第一章电磁场理论概述.ppt

1、电 磁 场 理 论 Electromagnetic Theory 同济大学电子与信息工程学院,第一章 电磁场理论概述,电磁场理论的主要研究领域 磁场理论发展简史 电磁场理论的主要研究对象 学习的目的、方法及其要求,作为理论物理学的一个 重要研究分支，主要致 力于统一场理论和微观 量子电动力学的研究。,电磁场的主要研究领域,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。,一、电磁场理论的主要研究领域,三大类应用问题： 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 能量的产生、储存、变换、传输和综合利用。 电磁波作为信息传输的载体，成为当今人类社

2、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、处 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，主 要研究领域为电磁波与目标的相互作用特性、 目标特征的获取与重建、探测新技术等。,二、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 大的有来顿、富兰克林、伏打等科学家。 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。但是由于这些研究 （特别是伏打1799年发明了电池），为电磁学理论的建立奠定了基础。,2电磁场理论的建立 18世纪末期，德国哲学

3、家谢林认为，宇宙是 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、热 是相互联系的。 奥斯特是谢林的信徒，他从1807年开始研究 电磁之间的关系。1820年，他发现电流以力 作用于磁针。,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、热是相 互联系的。奥斯特1820年发现电流以力作用于磁针 后，法拉第敏锐地意识到，电可以对磁产生作用， 磁也一定能够对电产生影响。1821年他开始探索磁 生电的实验。1831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

4、，电与磁之间存 在着密切的联系。,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，是 经典电磁学的基本方程。,3电磁场理论的应用和发展 1887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的学科之

5、一。,无线电报 1895年，意大利马可尼成功地进行了 2.5公里距离的无线电报传送实验。1896年，波 波夫进行了约250米距离的类似试验, 1899年, 无 线电报跨越英吉利海峡的试验成功；1901年，跨 越大西洋的3200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，获得了1909年的诺 贝尔奖金物理学奖。无线电报的发明，开始了利 用电磁波时期。 有线电话 1876年,美国A.G.贝尔在美国建国 100周年博览会上展示了他所发明 的有线电话。 此后,有线电话便迅速普及开来。,广播 1906年，美国费森登用50千赫频率发电机作发 射机，用微音器接入天线实现调制，使大西洋航船上 的报

6、务员听到了他从波士顿播出的音乐。1919年，第 一个定时播发 语言和音乐的无线电广播电台在英国建 成。次年 ，在美国的匹兹堡城又建成一座无线电广播 电台。 电视 1884年，德国尼普科夫提出机械扫描电视的设 想，1927年，英国贝尔德成功地用电话线路把图像从 伦敦传至大西 洋中的船上。兹沃霄金在1923和1924 年相继发明了摄像管和显像管。1931年，他组装成世 界上 第一个全电子电视系统。,雷达（Radio Detection and Ranging） 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 戒飞机的装置。1936年，英国的瓦特设计的警 戒雷达最

7、先投入了运行。有效地警戒了来自德 国的轰炸机。1938年，美国研制成第一部能指 挥火炮射击的火炮控制雷达。1940年，多腔磁 控管的发明，微波雷达的研制成为可能。1944 年，能够自动跟踪飞机的雷达研制成功。1945 年，能消除背景干扰显示运动目标的显示技术 的发明,使雷达更加完善。在整个第二次世界大 战期间,雷达成了电磁场理论最活跃的部分。,卫星通信技术 1958年, 美国发射低轨的“斯科尔” 卫星成功,这是第一颗用于通信的试验卫星。1964 年,借助定点同步通信卫星首次实现了美、 欧、非 三大洲的通信和电视转播。1965年,第一颗商用定 点同步卫星投入运行。1969年, 大西洋、太平洋和

8、印度洋上空均已有定点同步通信卫星,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 区的通信网接通。卫星通信经历10年的发展，终趋 于成熟。,卫星定位技术 1957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表 面及近地空间目标的定位和导航。1958年底，美 国开始研究实施这一计划，于1964年研究成功子 午仪卫星导航系统。1973年美国提出了由24颗卫星组成的实用系统新方案，即GPS计划。它是英文 Navigation Satellite Timing and Ranging /Global Positioning System 的字头缩写NAVSTAR/GPS

9、的简称，其含义是利用导航卫星 进行测时和测距。1990年最终的GPS方案是由21 颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。,三、电磁场理论的主要研究对象 电磁场的基本属性及其运动规律 波与物质的相互作用及信息的提取 电磁场系统的计算方法，仿真技术 工程技术应用中的电磁场理论问题,四、学习的目的、方法及其要求 掌握宏观电磁场的基本属性和运动规律 掌握宏观电磁场问题的基本求解方法 了解宏观电磁场的主要应用领域及其原理 训练分析问题、归纳问题的科学方法 培养用数学解决实际问题的能力 独立完成作业，做好课堂笔记 精读一至二本教学参考书,五、主要参考书 【1】 J. D. Kraus，Electromagnetism with Application（Fifth Edition） 【2】 毕德显，电磁场理