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1、电磁场理论 Electromagnetic Theory 武 汉 大 学,第一讲 绪 论,科学内涵和应用领域 发展历程与发展简史 主要研究对象和内容 课程学习目的及要求,科学内涵及应用领域,电磁场 理论的 科学内 涵和应 用领域,1. 物理的一个分支学科： 电磁场属性与统一场理论 微观量子电磁现象及应用,2. 无线电技术的理论基础： 电磁场与物质相互作用 信息传输新器件和系统 信息获取新方法和技术,3. 电气工程学科理论核心: 电磁能量的产生转换 电磁能量的传输和储存 电磁场能的开发和应用,电磁场理论的学科内涵,电磁场的主要应用领域,电磁场（或波）为能量一种形式，是当今世界 最重要的能源，其研
2、究领域涉及电磁能产生、 存储、变换、传输和应用.,电磁波作为信息的载体，成为当今社会发布和获 取信息的主要手段，研究内容包括信息的产生、 获取、交换、传输、储存、处理、再现和应用.,电磁场的主要应用领域,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、目标探测及其特征的获取,电磁场的主要应用领域,电磁场的主要应用领域,思考题: 1.为什么电磁波可作为信息载体? 2.作为信息载体有很多物理量,为 什么电磁波应用最广泛? 3.为什么电磁波可作为探测未知 物理世界的工具?,电磁波-信息载体,电磁波每一个振动的振幅都是一样的，如果我们通过某种方法，可以按照我们的意愿
3、改变电磁波每一次振动的幅度不同，那么这个电磁波上就带有了某种信息，传输出去，再把每次振动的幅度不同所代表的信息提取出来，就达到了传输的目的。 简单的说，我们说话，转化成电压信号，我们用高频的电磁振动去采集这个信号，每一次振动的幅度对应于我们说话的某一个点上的电压值，那么这么多振动组合起来，就表示出了我们说话对应的电压的变化的大致情况，就可以传输出去，另一端把这个信息采集出来，就知道了说话的内容。 所对应的物理学名词叫做调制和解调,电磁波可以根据其性质的不同而以不同的方式向四面八方辐射开去，一般的声音信号和光学图像却无法做到这样，最多利用麦克风、扩音器之类或望远镜之类帮点小忙，作用范围有限得很。
4、人们请电磁波帮忙，让它载带着音像信息发射出去。调幅波就是电磁波的幅度变化代表了声音信号，调频波就是其频率的变化代表了声音、图像的信号。这或者是模拟量的信号，更可以是数字化的音像信号。这些过程叫调制，相当于往车子上装载货物一样。 接受到这种电磁波之后必须解调丢掉车子（载体电磁波），选取出音像信号，送到收音机喇叭、电视机屏幕、电脑屏幕、手机屏幕、手机喇叭等等您的耳、眼认可的玩意儿中去。更有甚者，这游戏还可往返于地球外星或宇航器之间。,电磁场理论发展历程,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 大的有富兰克林、伏打等科学家。 19世纪以前，电、磁现象作
5、为两个独立的物理现 象被广泛的关注和研究。正是由于这些研究为电 磁学理论的建立奠定了基础。,1. 电磁场理论的早期研究,2电磁场理论的建立,奥斯特是谢林的信徒，从1807年 开始研究电与磁之间的关系。 1820年发现电流以力作用于磁针,18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, 认为电是宇宙的活力 和灵魂；电、磁、光、热现象是相互联系的。,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。这表明，电流与磁 之间存在着密切的联系。,2电磁场理论的建立,法拉第相信电、磁、光、热是相 互联系的。奥斯特1820年发
6、现 电流以力作用于磁针后，法拉第 敏锐地意识到磁也一定能够对电 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，电与磁 之间存在着密切的联系。,2电磁场理论的建立,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规律， 引进位移电流的概念，提出了一 组描述电磁现象的规律偏微分方 程，即麦克斯韦方程组，建立了 宏观经典电磁场理论。,1855年：开始致力于电磁学的研究 1864年：电磁场的动力学理论 1873年：电磁通论著作完成 1873年: 经典宏观电磁场理论建立,
7、3电磁场理论的发展和应用,德国科学家赫兹, 1887 年用火 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 和电磁波理论的应用与发展时代。,无线电报(telegraph） 1895年，马可尼进行了2.5公里无线电报传送 1896年，波波夫进行了250米的电报传送试验 1899年, 跨越英吉利海峡电报传送试验成功 1901年，跨越大西洋的3200公里的试验成功 马可尼成为1909年的诺贝尔奖得主,有线电话 （telephone) 1876年, 美国科学家贝 尔在美国建国100周年 博览会上展
8、示了他所发 明的有线电话。,广播 (broadcasting ) 1906年，美国费森登用50 千赫的发电机作发射机， 用微音器接入天线实现调 制，使大西洋航船上的报 务员听到了广播播出的音乐。1919年第一个定时 的无线电广播电台在英国建成。,电视 (television set ) 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年和1924年相继发明了摄像管和显像管。 1931年，世界上第一个全电子电视系统出现。,雷达（Radar） 雷达的英文RADAR是Radio Detection And
9、Ranging的缩 写，意为无线电探测和测距 1922年，马可尼发表无线电波能检测物体的论 文，是雷达最早的概念。雷达作为一种探测目 标的电子设备，产生于二次世界大战。,1936年，英国设计警戒雷达投入了运行 1938年，美国研制成第一部火炮控制雷达 1940年，微波雷达的研制成为可能 1944年，自动跟踪飞机的雷达研制成功 1945年，显示运动目标的显示技术发明,卫星通信(satellite communications ) 1958年, 美国低轨“斯科尔”卫星发射成功 1964年, 同步通信卫星实现了三大洲的通信 1965年, 第一颗商用定点同步卫星投入运行 1969年, 卫星通信经历10
10、年发展终趋于成熟,卫星定位技术 （Navigation Satellite Timing and Ranging/ Global Positioning System GPS）,卫星定位技术 GPS 1957年卫星发射成功后，以卫星为基地对地球表面及 近地空间目标的定位和导航成为可能。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，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。,北斗定位系统 北斗定位系统是我国建立 的区域导航定位系统。北 斗一代由三颗卫星、地面 控
11、制中心、用户三部分组 成。功能为定位, 通信和 授时. 北斗二代为全地定 位系统, 2011年完成系统 组网，基本具备运行能力。2020年完成建设任务。,电磁场研究的对象与内容,电磁场的属性及其运动规律 场与物质的相互作用 电磁场系统的计算与仿真,电磁能的开发与利用 新器件与系统的开发 电磁场与波的其它应用,学习目的、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分析方法 了解宏观电磁场的主要应用领域及原理 训练分析、归纳和提炼问题的科学方法 培养用数学工具解决科学工程问题的能力 独立完成作业，做好课堂笔记 精读一至二本教学参考书,主要参考书 【1】 J. D. Kraus，Electromagnetism with Application（Fifth Edition） 【2】 毕德显，电磁场理论，电子工业出版社 【3】 郭硕鸿，电动力学（第三版） 【4】 王蔷等，电磁场理论基础，清华大学出版社 【5】 赵凯华，电磁学，高等教育出版社,作业和考核方式,作业主要是课后习题。 课程考核由平时考核和期末考试相结合。其中平时考核由课堂讨论、作业、实习组成，占总成绩30% ，期末课程考试成绩占70。,
