電磁場與電磁波 緒論

電磁場與電磁波任課教師：陳其科1聯(lián)系方式：E_mail：qkchen@電話：61830311總學(xué)時:80課時（課堂：68，課程設(shè)計：6，實驗：6）教材：《電磁場與電磁波》（第四版）成績構(gòu)成：平時（10％）＋階段考試（10%）＋期中考試（10％）＋實驗（10％）＋

期末（60％）/

暫定

2一、課程的性質(zhì)和任務(wù)二、電磁場理論的發(fā)展

三、電磁場理論的應(yīng)用四、內(nèi)容安排五、學(xué)習(xí)的目的、方法及其要求六、主要參考書3?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、探測未知世界的重要手段?電磁場（或電磁波）作為能量的一種形式，是當(dāng)今世界最重要的能量形式之一一、課程的性質(zhì)和任務(wù)?是電磁理論的重要組成部分?電類專業(yè)學(xué)生必修的技術(shù)基礎(chǔ)課?是電氣工程師的必備知識4一、課程的性質(zhì)和任務(wù)近代科學(xué)的發(fā)展表明，電磁場與電磁波基本理論又是一些交叉學(xué)科的生長點和新興邊緣學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)，而且對完善科學(xué)素養(yǎng)，增強適應(yīng)能力和創(chuàng)造能力長遠地發(fā)揮作用。本課程在“大學(xué)物理（電磁學(xué)）”的基礎(chǔ)上，進一步研究宏觀電磁現(xiàn)象和電磁過程的基本規(guī)律及其分析計算方法。通過本課程的學(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工程問題的能力。5一、課程的性質(zhì)和任務(wù)本課程知識體系地位：承上啟下：大學(xué)物理電磁學(xué)←本課程→微波技術(shù)、高等電磁場邊緣學(xué)科：電磁兼容性（ElectromagneticCompatibility—EMC）生物電磁學(xué)61．電磁場理論的早期研究

電、磁現(xiàn)象是大自然最重要的現(xiàn)象，也是最早被科學(xué)家們關(guān)心和研究的物理現(xiàn)象，其中貢獻最大的有賴頓、富蘭克林、伏打等科學(xué)家。19世紀(jì)以前，電、磁現(xiàn)象一直作為兩個獨立的物理現(xiàn)象，沒有人發(fā)現(xiàn)它們之間的相互聯(lián)系。但是這些研究（特別是伏打1799年發(fā)明了電池）為電磁學(xué)理論的建立奠定了基礎(chǔ)。二、電磁場理論的發(fā)展72．電磁場理論的建立

18世紀(jì)末期，德國哲學(xué)家謝林認為，宇宙是有活力的，而不是僵死的。他認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（電流的磁效應(yīng)）。

安培發(fā)現(xiàn)作用力的方向、電流的方向、磁針到通電導(dǎo)線的垂直方向是相互垂直的，并定量建立了若干數(shù)學(xué)公式（安培力定律）。8

法拉第

在謝林的影響下，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，電可以對磁產(chǎn)生作用，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驗。1831年他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁棒插入導(dǎo)體線圈時，線圈中就會產(chǎn)生電流（法拉第電磁感應(yīng)定律）。這表明，電與磁之間存在著密切的聯(lián)系。

麥克斯韋

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(chǔ)上，總結(jié)了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，引入位移電流的概念。在此基礎(chǔ)上提出了一套偏微分方程來表述電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律，稱為麥克斯韋方程組，預(yù)言了電磁波的存在，麥克斯韋方程組是經(jīng)典電磁學(xué)的基本方程。9

3．電磁場理論的發(fā)展

在麥克斯韋方程建立后的一百多年里,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電磁理論得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，尤其近40年來，無線電電子學(xué)、計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，生物電磁學(xué)、環(huán)境電磁學(xué)和電磁兼容等學(xué)科的建立，向電磁理論提出了許多新的研究課題，使現(xiàn)代電磁理論得到了迅速的發(fā)展。10

三、電磁場理論的工程應(yīng)用

（1）靜電場的應(yīng)用靜電放電、靜電感應(yīng)、靜電屏蔽、電場力（2）恒定電流場的應(yīng)用

電鍍工藝、電力工程、地質(zhì)勘探、油井測量、超導(dǎo)技術(shù)（3）恒定磁場的應(yīng)用發(fā)電機、電動機、電氣儀表、電磁鐵、示波管、顯像管、磁控管、質(zhì)譜儀、電子計算機、電子顯微鏡、回旋加速器、磁懸浮列車和磁懸浮軸承11

三、電磁場理論的工程應(yīng)用

（4）平面波反射與折射定律的應(yīng)用性能優(yōu)越的隱形飛行器的設(shè)計必須依靠空氣動力學(xué)家和電磁學(xué)家的共同合作才能完成（5）平面波極化特性的應(yīng)用圓極化雷達、無線通信中的極化問題、微波器件（6）縮波、透波、和吸波效應(yīng)的應(yīng)用縮短效應(yīng)：電磁波在媒質(zhì)中的波長比真空中的波長短的現(xiàn)象透波效應(yīng)：電磁波穿透媒質(zhì)的能力吸波效應(yīng)：媒質(zhì)吸收電磁波的能力12

三、電磁場理論的工程應(yīng)用

（7）導(dǎo)行波的應(yīng)用雙導(dǎo)線傳輸系統(tǒng)、同軸線、微帶傳、金屬波導(dǎo)、光纖（8）電磁輻射的應(yīng)用天線、無線通信系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)(藍牙技術(shù))、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS(GlobalPositioningSystem)軍工、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、地質(zhì)勘探以及天文地理等領(lǐng)域（9）電磁兼容的應(yīng)用

所謂電磁兼容是指：電子和電氣設(shè)備在一定的電磁環(huán)境下，能夠正常工作的能力。同時各種電子和電氣設(shè)備本身產(chǎn)生的電磁輻射不允許超過一定的限度。這就是所謂電子和電氣設(shè)備的抗擾和電磁干擾的性能。13

電磁場最重要的應(yīng)用方向——信息傳遞媒介。1887年，德國科學(xué)家赫茲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，這一重要的實驗導(dǎo)致了后來無線電報的發(fā)明。從此開始了電磁場理論應(yīng)用與發(fā)展時代，并且發(fā)展成為當(dāng)代最引人注目的學(xué)科之一。

三、電磁場理論的工程應(yīng)用

14無線電報:

1895年，意大利馬可尼成功地進行了2.5km距離的無線電報傳送實驗；1896年，波波夫進行了約250m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3200km距離的試驗成功。馬可尼以其在無線電報等領(lǐng)域的成就，獲得了1909年的諾貝爾物理學(xué)獎。無線電報的發(fā)明，開始了利用電磁波時期。有線電話:

1876年，美國A.G.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。15

電視:

1884年，德國尼普科夫提出機械掃描電視的設(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和1924年相繼發(fā)明了攝像管和顯像管；1931年，他組裝成世界上第一個全電子電視系統(tǒng)。

廣播:

1906年，美國費森登用50kHz頻率發(fā)電機作發(fā)射機，用微音器接入天線實現(xiàn)調(diào)制，使大西洋航船上的報務(wù)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。16雷達:

第二次世界大戰(zhàn)前夕，飛機成為主要進攻武器。英、美、德、法等國競相研制一類能夠早期警戒飛機的裝置。1936年：英國的瓦特設(shè)計的警戒雷達最先投入了運行，有效地警戒了來自德國的轟炸機；1938年：美國研制成第一部火炮控制雷達；1940年：多腔磁控管發(fā)明成功，微波雷達研制成為可能；1944年：能夠自動跟蹤飛機的雷達研制成功。1945年：能消除背景干擾、顯示運動目標(biāo)的顯示技術(shù)的發(fā)明，使雷達更加完善。在整個第二次世界大戰(zhàn)期間，雷達成了電磁場理論最活躍的部分。17衛(wèi)星通信技術(shù):

1958年，美國發(fā)射低軌道“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(zhuǎn)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(jīng)歷10年的發(fā)展，終趨于成熟。18衛(wèi)星定位技術(shù):

1957年衛(wèi)星發(fā)射成功后，人們試圖將雷達引入衛(wèi)星，實現(xiàn)以衛(wèi)星為基地對地球表面及近地空間目標(biāo)的定位和導(dǎo)航。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(dǎo)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。中國的北斗，歐洲的伽利略計劃都是未來可能出現(xiàn)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。19矢量分析(7學(xué)時)電磁場的基本規(guī)律（12學(xué)時）靜態(tài)電磁場及其邊值問題的解(15學(xué)時)時變電磁場(5學(xué)時)均勻平面波在無界空間中的傳播（8學(xué)時)均勻平面波的反射和透射(11學(xué)時）導(dǎo)行電磁波（5學(xué)時）電磁輻射（3學(xué)時）四、內(nèi)容安排根據(jù)紙質(zhì)主教材，本教案也分八章：20五、學(xué)習(xí)的目的、方法及其要求

掌握宏觀電磁場的基本屬性和運動規(guī)律掌握宏觀電磁波的傳播規(guī)律了解電磁波的輻射原理掌握靜態(tài)場問題的基本求解方法訓(xùn)練分析問題、歸納問題的科學(xué)方法培養(yǎng)用數(shù)學(xué)方法解決實際問題的能力獨立完成作業(yè)

21六、主要參考書【1】謝處方，饒克謹.電磁場與電磁波（第3版）.北京：高等教育出版社，1999【2】LiangChiShen,JinAuKong.AppliedElectromagnetism.2nded.PWSPublishingCompany,1987【3】JohnD.Kraus,DanielA.Fleisch.ElectromagneticsWithApplications.5nded（影印版）.北京：清華大學(xué)出版社，2001【4】WilliamH.Hayt,Jr.JohnA.Buck著.工程電磁學(xué)（第六版）.徐安士,周樂柱譯.北京：電子工業(yè)出版社，2004【5】BhagSinghGuru,HüseyinR.Hiziroglu著.電磁場與電磁波.周克定等譯.北京：機械工業(yè)出版社，2002【6】楊儒貴.電磁場與電磁波.北京：高等教育出版社，2003【7】趙家升，楊顯清，王園.電磁場與波典型題解析及自測試題.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002【8】馮林，楊顯清，王園等編著.電磁場與電磁波.北京：機械工業(yè)出版社，2004【9】楊顯清，王園，趙家升.電磁場與電磁波（第4版）教學(xué)指導(dǎo)書.北京：高等教育出版社，200622難點分析和處理問題的方法——數(shù)學(xué)門檻