电信、电科--绪论-电磁场理论

1、绪论1授授 课课 人：赵来军人：赵来军Email ：电磁场与波电磁场与波绪论2一、课程简介一、课程简介二、电磁场理论的主要研究领域二、电磁场理论的主要研究领域 三、电磁场理论发展简史三、电磁场理论发展简史 四、课程体系四、课程体系五、教材与参考书目五、教材与参考书目 绪论3 是高等学校电类专业本科生是高等学校电类专业本科生必修的一门技术基必修的一门技术基础课础课，课程涵盖的内容是合格的电气信息类专业本，课程涵盖的内容是合格的电气信息类专业本科学生所应具备的知识结构的重要组成部分。科学生所应具备的知识结构的重要组成部分。 电磁场与电磁波基本理论是一些交叉学科的生电磁场与电磁波基本理论是一些交叉学

2、科的生长点和新兴学科发展的基础长点和新兴学科发展的基础. .掌握电磁场基本理论有掌握电磁场基本理论有利于完善学生自身素质，增强创新能力。利于完善学生自身素质，增强创新能力。 绪论4通过本课程的学习，掌握电磁场的基本规律，深刻通过本课程的学习，掌握电磁场的基本规律，深刻理解麦克斯韦方程组和电磁场、电磁波的性质；理解麦克斯韦方程组和电磁场、电磁波的性质；熟悉一些重要的电磁场问题的数学模型的建立过程熟悉一些重要的电磁场问题的数学模型的建立过程以及分析方法（如波动方程、拉氏方程等）；以及分析方法（如波动方程、拉氏方程等）；培养正确的思维方法和分析问题的能力，对培养正确的思维方法和分析问题的能力，对“场

3、场”与与“路路”这两种既密切相关又相距甚远的理论有深这两种既密切相关又相距甚远的理论有深刻的认识，并学会用刻的认识，并学会用“场场”的观点去观察、分析和的观点去观察、分析和计算一些简单、典型的场的问题；计算一些简单、典型的场的问题；为从事微波、天线、电子技术、通信和电磁兼容等为从事微波、天线、电子技术、通信和电磁兼容等领域的研究及解决实际问题打下必要的基础。领域的研究及解决实际问题打下必要的基础。绪论5电磁场与电磁波是电子信息科学与技术、电磁场与电磁波是电子信息科学与技术、电信专业后续课程，如：电信专业后续课程，如：无线通信原理无线通信原理与应用与应用、现代通信技术现代通信技术、电磁工电磁工程

4、程EMCEMC、通信原理通信原理和和微波技术微波技术以以及研究生有关的课程如：及研究生有关的课程如：高等电磁理高等电磁理论论、电磁场数值方法电磁场数值方法、电磁场高电磁场高频方法频方法和和电磁波传播理论电磁波传播理论的重要基的重要基础。础。绪论6作为无线电技术的理作为无线电技术的理论基础，集中于三大论基础，集中于三大类应用问题的研究。类应用问题的研究。二、电磁场理论的主要研究领域绪论7 电磁场（或电磁波）作为能量的一种形式，是电磁场（或电磁波）作为能量的一种形式，是当今世界最重要的能源，其研究领域涉及电磁当今世界最重要的能源，其研究领域涉及电磁能量的产生、储存、变换、传输和综合利用。能量的产生

5、、储存、变换、传输和综合利用。 电磁波作为信息传输的载体，成为当今人类电磁波作为信息传输的载体，成为当今人类社会发布和获取信息的主要手段，主要研究领社会发布和获取信息的主要手段，主要研究领域为信息的产生、获取、交换、传输、储存、域为信息的产生、获取、交换、传输、储存、处处 理、再现和综合利用。理、再现和综合利用。 电磁波作为探测未知世界的一种重要手段，电磁波作为探测未知世界的一种重要手段，主主 要研究领域为电磁波与目标的相互作用要研究领域为电磁波与目标的相互作用特性、特性、 目标特征的获取与重建、探测新技目标特征的获取与重建、探测新技术等。术等。 绪论81 1电磁场理论的早期研究电磁场理论的早

6、期研究 电、磁现象是大自然最重要的往来现象，也最电、磁现象是大自然最重要的往来现象，也最早被科学家们关心和研究的物理现象，其中贡献最早被科学家们关心和研究的物理现象，其中贡献最大的有来顿、富兰克林、伏打等科学家。大的有来顿、富兰克林、伏打等科学家。 1919世纪以前，电、磁现象作为两个独立的物理世纪以前，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。但是由于这些研究现象，没有发现电与磁的联系。但是由于这些研究 （特别是伏打（特别是伏打17991799年发明了电池），为电磁学理论年发明了电池），为电磁学理论的建立奠定了基础。的建立奠定了基础。绪论9 18 18世纪末期，德国哲学家谢林认

7、为，宇宙世纪末期，德国哲学家谢林认为，宇宙是有活力的，而不是僵死的。他认为电就是是有活力的，而不是僵死的。他认为电就是宇宙的活力，是宇宙的灵魂；电、磁、光、宇宙的活力，是宇宙的灵魂；电、磁、光、热是相互联系的。热是相互联系的。 奥斯特是谢林的信徒，他从奥斯特是谢林的信徒，他从18071807年开始研年开始研究电磁之间的关系。究电磁之间的关系。18201820年，他发现电流以年，他发现电流以力作用于磁针。力作用于磁针。绪论10 安培发现作用力的方向和电流的方向以及磁针安培发现作用力的方向和电流的方向以及磁针到通过电流的导线的垂直线方向相互垂直，并定量到通过电流的导线的垂直线方向相互垂直，并定量建

8、立了若干数学公式。建立了若干数学公式。 法拉第在谢林的影响下，相信电、磁、光、热法拉第在谢林的影响下，相信电、磁、光、热是相互联系的。奥斯特是相互联系的。奥斯特18201820年发现电流以力作用于年发现电流以力作用于磁针后，法拉第敏锐地意识到，电可以对磁产生作磁针后，法拉第敏锐地意识到，电可以对磁产生作用，磁也一定能够对电产生影响。用，磁也一定能够对电产生影响。18211821年他开始探年他开始探索磁生电的实验。索磁生电的实验。18311831年他发现，当磁捧插入导体年他发现，当磁捧插入导体线圈时；导线圈中就产生电流。这表明，电与磁之线圈时；导线圈中就产生电流。这表明，电与磁之间存在着密切的联

9、系。间存在着密切的联系。绪论11 麦克斯韦深入研究并探讨了电与磁之麦克斯韦深入研究并探讨了电与磁之间发生作用的问题，发展了场的概念。在间发生作用的问题，发展了场的概念。在法拉第实验的基础上，总结了宏观电磁现法拉第实验的基础上，总结了宏观电磁现象的规律，引进位移电流的概念。这个概象的规律，引进位移电流的概念。这个概念的核心思想是：变化着的电场能产生磁念的核心思想是：变化着的电场能产生磁场；与变化着的磁场产生电场相对应。在场；与变化着的磁场产生电场相对应。在此基础上提出了一套偏微分方程来表达电此基础上提出了一套偏微分方程来表达电磁现象的基本规律，称为麦克斯韦方程组，磁现象的基本规律，称为麦克斯韦方

10、程组，是经典电磁学的基本方程。是经典电磁学的基本方程。绪论123 3电磁场理论的应用和发展电磁场理论的应用和发展 18871887年，德国科学家赫兹用火花隙激励年，德国科学家赫兹用火花隙激励一个环状天线，用另一个带隙的环状天线一个环状天线，用另一个带隙的环状天线接收，证实了麦克斯韦关于电磁波存在的接收，证实了麦克斯韦关于电磁波存在的预言，这一重要的实验导致了后来无线电预言，这一重要的实验导致了后来无线电报的发明。从此开始了电磁场理论应用与报的发明。从此开始了电磁场理论应用与发展时代，并且发展成为当代最引人注目发展时代，并且发展成为当代最引人注目的学科之一。的学科之一。绪论13 无线电报无线电报

11、 18951895年，意大利马可尼成功地进行年，意大利马可尼成功地进行了了2.52.5公里距离的无线电报传送实验。公里距离的无线电报传送实验。18961896年，年，波波夫进行了约波波夫进行了约250250米距离的类似试验米距离的类似试验, 1899, 1899年年, , 无线电报跨越英吉利海峡的试验成功；无线电报跨越英吉利海峡的试验成功；19011901年，跨越大西洋的年，跨越大西洋的32003200公里距离的试验成公里距离的试验成功。马可尼以其在无线电报等领域的成就，获功。马可尼以其在无线电报等领域的成就，获得了得了19091909年的诺贝尔奖金物理学奖。无线电报年的诺贝尔奖金物理学奖。无

12、线电报的发明，开始了利用电磁波时期。的发明，开始了利用电磁波时期。 有线电话有线电话 18761876年年, ,美国美国A.G.A.G.贝尔在美国建国贝尔在美国建国100100周年博览会上展示了他所发明周年博览会上展示了他所发明 的有线电话。的有线电话。此后此后, ,有线电话便迅速普及开来。有线电话便迅速普及开来。绪论14 广播广播 19061906年，美国费森登用年，美国费森登用5050千赫频率发电千赫频率发电机作发射机，用微音器接入天线实现调制，使机作发射机，用微音器接入天线实现调制，使大西洋航船上的报务员听到了他从波士顿播出大西洋航船上的报务员听到了他从波士顿播出的音乐。的音乐。1919

13、1919年，第一个定时播发年，第一个定时播发 语言和音语言和音乐的无线电广播电台在英国建成。次年乐的无线电广播电台在英国建成。次年 ，在，在美国的匹兹堡城又建成一座无线电广播电台。美国的匹兹堡城又建成一座无线电广播电台。 电视电视 18841884年，德国尼普科夫提出机械扫描电年，德国尼普科夫提出机械扫描电视的设想，视的设想，19271927年，英国贝尔德成功地用电话年，英国贝尔德成功地用电话线路把图像从伦敦传至大西线路把图像从伦敦传至大西 洋中的船上。兹洋中的船上。兹沃霄金在沃霄金在19231923和和19241924年相继发明了摄像管和显年相继发明了摄像管和显像管。像管。19311931年

14、，他组装成世界上第一个全电子年，他组装成世界上第一个全电子电视系统电视系统。绪论15雷达雷达（Radio Detection and RangingRadio Detection and Ranging） 二次世界大战前夕，飞机成为主要进攻武器。二次世界大战前夕，飞机成为主要进攻武器。英、美、德、法等国竞相研制一类能够早期警英、美、德、法等国竞相研制一类能够早期警戒飞机的装置。戒飞机的装置。19361936年，英国的瓦特设计的警年，英国的瓦特设计的警戒雷达最先投入了运行。有效地警戒了来自德戒雷达最先投入了运行。有效地警戒了来自德国的轰炸机。国的轰炸机。19381938年，美国研制成第一部能指年

15、，美国研制成第一部能指挥火炮射击的火炮控制雷达。挥火炮射击的火炮控制雷达。19401940年，多腔磁年，多腔磁控管的发明，微波雷达的研制成为可能。控管的发明，微波雷达的研制成为可能。19441944年，能够自动跟踪飞机的雷达研制成功。年，能够自动跟踪飞机的雷达研制成功。19451945年，能消除背景干扰显示运动目标的显示技术年，能消除背景干扰显示运动目标的显示技术的发明的发明, ,使雷达更加完善。在整个第二次世界大使雷达更加完善。在整个第二次世界大战期间战期间, ,雷达成了电磁场理论最活跃的部分。雷达成了电磁场理论最活跃的部分。绪论16卫星通信技术卫星通信技术 19581958年年, , 美国

16、发射低轨的美国发射低轨的“斯科尔斯科尔”卫星成功卫星成功, ,这是第一颗用于通信的试验卫星。这是第一颗用于通信的试验卫星。19641964年年, ,借助定点同步通信卫星首次实现了美、借助定点同步通信卫星首次实现了美、 欧、非欧、非三大洲的通信和电视转播。三大洲的通信和电视转播。19651965年年, ,第一颗商用定第一颗商用定点同步卫星投入运行。点同步卫星投入运行。19691969年年, , 大西洋、太平洋和大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定点同步通信卫星印度洋上空均已有定点同步通信卫星, ,卫星地球站卫星地球站已遍布世界各国，这些卫星地球站又和本国或本地已遍布世界各国，这些卫星地球站又和本国

17、或本地区的通信网接通。卫星通信经历区的通信网接通。卫星通信经历1010年的发展，终趋年的发展，终趋于成熟于成熟。绪论17 卫星定位技术卫星定位技术 19571957年卫星发射成功后，人们试图将年卫星发射成功后，人们试图将雷达引入卫星，实现以卫星为基地对地球雷达引入卫星，实现以卫星为基地对地球表面及近地空间目标的定位和导航。表面及近地空间目标的定位和导航。19581958年底，美国开始研究实施这一计划，于年底，美国开始研究实施这一计划，于19641964年研究成功子午仪卫星导航系统。年研究成功子午仪卫星导航系统。19731973年美国提出了由年美国提出了由2424颗卫星组成的实用颗卫星组成的实用

18、系统新方案，即系统新方案，即GPSGPS计划。其含义是利用导计划。其含义是利用导航卫星航卫星 进行测时和测距。进行测时和测距。19901990年最终的年最终的GPSGPS方案是由方案是由2121颗工作卫星和颗工作卫星和3 3颗在轨备用颗在轨备用卫星组成。卫星组成。绪论18电磁场与波的更多应用电磁场与波的更多应用 当今的无线通信、广播、雷达、遥控遥测、微波当今的无线通信、广播、雷达、遥控遥测、微波遥感、无线因特网、无线局域网、卫星定位以及光纤遥感、无线因特网、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媒介传输信息的。通信等信息技术都是利用电磁波作为媒介传输信息的。 静电复印、静

19、电除尘以及静电喷漆等技术静电复印、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。都是基于静电场对于带电粒子具有力的作用。 电磁铁、磁悬浮轴承以及磁悬浮列车等，电磁铁、磁悬浮轴承以及磁悬浮列车等，都是利用磁场力的作用。都是利用磁场力的作用。绪论19B2 隐形轰炸机隐形轰炸机 i rri反反 射射 定定 律律 的的 应应 用用绪论20 全全 球球 定定 位位 系系 统统 Global Positioning System(GPS)信信 息息 载载 体体 的的 应应 用用 绪论21绪论22世界首辆载人高温超导磁悬浮试验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

20、制Stable!Stable!磁磁 场场 力力 的的 应应 用用绪论23 随着现代科学技术的发展，电子、电气系统获得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、电气设备大越来越广泛的应用。运行中的电子、电气设备大多伴多伴随着电磁能量的转换，使得高密度、宽频谱的电磁信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峻的挑战，人类生存受到威胁。

21、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。的能力，如何改善人类生存环境。 绪论24 在这样的背景下提出了电磁兼容的概念，逐渐形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成了一门新学科电磁兼容性电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility,简写为简写为EMC）。）。电子系统的电磁兼容电子系统的电磁兼容性的分析、计算、试验都要用到大量的电磁场理论知性的分析、计算、试验都要用到大量的电磁场理论知识，应用到电路的基础知识，甚至生物医学知识。可识，应用到电路的基础知识，甚至生物医学知识。可以说，电磁兼容学科是电磁场学科和其他相关学科相以说，电磁兼容学科是电磁场学科和其他相关学科相结合而形成的新学科。结合而形成的新学科。绪论25矢量分析矢量分析静电场静电场恒定电场恒定电场恒定磁场恒定磁场时变电磁场时变电磁场准静态电磁场准静态电磁场平面电磁波的传播平面电磁波的传播均匀传输线中的导行电磁波均匀传输线中的导行电磁波波导与谐振腔波导与谐振腔