第一講-電磁場基本問題及其應用發(fā)展介紹

2023/3/1

1工程電磁場導論—導言工程電磁場導論靜電場恒定電場恒定磁場導言矢量分析與場論基礎時變電磁場、準靜態(tài)場（介紹）2023/3/1

2工程電磁場導論—導言課程導言二、電磁場理論發(fā)展三、電磁場理論應用一、電磁場（理論）科學內涵四、學習目的、要求和支配2023/3/1

3工程電磁場導論—導言一、電磁場理論的科學內涵1.1電氣工程學科理論核心；電磁能量的生產及轉換電磁能量的傳輸與儲存電磁場能的開發(fā)和利用2023/3/1

4工程電磁場導論—導言作為理論物理學的一個重要探討分支，主要致力于統(tǒng)一場理論和微觀量子電動力學的探討。電磁

場理論作為電類專業(yè)的理論基礎和專業(yè)技術，集中于三大類應用問題的探討。1.2

電磁場理論的科學內涵工程電磁場電磁學2023/3/1

5工程電磁場導論—導言1.3工程電磁場探討內容或應用問題電磁場（或電磁波）作為能量的一種形式，是當今世界最重要的能源，其探討領域涉及電磁能量的產生、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，成為當今人類社會發(fā)布和獲得信息的主要手段，主要探討領域為信息的產生、獲得、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，主要探討領域為電磁波與目標的相互作用特性、目標特征的獲得與重建、探測新技術等。（世界最大的射電望遠鏡，貴州，直徑500米，2016年9月）2023/3/1

6工程電磁場導論—導言什么是場？電磁場的實質是什么？載流線圈的磁場如何產生？電容器如何儲能？一段導線如何放射或接收信號？電磁場在空間如何傳播？能量如何沿導線傳輸和以波形式傳輸？—電磁場理論學習除了回答這些簡潔問題外，對于理解電氣工程中發(fā)生的很多現(xiàn)象也是極其重要的，比如集成電路、印制電路板的牢靠性分析，電器設備絕緣牢靠性試驗分析，電（磁）能轉換應用中的效能分析等。1.4問題2023/3/1

7工程電磁場導論—導言電磁場屬性與運動規(guī)律場與媒質（物質）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用1.5電磁場探討的對象與內容2023/3/1

8工程電磁場導論—導言理論體系嚴謹、科學理論內容抽象——看不見，摸不著理論困難——時域、頻域、空域、極化要求有較強的邏輯推理實力立足于宏觀電磁關系，場的積分形式為主應用特別廣泛1.6電磁場理論課特點2023/3/1

9工程電磁場導論—導言電類專業(yè)基礎課—以經典理論為主，結合電類工程問題，既是專業(yè)基礎課，又是專業(yè)（技術）課突出專業(yè)基礎課的基礎性，強調基本概念、基本規(guī)律和電磁場的基本分析計算方法留意電磁場理論的應用性和實踐性，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專業(yè)課的功能，加強計算實力的訓練，以便妥當處理工程電磁場問題——干脆為電氣工程專業(yè)供應解決電磁場問題的方法1.7電磁場專業(yè)課特點2023/3/1

10工程電磁場導論—導言電、磁現(xiàn)象是大自然最重要的現(xiàn)象，也是最早被關注和探討的物理現(xiàn)象，其中貢獻大的科學家有富蘭克林(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?！蚶?夢溪筆談?磁偏角現(xiàn)象，西方1492年哥倫布發(fā)覺，比沈括晚了400多年。19世紀之前，電、磁為兩個獨立的物理現(xiàn)象被單獨探討。二、

電磁場理論的發(fā)展2.1

電磁場理論的早期發(fā)展2023/3/1

11工程電磁場導論—導言18世紀末期，德國哲學家謝林提出“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年起先探討電與磁之間的關系，1820年發(fā)覺電流以力作用于磁針。安培發(fā)覺作用力的方向和電流的方向以及磁針到通有電流的導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)學公式。揭示了電流與磁之間親密的聯(lián)系。二、

電磁場理論的發(fā)展2.2

電磁場理論的建立2023/3/1

12法拉第信任“電、磁、光、熱是相互聯(lián)系的”觀點。奧斯特1820年發(fā)覺電流以力作用于磁針后，法拉第敏銳地意識到磁也確定能對電產生影響。1821年他起先探究探討磁生電的試驗，經過十年探討，于1831年他發(fā)覺：當磁棒插入導體線圈后，導體線圈中就產生電流。這表明：電和磁之間存在著親密的聯(lián)系。確定質量物體之間具有吸引力稱為萬有引力。萬有引力說明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生的引力波工程電磁場導論—導言二、

電磁場理論的發(fā)展2.2

電磁場理論的建立2023/3/1

13工程電磁場導論—導言麥克斯韋深化探討了電與磁之間相互聯(lián)系問題。在法拉第試驗的基礎上，總結了宏觀電磁現(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，建立了宏觀經典的電磁場理論。麥克斯韋探討電磁場重要時辰表：1855年，起先致力于電磁學的探討1864年，“電磁場的動力學理論”發(fā)表1873年，“電磁通論”著作完成，經典宏觀的電磁場理論建立。二、

電磁場理論的發(fā)展2023/3/1

14工程電磁場導論—導言電磁場理論——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動身點：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變更。物體高速運動時將發(fā)生尺短鐘慢的現(xiàn)象，當物體速度達到光速時，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2023/3/1

15工程電磁場導論—導言德國科學家赫茲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，證明白麥克斯韋關于電磁波存在的預言。這一重要試驗導致了后來無線電報的獨創(chuàng)，從今起先了電磁場與電磁波理論的應用與發(fā)展時代。無線電報（telegraph）：1895年，馬可尼進行2.5公里無線電報傳送；1896年，波波夫進行250米無線電報傳送試驗；1899年，跨越英吉利海峽的電報傳送試驗成功；1901年，跨越大西洋3200公里的電報傳送試驗成功。二、

電磁場理論的發(fā)展2.4電磁場理論的發(fā)展與應用探討2023/3/1

16工程電磁場導論—導言有線電話（telephone）：1876年,美國科學家貝爾在美國建國100周年博覽會上展示了他所獨創(chuàng)的有線電話。廣播（broadcasting）;1906年,美國費森登用50千赫的發(fā)電機作放射機，用微音器接入天線作為調制，使大西洋航船上的報務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械掃描電視；茲沃霄金在1923年和1924年相繼獨創(chuàng)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)展與應用探討2023/3/1

17工程電磁場導論—導言雷達（Radar）：雷達英文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，是雷達最早的概念。雷達作為一種探測目標的電子設備，產生于二次世界大戰(zhàn)。1936年，英國設計的警戒雷達投入運行；1938年，美國研制成第一部炮火限制雷達；1940年，微波雷達出現(xiàn)；1944年，自動跟蹤飛機的雷達研制成功；1945年，顯示運動目標的顯示技術獨創(chuàng)。二、

電磁場理論的發(fā)展2.4電磁場理論的發(fā)展與應用探討2023/3/1

18工程電磁場導論—導言衛(wèi)星通信（Satellitecommunication）：1958年，美國低軌“探險者”衛(wèi)星放射成功；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（NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem_GPS）1957年，衛(wèi)星放射成功后，以衛(wèi)星為基地的對地球表面及近地空間目標的定位和導航成為可能。二、

電磁場理論的發(fā)展2.4電磁場理論的發(fā)展與應用探討2023/3/1

19工程電磁場導論—導言衛(wèi)星定位技術（NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem_GPS）1958年，美國起先探討實施這一支配，1964年探討成功子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)。1973年美國提出了由24顆星組成的GPS支配。北斗定位系統(tǒng)：北斗系統(tǒng)是我國建立的區(qū)域導航定位系統(tǒng)。北斗一代以運行，北斗二代2011年完成系統(tǒng)組網(wǎng)，基本具備運行實力，2020年完成建設任務。二、

電磁場理論的發(fā)展2.4電磁場理論的發(fā)展與應用探討2023/3/1

20工程電磁場導論—導言三、電磁場理論應用3.1電磁場（與電磁波）的基本應用

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。

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。

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。2023/3/1

21工程電磁場導論—導言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備放射的輻射電磁場對處于場內其它電氣和電子設備的干擾）電磁環(huán)境問題（各種電磁場及波對環(huán)境和人體的影響）須要探討和發(fā)展各種電磁環(huán)境中的電磁兼容技術.2023/3/1

22工程電磁場導論—導言3.3電磁場與波應用探討熱點電機技術1870年比利時工程師格拉姆獨創(chuàng)了直流發(fā)電機。1888年南斯拉夫誕生的美國獨創(chuàng)家特斯拉獨創(chuàng)了溝通電動機。1902年瑞典工程師丹尼爾森首先提出同步電動機構想。就在法拉第發(fā)覺電磁感應原理的其次年(1832年），法國人皮克希應用電磁感應原理制成了最初的發(fā)電機。1867年，德國獨創(chuàng)家韋納·馮·西門子對發(fā)電機提出了重大改進。他利用電磁鐵替代永磁體產生磁場，使磁力增加，產生強大的電流。2023/3/1

23工程電磁場導論—導言雷達技術（RadioDetectionandRanging）在整個其次次世界大戰(zhàn)期間,雷達成了電磁場理論最活躍的部分。衛(wèi)星定位技術（GPS）電磁兼容技術（EMC）EMC(electromagneticcompatibility)電磁兼容－指的是一個產品和其它產品共存于特定的電磁環(huán)境中，而不會引起其它產品或者自身性能下降或損壞的實力。3.3電磁場與波應用探討熱點2023/3/1

24工程電磁場導論—導言3.4電磁場理論的進一步發(fā)展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。特殊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（數(shù)值解）的新學科，它是當今電磁學的重要分支。如有限差分法、有限元法、矩量法等。另一個具有魅力的探討主題是被電磁場干擾的氣態(tài)等離子體。2023/3/1

25工程電磁場導論—導言四、學習目的、要求及學習支配4.1.學習目的與要求駕馭宏觀電磁場的基本屬性與運動規(guī)律駕馭宏觀電磁場問題的基本分析方法了解宏觀電