电磁场与电磁波课件(中文版)

1、电场和磁场电场和磁场前前 言言 运动电荷或电流产生的场表现为对于磁铁和载流导运动电荷或电流产生的场表现为对于磁铁和载流导体有力的作用，这种物质称为体有力的作用，这种物质称为磁场磁场。不随时间变化的磁。不随时间变化的磁场称为场称为恒定磁场恒定磁场。 静止电荷产生的场表现为对于带电体有力的作用，静止电荷产生的场表现为对于带电体有力的作用，这种场称为这种场称为电场电场。不随时间变化的电场称为。不随时间变化的电场称为静电场静电场。 如果电荷及电流均随如果电荷及电流均随时间时间改变，它们产生的电场改变，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及磁场也是随时间变化的。时变的电场与时变的

2、磁场可以相互转化，两者不可分割，它们构成统一的可以相互转化，两者不可分割，它们构成统一的时变时变电磁场电磁场。时变电场与时变磁场之间的相互转化作用，。时变电场与时变磁场之间的相互转化作用，在空间形成了在空间形成了电磁波电磁波。电电 磁磁 波波 静电场静电场与与恒定磁场恒定磁场相互无关、彼此独立，可以分相互无关、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，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。然后再介绍时变电磁场。物物 质质 属属 性性 电磁场与电磁波既然是一种物质，它的存在和传电磁场与电磁波既然是一种物质，它的存在和传播无需依赖于任何介质。播无需

3、依赖于任何介质。 电磁场与电磁波是客观存在的一种物质，因为它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具有物质的两种重要属性：能量能量和和质量质量。但是，电磁。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质量极其微小，因此，通常仅研究电磁场与电磁波的场与电磁波的能量特性能量特性。 对于电磁场与电磁波来说，真空环境通常被称为对于电磁场与电磁波来说，真空环境通常被称为“自由空间自由空间”。 当空间存在介质时，在电磁场的作用下介质中会当空间存在介质时，在电磁场的作用下介质中会发生发生极化极化与与磁化磁化现象，结果在介质中又产生二次电场现象，结果在介质中又

4、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，这就是场与介质的与介质的相互作用相互作用现象。现象。场场 与与 介介 质质 先介绍先介绍真空真空中的电磁场，然后再讨论中的电磁场，然后再讨论介质介质中的电中的电磁场。磁场。电荷电荷及及电流电流是产生电磁场是产生电磁场惟一惟一的源。的源。场场 与与 源源研究研究场场与与源源的关系是电磁理论的基本问题之一。的关系是电磁理论的基本问题之一。 引入引入磁荷磁荷及及磁流磁流的概念是十分有益的，但是，的概念是十分有益的，但是，它们仅是它们仅是假想的假想的。时时 代代发发 明明 者者现现 象象公元前公元前600年

5、年希腊人希腊人摩擦后琥珀吸引微物体摩擦后琥珀吸引微物体公元前公元前300年年中国人中国人磁石吸铁磁石吸铁1785年年法国库仑法国库仑(17361806)电荷之间的作用力电荷之间的作用力库仑定律库仑定律1820年年丹麦奥斯特丹麦奥斯特(17771851)电流产生磁场电流产生磁场1820年年法国安培法国安培(17751836)电流之间的作用力电流之间的作用力安培安培定律定律1831年年英国法拉第英国法拉第(17911867)时变磁场产生时变电场时变磁场产生时变电场电磁感应定律电磁感应定律历历 史史 的的 回回 顾顾 1873年英国科学家年英国科学家麦克斯韦麦克斯韦（18311879）提出了）提出了

6、位移电流的假设，认为时变电场可以产生时变磁场，并位移电流的假设，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建立了严格的数学方程麦克斯韦方程麦克斯韦方程。重重 大大 突突 破破 麦克斯韦预言电磁波的存在，后来在麦克斯韦预言电磁波的存在，后来在1887年被德国年被德国物理学家物理学家赫兹赫兹（18571894）的实验证实。）的实验证实。 俄国的俄国的波波夫波波夫及意大利及意大利的的马可尼马可尼于于19世纪末先后发世纪末先后发明了使用电磁波作为信息载体的传输技术。明了使用电磁波作为信息载体的传输技术。电磁场与波的应用电磁场与波的应用 当今的当今的无线通信无线通信、广播广播、雷达雷达、遥控遥

7、测遥控遥测、微波遥微波遥感感、无线广域网无线广域网、无线局域网无线局域网、卫星定位卫星定位以及以及光纤通信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。等信息技术都是利用电磁波作为载体传输信息的。 静电复印静电复印、静电除尘静电除尘以及以及静电喷漆静电喷漆等技术都是基于等技术都是基于静电场对于带电粒子具有力的作用。静电场对于带电粒子具有力的作用。 电磁铁电磁铁、磁悬浮轴承磁悬浮轴承以及以及磁悬浮列车磁悬浮列车等，都是利等，都是利用磁场力的作用。用磁场力的作用。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!磁磁 场场 力力 的的 应应 用用B2

8、隐形轰炸机隐形轰炸机 i rir反反 射射 定定 律律 的的 应应 用用Stealth Fighter F-117立立 体体 电电 影影 电电 磁磁 波波 极极 化化 特特 性性 的的 应应 用用 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 *2004年年无线无线上网的设备达到上网的设备达到 15 亿部。亿部。*2004年年60%美国人在工作中使用美国人在工作中使用无线无线设备。设备。*2005年全世界年全世界无线无线上网的人数达到上网的人数达到 4.8 亿。亿。*2007年美国年美国无线无线商务用户

9、超过商务用户超过 1 亿亿。*目前中国的目前中国的手机手机用户已有用户已有 5 亿多。亿多。无无 线线 用用 户户 新技术的广泛应用促进了电磁理论的发展。由此创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建了很多分析电磁场与电磁电磁波的波的新方法新方法，研制了很多电，研制了很多电磁性能优越的磁性能优越的新材料新材料。相互促进，共同发展相互促进，共同发展 随着大容量的高性能及高速度计算机的出现，不但解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与电磁电磁波的新方法，从而形成波的新方法，从而形成计算电磁学计算电磁学的新学科。的新学科。电电 磁磁 单单 位位 本书采用国际单位制（本书采用国际单位制（ SI ）。在电磁学中，这种）。在电磁学中，这种单位制的四个基本单位是