电磁场与电磁波前言.ppt

一 课程简介二 电磁场理论发展简史三 电磁场理论的主要应用四 电磁场理论的主要研究领域五 课程知识体系六 主要参考书目 绪论 一 课程简介 本课程是高等学校电子信息类及电气信息类专业本科生必修的一门技术基础课 在 大学物理 电磁学 的基础上 进一步研究宏观电磁现象和电磁过程的基本规律及其分析计算方法 通过课程的学习 掌握基本的宏观电磁理论 具备分析和解决基本的电磁场工程问题的能力 二 磁场理论发展简史 电磁场理论发展简史1 电磁场理论的早期研究电 磁现象是大自然最重要的现象之一 也是最早被关心和研究的物理现象 公元前600年希腊人发现了摩擦后的琥珀能够吸引微小物体 公元前300年我国发现了磁石吸铁的现象19世纪以前 电 磁现象作为两个独立的物理现象 没有发现电与磁的联系 绪论 2 电磁场理论的建立18世纪末期 德国哲学家谢林认为 世界上各种运动形式之间具有统一性 光 电 磁 化学 力等都是相互联系的 是同一事物的不同侧面 丹麦的奥斯特在这种思想的指导下 经过长期的研究于1820年发现了电流的磁效应 初步揭开了电与磁的内在联系 为电磁学的迅速发展揭开了新的一页 英国的法拉第敏锐地意识到 既然电可以产生磁效应 磁也一定能够产生电效应 1831年 他发现了电磁感应现象 二 磁场理论发展简史 1873年英国科学家麦克斯韦 1831 1879 提出了位移电流的假设 认为时变电场可以产生时变磁场 并建立了严格的数学方程 麦克斯韦方程 重大突破 麦克斯韦预言电磁波的存在 后来在1887年被德国物理学家赫兹 1857 1894 的实验证实 俄国的波波夫及意大利的马可尼于19世纪末先后发明了使用电磁波作为信息载体的传输技术 电磁感应的发现 是科学史上最伟大的发现之一 它揭示了自然界中的机械运动 磁运动 电运动并不是独立的 而是普遍地联系着的 是可以相互转化的在前人研究的基础上 英国的麦克斯韦深入研究了电与磁之间发生相互作用的问题 三 电磁场理论的主要应用 当今世界 电子电力 信息通信 雷达 广播 电视 导航 遥控遥测等 在我们的日常生活中 普遍应用了电磁场理论技术 1 电场 电磁场理论 2 磁场 3 电磁波 电子管 晶体管 阴极射线管 显像管 回旋加速器及静电复印 静电除尘以及静电喷漆等技术都是利用了电场力对电荷及电子的作用 发电机 示波器 显像管 磁控管 质谱仪 回旋加速器 电磁铁 磁悬浮轴承以及磁悬浮列车等都离不开磁场的作用 电场 磁场 电磁起重机 电磁铁吸起铁矿石 继电器 继电器工作原理 变压器 三峡发电机组 发电机线圈 发电机转子 三峡发电机转轮 电动机构成 高压电动机 电动机原理 磁悬浮列车 世界首辆载人高温超导磁悬浮试验车 西南交通大学应用超导研究所研制 Stable Stable 磁场力的应用 绪论 当今的无线通信 广播 雷达 遥控遥测 微波遥感 无线广域网 无线局域网 卫星定位以及光纤通信等信息技术都是利用电磁波作为载体传输信息的 电磁波 微波是频率非常高的电磁波 通常 我们将频率为300MHz至30GHz的电磁波称作微波 绪论 1 广播 绪论 移动通信 2 移动通信 基站 2004年无线上网的设备达到15亿部 2011年全世界手机用户人数达到46亿 目前中国的手机用户已有13亿多 微波能穿透等离子体和电离层由于微波既能穿透电离层 低频电磁波不行 也能穿透尘埃 云 雾 光波不行 因此 微波就成了卫星通讯 空间通讯和射电天文研究的重要手段 3 卫星广播 电视 通信 绪论 绪论 全球定位系统GlobalPositioningSystem GPS 信息载体的应用 4 雷达 Radar RadioDetectionAndRanging 雷达是微波技术的传统应用领域 雷达 青霉素和原子弹被称为二战期间的三大科学发明 1931年至1935年 英国皇家无线电研究所的科学家首先发明了雷达 当时雷达的作用距离仅为80公里 雷达在第二次世界大战中投入实用 并在许多重要战役中起到了决定性的作用 其中包括著名的不列颠空战和中途岛海战 绪论 雷达与隐形飞机 隐形飞机 雷达 英国研制独特隐形飞机的Replica计划中的隐形机模型 雷达的其它应用 公众应用 机场监视 海上导航 气象雷达 测量学 飞机着陆 夜间防盗 速度测量 警戒雷达 测绘等 军事应用 空间和海事导航 飞机 导弹 空间飞行器的检测和跟踪 导弹的精确制导 导弹和火炮的点火控制 武器保险 侦察等 科学应用 天文学 绘图和成像 精密距离测量 自然资源遥感等 B2隐形轰炸机 反射定律的应用 绪论 立体电影 电磁波极化特性的应用 5 其他应用研究受控核聚变的一个主要手段就是借助微波 毫米波的等离子体诊断技术 全球个人通讯是绝对离不开微波通讯系统的 光纤通讯微波加热 微波炉微波治疗 微波可以对人体内的炎症 溃疡 肿瘤等微波武器 高能微波束可以干扰甚至摧毁敌方的各种电子设备 可以引爆敌方的炮弹 导弹甚至核武器等 绪论 微波能穿透等离子体和电离层目前 研究受控核聚变的一个主要手段就是借助微波 毫米波的等离子体诊断技术 根据石油起源于古生物遗体的 有机成因学说 2000年前后 地球上的石油贮藏量约为1370亿吨 可供人类再开采40至50年 根据美国康奈尔大学天文学家托马斯 戈尔德教授提出的石油 无机成因学说 石油起源于46亿年前地球诞生时封存在地球深处的甲烷 可以供人类再开采500年 尽管人们对这两种学说仍存在争论 但两种学说都认为石油资源是有限的 因此 人类的能源终将依赖于受控核聚变 开发受控核聚变能源是解决人类对能源 无限 需求的根本途径 受控核聚变的产生条件是高温 检测和控制核反应堆内部的温度是受控核聚变的关键 由于核反应堆中的高温会使气体发生电离 通过对核反应堆中等离子体的诊断 我们可以探测到核聚变反应堆内部的温度情况 从而实现受控核聚变 绪论 二 信息技术领域微波通讯系统的工作频带宽 信息容量大 机动性好 特别适合于卫星通讯 宇航通讯和移动通讯等 因而在现代通讯系统中占有相当重要的地位 微波 毫米波通讯系统不但频带宽 信息容量大 而且还具有便于架设 机动性好 保密性好等优点 目前常见的蜂窝移动电话 寻呼机 微波电话网 微波电视网 卫星电视网等等 都属于微波通讯系统 在21世纪 全球个人通讯将会成为现实 那时 不仅每个电话机有电话号码 每个人也将有自己的专用电话号码 就象每个人都有一个身份证号码一样 可以肯定 全球个人通讯是绝对离不开微波通讯系统的 绪论 二 信息技术领域光纤通讯是20世纪60年代开始发展起来的新型通讯手段 它的技术基础是半导体激光器和光导纤维的发明 光纤通讯具有传输距离长 通讯容量极大等优点 是当前和未来通讯网的主干 早期光纤通讯系统的传输速率较低 目前已经从最初的几十兆比特 每秒 发展到140Mbits s 622Mbits s 2 488Gbits s 10Gbits s 40Gbits s甚至更高 可以看出 光纤通讯系统基带信号的传输速率已经进入微波频段 这表明新一代光纤通讯系统同样需要微波技术知识的支持 绪论 二 信息技术领域电子计算机是人类在二十世纪的最伟大发明之一 早期的电子计算机可以说与微波技术毫无联系 随着电子计算机芯片制造技术的不断进步 电子计算机的工作主频已经从早期的20MHz 33MHz 40MHz 66MHz 120MHz不断向高频发展 目前 高性能处理器的主频已经超过3GHz 总线的频率也已达到800MHz 这些都已进入微波波段 如何对CPU 内存 主板等在微波频带内进行合理的设计已经成为目前的一个重要课题 由此可见 新型计算机系统也需要用到微波技术知识 绪论 三 科学研究微波作为一种科学研究的手段也得到了广泛的应用 国际计量大会确定的时间标准 铯 se 133原子时钟的谱线就是处在微波频段 微波在物理学 天文学 化学 医学 气象学等科学领域里的应用导致了许多重要的科学发现和进展 所谓20世纪60年代天文学的四大发现 类星体 中子星 2 7OK微波背景辐射和星际有机分子都是利用微波作为主要观测手段而发现的 绪论 2 7OK微波背景辐射二十世纪六十年代初 贝尔实验室的美国科学家彭齐亚斯和R W 威尔逊为了改进卫星通讯 建立了高灵敏度的接收天线系统 1964年 他们用它测量银晕气体射电强度时 发现总有消除不掉的背景噪声 他们认为 这些来自宇宙的的波长为7 35厘米的微波噪声相当于3 5OK的热辐射 1965年他们又将其修正为3OK 并将这一发现公布 为此获得了1978年的诺贝尔物理学奖 微波背景辐射的最重要特征是具有黑体辐射谱 在0 3 75厘米波段 可以在地面上直接测到 目前的看法认为背景辐射起源于热宇宙的早期 这是对大爆炸宇宙学的强有力支持 绪论 四 其它领域微波加热 微波是一种特殊的能源 利用微波的热效应可以对一些物质进行加热 微波炉 绪论 绪论 微波炉加热原理各种不同的物质 在微波电磁场中 对微波能吸收的情况是不一样的 导电物质遇到微波时 会在其表面产生全反射 微波不可能深入到导体内部 因此 微波不能用来加热良导体 只能对介质材料进行加热 由于介质材料内部存在极性分子 在微波电磁场的作用下 这些极性分子从原来的随机分布状态转向依照微波场的极性排列取向 由于这些取向是按微波频率不断变化的 这种交变过程使分子运动相互摩擦而产生热能 使介质温度不断升高 这种通过介质分子运动将微波能转化为热能的效应就是微波加热 微波治疗 微波可以对人体内的炎症 溃疡 肿瘤和其它病变产生抑制或治疗作用 目前 已经有很多类型的微波治疗仪器投入了实用 微波武器 微波武器的工作原理与微波炉基本相同 高能微波束可以干扰甚至摧毁敌方的各种电子设备 可以引爆敌方的炮弹 导弹甚至核武器等 可以干扰敌方人员的神经系统和大脑的思维 可以灼伤人的眼睛和人体组织 破坏大脑 心脏和呼吸系统的工作 直至杀伤敌方的人员 微波武器 激光武器和粒子束武器被称为新一代定向能武器 它们都是光速武器 而且看不见摸不着 微波武器又是这三种新概念兵器中研制费用最低 最容易实现的一种 绪论 生活中常见波导接头 绪论 中 短波发射天线 微波接力天线 天线 卡塞格伦天线 八目天线 对数周期天线 MMDS A型微波天线 MMDS C型微波天线 北京天文台密云观测站的射电望远镜天线阵 随着现代科学技术的发展 电子 电气系统获得越来越广泛的应用 运行中的电子 电气设备大多伴随着电磁能量的转换 使得高密度 宽频谱的电磁信息充满整个人类的生存空间 构成极其复杂的电磁环境 出现了电磁干扰和电磁污染 使电子系统受到严峻的挑战 人类生存受到威胁 人们面临的一个新问题就是如何提高电子系统在复杂电磁环境下正常运行的能力 如何改善人类生存环境 在这样的背景下提出了电磁兼容的概念 逐渐形成了一门新学科 电磁兼容性 ElectromagneticCompatibility 简写为EMC 电磁兼容 作为理论物理学的一个重要研究分支 主要致力于统一场理论和宏观 微观电动力学的研究 电磁场的重要研究领域 作为无线电技术的理论基础 集中于三大类应用问题的研究 四 电磁场理论的主要研究领域 电磁场理论与微波技术 静态场 6 4 4 4 静电场 第二章 静电场边值问题 第三章 恒定电流场 第四章 恒定磁场分析 第五章 时变场 3 6 8 4 4 电磁感应 第六章 时变电磁场 第七章 平面电磁波 第八章 导行电磁波 第九章 电磁波辐射 第十章 五 课程知识体系 矢量分析 1 4 难点 分析和处理问题的方法 数学处理过程 矢量分析 六 主要参考书目 参考书 1 电磁场理论 毕德显著电子工业出版社2 微波技术与天线 刘学观等编著西安电子科技