《电磁场与电磁波理论与仿真》-第1章

第１章绪论

使学生对场与路这两种既密切相关又相去甚远的理论体系和方法有深刻的认识.并学会用场的观点去观察、分析和计算一些简单、典型场问题.为从事微波、天线、通信和电磁兼容等领域的研究及解决工程实际问题打下必要的基础.“电磁场与电磁波”是电子信息科学与技术、通信专业诸多后续课程的重要基础.这些课程包括“无线通信原理与应用”“现代通信技术”“电磁兼容ＥＭＣ”“通信原理”和“微波技术”.也是研究生有关课程如“高等电磁理论”“电磁场数值方法”“电磁场高频方法”和“电磁波传播理论”的先修课程.其承前启后的桥梁地位十分显著.作用极其重要.上一页下一页返回第１章绪论

二、为什么要开设这门课程１.应用范围广:已渗透人类社会生活“电磁场与电磁波”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电动力学的研究.在电磁场方面.它主要在场的观念下.研究各种电磁场的基本性质和规律.以及麦克斯韦方程组的形式、求解方法和应用.这些电磁场包括:静电场、静磁场.恒定电场/磁场.时变电磁场.在电磁波方面.它主要研究电磁波的性质和规律.是电磁场理论的主要和重要工程应用之一.上一页下一页返回第１章绪论

在当今人类社会生活中.电磁现象无处不在.电磁波的应用越来越广泛和深入.不断涌现新的现象.提出新的需求.表露新的趋势.其中包括下述四大类应用问题.都需要电磁场与电磁波的理论和技术去解决.第一.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.涉及电磁能量的产生、储存、变换、传输和综合高效利用等应用问题.特别是方兴未艾的无线输电技术.包括微波输电、外层空间太阳能发电及传输.等等.上一页下一页返回第１章绪论

第二.当今社会的一大标志就是已经进入信息时代.电磁场与电磁波作为信息传输的载体.成为当今人类社会传递信息的主要手段和不可或缺的方式.必须研究解决信息的产生、获取、交换、传输、储存、处理、再现和高效利用等问题.第三.电磁波是探测自然未知世界的一种重要手段.比如各种物质对电磁波(微波)的吸收不同.可用来研究物质的内部结构.利用大气对电磁波(微波)的吸收和反射特性.来观察气象的变化.在射电天文学中.利用电磁波(微波)作为一种观测手段.可发现星体.因此研究电磁波与被测目标的相互作用特性、目标特征的获取与重建、新的探测技术和方法等是很有必要的.上一页下一页返回第１章绪论

此外.在电子测量领域.电磁波的地位也愈发重要和突出.其应用也日益侵入和渗透.呈指数级增长趋势.包括对人类社会知识的物化成果以及电磁场与电磁波理论和技术自身科学实验、试验过程.设备、参数、指标等的测量、测试、验证、检测和监测等.尤其是非接触、无损测量.包括微弱功率应用的电信号和非电量测量等.典型的仪器有网络分析仪、频谱分析仪、微波信号源、场强仪.以及各种利用电磁波的无损/有损、有接触/无接触检测或者成像仪.等等.上一页下一页返回第１章绪论

第四.在军事对抗领域.把电磁场与电磁波的地位和作用提到什么高度都不为过.当今的战争.是一体化多维信息战.无不使用电磁场与电磁波.除了通信对抗.还有诸多种类的电磁武器.如电磁干扰机、电磁炮、电磁导弹、微波炸弹、电磁脉冲武器、激光武器、纳米武器(包括微型智能机器人武器.如机器蚊子等)、气象武器、隐形武器、粒子束武器、芯片武器等.诸多新概念和新装备.纷至沓来.构成信息武器集合.这些武器的研发、生产、应用和攻防.无不涉及电磁场与电磁波理论技术.其中尤以美军的研究和应用为甚.美军的Ｃ４ＩＳＲ(指挥、控制、通信、计算机、情报、监视、侦察)系统就是起融合作用的武器系统.它能将所有信息数据库和数据汇集起来.上一页下一页返回第１章绪论

达到信息共享、共用、共调.从而确保各军兵种与指挥部之间交换信息和数据.大大提高指挥的时效性和准确性.并且在此基础上.提出了国防部信息基础框架结构(ＤＯＤＡＦ)概念和系统框架及其具体技术路线.对一体化多维信息战场态势进行控制.把握制信息权、制电磁权.涵盖电子战、信息战、网络中心战等多种形式.保证通信对抗、雷达对抗、信息对抗、平台对抗和体系对抗等多种对抗战的压倒性优势.如何高效利用电磁场与电磁波理论技术和工程方法.研究相应的装备、系统.完善对策体系.保证我国军事在战略、战术上与世界先进发达国家相抗衡.是摆在我国每一个公民.尤其是相关专业的学子们面前的历史责任和义务.上一页下一页返回第１章绪论

２.培养基本能力电磁场与电磁波理论严谨.体系完整.逻辑推理和数学分析以及它所研究的电磁场的运动规律都具有相当的典型性、概括性和一般性.对培养人们正确的思维.形成严谨的学风和科学研究与工作作风.以及建立科学研究方法体系等都起着十分重要的作用.所以.电磁场与电磁波理论应该是相关专业学生与科技工作者知识结构中不可缺少的重要组成部分.随着科学技术的迅速发展.电磁场与电磁波理论的重要性将日趋明显.上一页下一页返回第１章绪论

３.提高和完善素质近代科学的发展表明.电磁场与电磁波基本理论又是一些交叉学科的生长点和新兴边缘学科发展的基础.对学生进一步完善自身素质.增强适应能力和创造能力.将发挥积极的作用.具有深远的影响.三、电磁场与电磁波理论发展简介１.古代电、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、磁石指南等现象.上一页下一页返回第１章绪论

２.近代１６００年英国医生吉尔伯特发表了«论磁、磁体和地球作为一个巨大的磁体»的论文.使磁学开始从经验转变为科学.书中他也记载了电学方面的研究.１７８０年.伽伐尼发现动物电.１７８５年库仑公布了用扭秤实验得到电力的平方反比定律.使电学和磁学进入了定量研究的阶段.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.１７９９—１８００年伏特发明电堆.使稳恒电流的产生有了可能.电学由静电走向动电.１８世纪末期.德国哲学家谢林认为.上一页下一页返回第１章绪论

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.奥斯特由此于１８２０年发现电流的磁效应.初步揭开了电与磁的内在联系.电学与磁学彼此隔绝的情况有了突破.为电磁学的迅速发展揭开了新的一页.电流磁效应的发现.也使电流的测量成为可能.１９世纪二三十年代成了电磁学大发展的时期.首先对电磁作用力进行研究的是法国科学家安培.他在奥斯特的发现之后.重复了奥斯特的实验.提出了右手定则.并用电流绕地球内部流动解释地磁的起因.他又研究了载流导线之间的相互作用.建立了电流元之间的相互作用规律———安培定律.上一页下一页返回第１章绪论

与此同时.毕奥－萨阀尔定律也被发现.１８２６年欧姆确定了电路的基本规律———欧姆定律.英国物理学家法拉第对电磁学的贡献尤为突出:他于１８３１年发现电磁感应现象.进一步证实了电现象与磁现象的统一性.法拉第坚信电磁的近距作用.认为物质之间的电力和磁力都需要由媒介传递.电场和磁场就是一种媒介.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.并且可以相互转化.上一页下一页返回第１章绪论

英国数学家、物理学家麦克斯韦总结了１７８５年以来的电磁学实验和相关规律.他在法拉第提出的场观念基础上.于１８６２年提出位移电流新概念.并且在１８６４年.把电磁学规律统一起来.总结为麦克斯韦方程组:原始形式含２０个变量.２０个方程.其中包括已经不再作为电磁场基本方程的公式如库仑定律、欧姆定律、安培定律、毕奥－萨阀尔定律等.麦克斯韦在理论上预言了电磁波的存在.因此.麦克斯韦是继法拉第之后.又一位集电磁学大成于一身的伟大科学家.他全面地总结了电磁学研究的全部成果.建立了完整、统一的电磁场理论体系.上一页下一页返回第１章绪论

１８８８年德国科学家赫兹证实了麦克斯韦关于电磁波存在的预言.证明了麦克斯韦理论的正确性.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发展的时代.并且发展成为当代最引人注目的学科之一.赫兹于１８９０年把麦克斯韦方程组的原来形式.改造成为现在的通用形式.至此.纷繁复杂的电磁现象和电磁运动的基本规律可以用四个偏微分方程组(或积分方程组)加以概括.其核心思想是:变化的电场产生磁场.变化的磁场产生电场.１８９５年.意大利马可尼成功地进行了２.５千米距离的无线电报传送实验.开始了利用电磁波的新篇章.上一页下一页返回第１章绪论

３.现代第一.近距作用学说得到肯定并且成为宏观电磁场理论的基石.出现了量子纠缠理论.接触作用或近距作用是指相互接触物体之间的作用.如推、拉、压迫、支撑、冲击、摩擦等.它们的共同特点在于作用力是通过弹性媒质逐步传递的.近距作用需要中间媒质的传递.从而也需要相应的传递时间.非接触物体之间也存在着作用力.例如日月星辰之间的引力、磁石对铁的吸引力、带电体之间的相互作用力等.这就给超距作用学说提供了滋生的土壤.超距作用是指分别处于空间中不毗连区域的两个物体彼此之间的非局域相互作用.相互作用的物体并不接触.而是相隔一定的距离.上一页下一页返回第１章绪论

在麦克斯韦以前.解释电磁相互作用的两种相互对立的观点.即超距作用学说和近距作用学说.前者占统治地位.库仑、韦伯、安培等人都是用超距作用学说来解释电磁相互作用的.这种学说当时拥有数学基础.Ｌａｐｌａｃｅ、Ｐｏｉｓｓｏｎ等人从引力定律发展出来的数学上简捷优美的势论.有力地支持了超距作用观点.法拉第通过实验揭露了空间媒质的重要作用.认为在空间媒质中充满了电力线.即通过场来传递.但媒递作用学说还没有数学基础.不易被人接受.也使其发展受到了阻碍.麦克斯韦的功绩就在于建立了电磁场理论并促进了它的发展.发扬了力线和场的概念.并且提供数学方法的基础和论证.建立了近距作用的电磁场理论并得到实验证实.上一页下一页返回第１章绪论

近距作用由此开始占据统治地位.爱因斯坦的狭义相对论最终宣告一切超距作用的失败.也宣告长期游荡在物理学大厦中的幽灵———被称为以太的神秘中间媒质.退出了历史舞台.但是.１９８２年.法国物理学家ＡｌａｉｎＡｓｐｅｃｔ和他的小组成功地完成了一项实验.证实了微观粒子之间存在着一种叫作量子纠缠(ＱｕａｎｔｕｍＥｎｔａｎｇｌｅｍｅｎｔ)的关系:在量子力学中.有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系.即不管它们被分开多远.若对一个粒子扰动.另一个粒子立即就会感知到.量子纠缠已经被世界上许多实验室证实.上一页下一页返回第１章绪论

许多科学家认为量子纠缠的实验证实是近几十年来科学最重要的发现之一.虽然人们目前对其确切的含义和价值还不太清楚.但它对科学界乃至哲学界和宗教界已经产生了深远的影响.对西方科学的主流世界观产生了很大的冲击.第二.麦克斯韦电路理论的提出.在当今.随着大规模、超大规模集成电路的出现.高频、宽带频谱资源被开发利用.导线的几何形状和耦合效应已经不容忽视.建立在低频条件下由克希霍夫定律推导出的传输线方程逐渐不能适应工程需要.虽然很多科技工作者想出许多方法来改进传输线方程.使其适用于高频、高速、宽带电路.但是其求解过程十分烦琐.而且没有彻底突破方法的瓶颈效应.上一页下一页返回第１章绪论

不同于对传统传输线方程的改进.麦克斯韦电路理论是一种革命性的跃迁.它从“场”的观点出发.推导出传输线方程的完备形式.称为广义传输线方程.不仅适用于“路”的问题.还适用于“场”的问题.包括任何线结构的电路和电磁场问题.如线天线问题等.四、怎样学好这门课程电磁场与电磁波这门课程概念抽象.人不能直接感受到电磁场与电磁波.只能间接认识.数学公式繁复:只有数学可以严格描述电磁场与电磁波.并通过数学推导.得到电磁场与电磁波的概念、原理和性质.因此学生很不习惯本课程中的逻辑关系、思维方式.那么.怎样才能学好这门重要课程呢?上一页下一页返回第１章绪论

１.充分利用先修课程的基础理论知识充分利用和结合先修课程的理论知识.如有知识储备不足.要复习弥补.电磁场与电磁波的先修课程中.电路理论、数学、大学物理(电磁学)尤为重要.电路理论在方法论上提供了路的方法.而场的观念与路的观念已经是统一的了.数学是分析和理解以及求解问题的主要工具和理论基础.必须加强数学素养.提高数学思维能力.这里要强调电磁学.学生必须搞清楚电磁场与电磁波同电磁学的异同.第一.相同点:都是学习电场、磁场与电磁波的性质和规律.上一页下一页返回第１章绪论

第二.不同点:内容不同———电磁学的重点是电磁现象的学习.电磁场理论的重点是建立各种电磁现象的逻辑联系.数学工具不同———电磁学只涉及简单微积分.电磁场理论涉及矢量场论、偏微分方程和数理方程.目的不同———电磁学的目的是了解物理现象、基本概念和基本性质.电磁场理论是深入物质的物理本质和基本规律.并且精确求解出给定电磁场的分布.为后续课程提供理论基础和工具.２.定位准确.分清层次.把握重点就是要求学生要点面结合、深浅结合.在整个电磁场与电磁波框架体系结构下.准确定位学习内容和目标.