电磁场与电磁波第二版教案杨儒贵高等教育出版社

1、电子教案杨儒贵高等教育出版社高等教育电子音像出版社一、几点说明二、简介三、目录四.教学目的 五.学时安排 六、各章重点七,参考书目几点说明本电子教案是根据作者撰写的电磁场与电磁波（第2版）纸质教材编制的，其特色如下：1.全教案包括12个部分，除了对应纸质教材的10章内容,外加目录和前言。2.基于64学时课堂讲授时间，结合自己的教学经验，对于纸质教材的内容进行了适当的取舍。突出物理 概念，减少数学推演。3 .重要名词.定义及概念所用字体皆以红色显示。4 .图表尽量使用彩色绘制,且充分利用动画功能。5.语言简练.重点突出。画面美观.文字醒目。6. 本教案是在Windows XP环境下,利用Of仃c

2、e2003中PowerPoint软件和Mathtype5.2制作的。若用其他 软件运行，可能会出现显示错误。简 介课程名称：电磁场与电磁波 课程性质：专业技术基础课 使用教材：杨儒贵电磁场与电磁波北京：高等教育出版社，2007 适用专业：电子信息类专业 制作者：杨儒贵 制作单位：西南交通大学理学院电磁所刖言第一章 矢量分析第二章静电场第三章 静电场的边值问题第五章 恒定磁场EH H电磁感应 时变电磁场 平面电磁波 导行电磁波 电磁辐射及原理电磁场与电磁波学分:4 学时:64方式：讲授、讨论数学目的通过课堂教学，介绍电磁场与电磁波的基本特性 及规律，内容侧重时变电磁场。学时安挑（总学时64 ：讲

3、授60 ,机动4 ）矢量分析：4静电场：7静电场边值问题：4恒定电流场：3恒定磁场：6电磁感应：3时变电磁场：7平面电磁波：10导行电磁波：8 电磁辐射：8各幸重点1 .矢量分析：梯度，散度，旋度，亥姆霍兹定理。2 .静电场：电场强度，场方程，边界条件，能量与力。3 .静电场边值问题：电位微分方程，镜像法，分离变量法。4 .恒定电流场：电流，电流连续性原理，能量损耗。5 .恒定磁场：磁通密度，场方程，边界条件。6 .电磁感应:电磁感应定律，自感与互感，能量与力。7 .时变电磁场:位移电流，麦克斯韦方程,边界条件，位函数，能流密度矢量，正弦电磁场，复能流密度矢量。8 .平面电磁波：理想介质中的平

4、面波，极化特性，平 面边界上的正投射，任意方向传播的平面波的表示，平面边 界上的斜投射。9 .导行电磁波：矩形波导中的电磁波，矩形波导 中的TE1。波，圆波导中的电磁波，同轴线，谐振腔。10 .电磁辐射：电流元辐射，天线方向性，线天线,天线阵，对偶原理，镜像原理，互易原理，惠更斯原理, 面天线辐射。参考书目一.基本参考书1杨儒贵.电磁场与电磁波M. 2版.北京:高等教 育出版社,2007.2谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波M.4版.北京： 高等教育出版社,2006.3倪光正.工程电磁场原理M.北京:高等教育出版 社,2002.4赵克玉，许福永.微波原理与技术M.北京:高等教育出版社,2006.5

5、梁昌洪，谢拥军,官伯然.简明微波M.北京:高等教育出版社J006.二.较深参考书1杨儒贵,陈达章,刘鹏程.电磁理论M.西安:西安交通大学出社,19912楼仁海,符果行,袁敬闵.电磁理论M.成都：电子科技大学出版社,19963傅君眉,冯恩信.高等电磁理论M.西安:西安交通大学出版社,20004杨儒贵.电磁理论中的辅助函数M.北京:高等教育出版社，19925杨儒贵.电磁定理和原理及其应用M,成都:西南交通大学出版社,2002国 r>im有 t电场和碌场静止电荷产生的场表现为对于带电体有力的作用，这 种场称为电场。不随时间变化的电场称为静电场。运动电荷或电流产生的场表现为对于磁铁和载流导体 有

6、力的作用，这种物质称为磁场。不随时间变化的磁场 称为恒定磁场。电赧波如果电荷及电流均随时间改变，它们产生的电场 及磁场也是随时间变化的。时变的电场与时变的磁场 可以相互转化，两者不可分割，它们构成统一的时变 电磁场。时变电场与时变磁场之间的相互转化作用, 在空间形成了电磁波。静电场与恒定磁场相互无关、彼此独立，可以分别 进行研究。因此，本书先讨论静电场和恒定磁场，然 后再介绍时变电磁场。物质属性电磁场与电磁波是客观存在的一种物质,因为它具有物质的两种重要属性：能量和质量。但是,电磁场与电磁波的质量极其微小，因此，通常仅研究电磁 场与电磁波的能量特性。电磁场与电磁波既然是一种物质，它的存在和传播

7、 无需依赖于任何介质。对于电磁场与电磁波来说，真空环境通常被称为 “自由空间。场与介质当空间存在介质时，在电磁场的作用下介质中会发生极化与磁化现象,结果在介质中又产生二次电场及 磁场，从而改变了介质中原先的场分布，这就是场与 介质的相互作用现象。先介绍真空中的电磁场，然后再讨论介质中的电磁场。场与媒电荷及电流是产生电磁场惟一的源。引入磁荷及磁流的概念是十分有益的，但是，它 们仅是假想的。研究场与源的关系是电磁理论的基本问题之一。历史的回颜时 代发明者公元前600年 希腊人现 象摩擦后琥殖吸引微物体公元前300年中国人磁石吸铁1785年法国库仑(17361806)电荷之间的作用力库仑定律1820

8、年丹麦奥斯特(17771851)电流产生磁场1820年法国安培(17751836)1831年英国法拉第(17911867)电流之间的作用力安培定律时变磁场产生时变电场电磁感应定律1873年英科学家麦克斯韦( 18311879 )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。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(18571894 )的实验证实俄国的波波夫马可尼于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。电磁场与波的应用静电复印.静电除尘以及静电喷漆等技术都是基于 静电场对于带电粒子具有力的作用O电磁铁磁悬浮轴承以及磁悬

9、浮列车等，都是利 用磁场力的作用。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。世界百辆载人高温超导磁悬浮试验车' '磁 场 力 的 应 用a 。<立体电影息 载 体 的 应 用无线用户2004年无线上网的设备达到15亿部。2004年60%美国人在工作中使用无线 2005年全世界无线上网的人数达到4.8亿。2007年美国无线商务用户超过1亿。目前中国的手机用户已有5亿多,相互促进，共同发展新技术的广泛应用促进了电磁理论的发展。由此创建 了很多分析电磁场与电磁波的新方法，研制了很多电磁

10、 性能优越的新材料。随着大容量的高性能及高速度计算机的出现，不但解决 了很多电磁理论的计算问题，同时也萌生了计算电磁场与 电磁波的新方法，从而形成计算电磁学的新学科。电箱单住本书采用国际单位制（SI ）。在电磁学中，这种单位制的四个基本单位是长度.质量时间和电流 长度单位为m （米），质量单位为kg （千克），时间单位为s （秒），电流单位为A （安培）。对于正弦电磁场使用的时间因子e刖。第一章矢量分析梯度、散度.旋度、亥姆霍兹定理L标量场的方向导数与梯度5.格林定理2 .矢量场的通量与散度3 .矢量场的环量与旋度4 .无散场和无旋场6 .矢量场的惟一性定理7 .亥姆霍兹定理8 .正交曲面坐标

11、系标量场（）以浓度表示的标量场和矢量场（A ）以箭头表示的矢量场A1 .标量场的方向导数与梯度P标量场在某点的方向导 数表示标量场自该点沿某 一方向上的变化率。标量场在尸点沿/方向上的方向导数W定义为C I梯度是一个矢量。某点梯度的大小等于该点的最大方向导数，某点梯度的方向为该点具有最大方向导数的方向。在直角坐标系中，标量场的梯度可表示为式中的gmd是英文字gradient的缩写。若引入算符,在直角坐标系中该算符V可表示为则梯度可以表示为grsza计算七）及厂由。这里 /?=|r-r1 20示对羽y, z运算v表示对北乂之，运算RR一V =-VP表示源点,P表示场点。2 .矢量场的通量与散度矢

12、量A沿某一有向曲面S的面积分称为矢量A通过该有向曲面$的通量，以标量产表示，即通量可为正、负或零。当矢量穿出某个闭合面时，认为该闭合面中存在产 生该矢量场的源；当矢量进入这个闭合面时，认为该闭 合面中存在汇聚该矢量场的洞（或汇）。闭合的有向曲面的方向通常规定为闭合面的外法线方向。当闭合面中有源时，矢量通过该闭合面的通量一 定为正；反之，当闭合面中有洞时，矢量通过该闭 合面的通量一定为负。前述的源称为正源,而洞称为负源。但是，通量仅能表示闭合面中源的总量，它不能 显示源的分布特性。为此需要研究矢量场的散度。当闭合面S向某点无限收缩时，矢量A通过该闭 合面S的通量与该闭合面包围的体积之比的极限称为

13、 矢量场A在该点的散度，以div A表示，即AK式中,div是英文字divergence的缩写；AV为闭合面 S包围的体积。IsJAdS dvA=lim上式表明，散度是一个标量，它可理解为通过包国 单位体积闭合面的通量。直角坐标系中散度可表示为4a% F为dv>4=- H-H3c a &因此散度可用算符V表示为散度定理或者写为从数学角度可以认为散度定理建立了面积分和体 积分的关系。从物理角度可以理解为散度定理建立 了区域V中的场和包圉区域V的边界S上的场之间 的关系。因此，如果已知区域V中的场，根据散度 定理即可求出边界S上的场，反之亦然。例 求空间任一点位置矢量的散度。解已知求

14、得算子标量场的梯度矢量场的散度dvA=limZSK-© AK& &矢量场的旋度？3 .矢量场的环量与旋度矢量场A沿一条有向曲线I的线积分称为矢量场A沿该曲线的环量，以，表示，即厂Rad可见,若在闭合有向曲线I上，矢量场A的方向处 处与线元dZ的方向保持一致，则环量厂 0 ；若处 处相反，则， 0。可见，环量可以用来描述矢量 场的旋涡特性。已知真空中磁通密度B沿任一闭合有向曲线/的环量等于该闭合曲线包围的传导电流强度/与真空磁导率。的乘积。即式中，电流/的正方向与dZ的方向构成右旋关系。环量可以表示产生具有旋涡特性的源的强度，但 是环量代表的是闭合曲线包圉的总的源强度，它不能 显示源的分布特性。为此，需要研究矢量场的旋度。旋度是一个矢量。以符号 curl A 表示矢量A的旋度,其方向是使矢量A具有最大环量强度的方向,其大小等于对该矢量方向的最大环量强度，即式中curl是旋度的英文字；%为最大环量强度的方向上的单位矢量，AS为闭合曲线I包围的面积。矢量场的旋度大小可以认为是包围单位面积的闭合曲线上的最大环量。直角坐标系中，旋度可用矩阵表示为curl A5 dz或者无论梯度.散度或旋度都是微分运算，它们表示函数的连续性是可微的必要条件。因此在场量发场在某点附近的变化特性。因此，梯度.散度及旋度 描述的是场的点特性或称为微分特性。生不连续处