电磁场理论(绪论)

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1、.,电磁场理论 Electromagnetic Theory 武 汉 大 学,.,课程介绍,武汉大学（1893年）是我国最早开设“电磁场理论”课程的院校之一，可追溯至1946年游离层实验室 物理系理论物理中四门基础课程之一（郭硕鸿先生的“电动力学”），1980年空间物理系分离 1995年老电信学院成立，3个本科专业，学院必修基础课（1998年谢处方先生的“电磁场与电磁波” ） 2001年新电信学院成立，5个本科专业，2002年开始课程改革和建设（理工渗透 、科研和教学相结合） 2004年省精品课程，2009年国家精品课程，国家“十一五”规划教材（柯亨玉教授的“电磁场理论”），建立电磁场仿真和射

2、频技术实验室,.,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,电磁场理论的学科内涵,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，其研究领域涉及电磁能产生、 存储、变换、传输和应用.,.,电

3、磁力悬浮系统EMS系统 Electromagnetic Suspension,电动力悬浮系统EDS系统 Electrodynamic Suspension,.,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

4、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

5、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。电磁波可以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

6、要的现象，也是最早 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、沈括、哥伦布等科学家。 19世纪以前，电、磁现象作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,.,磁偏角的发现：方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也 （笔谈-沈括） 西方直到1492年才由哥伦布发现，比沈括已经晚了400多年,.,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

7、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

8、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,.,电磁场理论-光速不变原理,光速不变原理由联合求解麦氏方程得到，是爱因斯坦创立狭义相对论的基本出发点 光速不变原理：真空中的光速对任何惯性系中的观测者来说都相同，不随光源和观测者所在参考系的相对运动而改变 物理高速运动时将发生尺短钟慢现象，当物体速度达到光速时，物体沿空间方向的尺度会缩短为零，时间会慢

9、到停止,.,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10

10、0周年 博览会上展示了他所发 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

11、 Detection And 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“探险者”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

12、入运行 1969年, 卫星通信经历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

13、的区域导航定位系统。北 斗一代由三颗卫星、地面 控制中心、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，4-6题/章。 课程考核由平时考核和期末考试相结合。其中平时考核由考勤、课堂测验、课后作业组成，占总成绩30% ，期末课程考试成绩占70。,