目標(biāo)的定位和導(dǎo)航成為可能。二、

電磁場理論的發(fā)展2.4

電磁場理論的發(fā)展與應(yīng)用研究2023/1/14

19工程電磁場導(dǎo)論—導(dǎo)言衛(wèi)星定位技術(shù)（NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem_GPS）1958年，美國開始研究實施這一計劃，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顆星組成的GPS計劃。北斗定位系統(tǒng)：北斗系統(tǒng)是我國建立的區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)。北斗一代以運行，北斗二代2011年完成系統(tǒng)組網(wǎng)，基本具備運行能力，2020年完成建設(shè)任務(wù)。二、

電磁場理論的發(fā)展2.4

電磁場理論的發(fā)展與應(yīng)用研究2023/1/14

20工程電磁場導(dǎo)論—導(dǎo)言三、電磁場理論應(yīng)用3.1電磁場（與電磁波）的基本應(yīng)用

當(dāng)今的無線通信、廣播、雷達(dá)、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(shù)都是利用電磁波作為媒介傳輸信息的。

靜電復(fù)印、靜電除塵以及靜電噴漆等技術(shù)都是基于靜電場對于帶電粒子具有力的作用。

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。2023/1/14

21工程電磁場導(dǎo)論—導(dǎo)言3.2電磁問題靜電干擾問題(大氣靜電、高壓靜電、絕緣及絕緣材料）電磁輻射干擾問題（各種電氣或無線電設(shè)備發(fā)射的輻射電磁場對處于場內(nèi)其它電氣和電子設(shè)備的干擾）電磁環(huán)境問題（各種電磁場及波對環(huán)境和人體的影響）需要研究和發(fā)展各種電磁環(huán)境中的電磁兼容技術(shù).2023/1/14

22工程電磁場導(dǎo)論—導(dǎo)言3.3電磁場與波應(yīng)用研究熱點

電機(jī)技術(shù)

1870年比利時工程師格拉姆發(fā)明了直流發(fā)電機(jī)。1888年南斯拉夫出生的美國發(fā)明家特斯拉發(fā)明了交流電動機(jī)。1902年瑞典工程師丹尼爾森首先提出同步電動機(jī)構(gòu)想。就在法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)原理的第二年(1832年），法國人皮克希應(yīng)用電磁感應(yīng)原理制成了最初的發(fā)電機(jī)。

1867年，德國發(fā)明家韋納·馮·西門子對發(fā)電機(jī)提出了重大改進(jìn)。他利用電磁鐵替代永磁體產(chǎn)生磁場，使磁力增強，產(chǎn)生強大的電流。2023/1/14

23工程電磁場導(dǎo)論—導(dǎo)言雷達(dá)技術(shù)（RadioDetectionandRanging）在整個第二次世界大戰(zhàn)期間,雷達(dá)成了電磁場理論最活躍的部分。衛(wèi)星定位技術(shù)（GPS）電磁兼容技術(shù)（EMC）EMC(electromagneticcompatibility)電磁兼容－指的是一個產(chǎn)品和其它產(chǎn)品共存于特定的電磁環(huán)境中，而不會引起其它產(chǎn)品或者自身性能下降或損壞的能力。3.3電磁場與波應(yīng)用研究熱點2023/1/14

24工程電磁場導(dǎo)論—導(dǎo)言3.4電磁場理論的進(jìn)一步發(fā)展

以上新技術(shù)的廣泛應(yīng)用又促進(jìn)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。特別是隨著大容量的高性能及高速度計算機(jī)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