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1、杭州电子科技大学理学院 Dept. Of Physics, HDU,人类历史上的科技革命,从电磁场理论谈起,战国时司南和地盘,杭州电子科技大学理学院 Dept. Of Physics, HDU,一、电磁场理论之美,由法拉第（M.Faraday 1791-1867）和麦克斯韦(J.K.Maxwell 1831-1879)建立的电动力学（电磁场理），用一组极其优美的方程，把当时已知的电磁光 现象统一起来，使之成为经典物理学中令人羡慕的一 个分支，且导致了新的技术革命。,杭州电子科技大学理学院 Dept. Of Physics, HDU,1、静电与静磁,静电学是研究静止电荷产生电场及电场对电荷产生作
2、用力的规律。 电荷种类：正电和负电。 电荷守恒定律：电荷可以从一个物体转移 到另一个物体，任何物理过程中电荷的代数和保持不变。 库仑定律：同种电荷相互排斥，异种电荷 相互吸引。,杭州电子科技大学理学院 Dept. Of Physics, HDU,高斯定理：表示静电场的 电力线始于正电荷，终于负 电荷，亦即静电场是有源场。 环量定理：静电场中环量恒等于零表明，静电场中 沿任意闭合路径移动电荷，电场所做的功都为零，因此静电场是非旋场。,根据库仑定律和场强叠加原理还可得到静电场基本性质的两个定理：,杭州电子科技大学理学院 Dept. Of Physics, HDU,静磁学是研究电流稳恒时产生磁场以及
3、磁场对电流作用力的规律。 电流：电荷的定向流动形成电流。 磁场：电流之间存在磁的相互作用，这种磁相互作用是通过磁场传递的，即电流在其周围的空间产生磁场，磁场对放置其中的电流施以作用力。电流产生的磁场用磁感应强度描述。真空中稳恒电流产生的磁场遵从毕奥萨伐尔定律。,杭州电子科技大学理学院 Dept. Of Physics, HDU,高斯定理：反映磁力线总是闭合曲线。,环路定理：表明磁场不是势场，是有旋场。,I,杭州电子科技大学理学院 Dept. Of Physics, HDU,2、 法拉第电磁感应定律,穿过一个闭合导体回路所包围的面积的磁通量发生变化时（不论这种变化是由什么原因引起的），导体回路中
4、就有电流产生。, 法拉第电磁感应定律,杭州电子科技大学理学院 Dept. Of Physics, HDU,3、Maxwell的天才想法 （James Clerk Maxwell 1831-1879） 位移电流:变化的电场也是一种电流,杭州电子科技大学理学院 Dept. Of Physics, HDU,麦克斯韦是19世纪伟大的物理学家、数学家。1831年11月13日麦克斯韦生于苏格兰的爱丁堡，他自幼聪颖，父亲是个知识渊博的律师，使麦克斯韦从小受到良好的教育。10岁时进入爱丁堡中学学习14岁就在爱丁堡皇家学会会刊上发表了一篇关于二次曲线作图问题的论文，已显露出出众的才华。,1847年麦克斯韦进入爱
5、丁堡大学学习数学和物理。1850年转入剑桥大学三一学院数学系学习，1854年以第二名的成绩获史密斯奖学金，毕业留校任职两年。1856年在苏格兰阿伯丁的马里沙耳任自然哲学教授。1860年到伦敦国王学院任自然哲学和天文学教授。1861年选为伦敦皇家学会会员。1865年春辞去教职回到家乡系统地总结他的关于电磁学的研究成果，完成了电磁场理论的经典巨著论电和磁，并于1873年出版，1871年受聘为剑桥大学新设立的卡文迪什试验物理学教授，负责筹建著名的卡文迪什实验室，1874年建成后担任这个实验室的第一任主任，直到1879年11月5日在剑桥逝世。麦克斯韦主要从事电磁理论、分子物理学、统计物理学、光学、力学
6、、弹性理论方面的研究。尤其是他建立的磁场理论，将电学、磁学、光学统一起来，是19世纪物理学发展的最光辉的成果，是科学史上最伟大的综合之一。在热力学与统计物理学方面麦克斯韦也作出了重要贡献。麦克斯韦严谨的科学态度和科学研究方法是人类极其宝贵的精神财富。,杭州电子科技大学理学院 Dept. Of Physics, HDU,麦克斯韦假设：无论有无导体或导体回路，变化的磁场将在其周围空间产生具有闭合电力线的电场,感生电场：,杭州电子科技大学理学院 Dept. Of Physics, HDU,4、电磁场理论的精确数学语言 简明精确的数学语言是表述科学概念、科学理论的重要形式:,杭州电子科技大学理学院 D
7、ept. Of Physics, HDU,赫兹发现电磁波,电磁波谱,二、电磁理论及 电磁波的应用 （一）电报的发明,杭州电子科技大学理学院 Dept. Of Physics, HDU,1、电报发明的前奏,理论基础的奠定 1820年，丹麦物理学家奥斯特在做电流实验中第一 次把电和磁联系起来，发现了电流的磁效应；同年 法国物理学家安培提出了“应用电磁效应传递信息” 的设想； 1831年法拉第发现电磁感应定律标志着电磁学的创立。运用电和磁来传递信息孕育了电报发明的生长点。电报发明的先驱者们为实现这个伟大的目标， 进行了大量艰苦的实践探索。,杭州电子科技大学理学院 Dept. Of Physics,
8、HDU,电通信的实验操作。,1736年苏格兰戈登用轻质荷电排斥力的电信号装置。 1753年，摩尔逊设计了静电电报； 1790年，法国的佳普发明了一种视力信号机； 1804年，西班牙沙尔伐研制出第一部电化学电报机。 1809年，德国赛梅林、英国戴维等研制化学电报机； 1822年，斯契林开始研制单针电报机，俄国科学家许林格设计了一种编码式电报机； 1831年，奥尔巴尼的亨利用电磁吸引原理来接收远距离信号。 1833年，德国科学家高斯和韦伯研制出能在实验室使用的电磁式电报机。 1836年，英国发明家库克与物理学家惠斯通合作试制成可实际使用的五针式电报机。,杭州电子科技大学理学院 Dept. Of P
9、hysics, HDU,2、有线电报的问世,（1）莫尔斯电报机 莫尔斯由一名美国出色画家成为闻名于世的电报发明家， 1826-1842年，他担任美国画家协会主席。,莫尔斯电码,1837年，莫尔斯的电报机研制成功了，这是世界上第一台正式以“电报机”命名的装置，至今，人们把这个装置称作“莫尔斯电报机”。,杭州电子科技大学理学院 Dept. Of Physics, HDU,在莫尔斯领导下，世界上第一条实用的电报线路在华盛顿到巴尔的摩之间开通了。 1844年5月24日，这是人类通信史上非同寻常的一天，伟大的历史时刻来临了，莫尔斯在国会大厦联邦最高法院会议厅里，向应邀前来的科学家、政府人士介绍了实验原理
10、，并向等候在64公里之外的盖尔发出了历史上第一份长途有线电报。电文是：“上帝创造了何等的奇迹!” 从此，莫尔斯电报机风靡全球，电报从实验研究最终成为一种实用的通信工具；人类通信史上又翻开了新的一页。,杭州电子科技大学理学院 Dept. Of Physics, HDU,（2）海底电缆的铺设,1850年最早的海底电缆在英法之间的多威尔海峡铺设成功； 1854年年轻的物理学家威廉汤姆逊经过一年的深入研究，解决了信号传递衰减的重大理论问题，成为长距离海底电缆铺设工程的奠基人； 1856年大西洋海底电缆公司成立，汤姆逊作为该公司苏格兰股东的董事参加了第一条大西洋海底电缆的铺设； 1857年沟通欧美大陆的
11、第一条海底电缆终于制成了； 1866年4月汤姆逊仍身肩重任，主持沉放工作，永久性的大西洋海底电缆终于铺设成功了！ 全部海底电缆铺设工程经历了四次，整整进行了十年，真可谓：步步看来都是血，十年辛苦不寻常!,杭州电子科技大学理学院 Dept. Of Physics, HDU,3、无线电报的诞生,赫兹发现电磁波后不到十年，意大利工程师、青年物理学家马可尼、俄国科学家波波夫就实现了无线电通讯，开创了人类通信事业的新纪元。 无线电技术是谁发明的？是马可尼还是波波夫？无线电技术发明史上有一桩公案。,杭州电子科技大学理学院 Dept. Of Physics, HDU,1895年5月7日波波夫制成了一架无线电
12、接收机雷电指示器，,波波夫,1896年3月24日又实现了距离约为250米的无线电通信，成功地传送了世界上第一封有实际内容的无线电报，标志着无线电技术的诞生。,杭州电子科技大学理学院 Dept. Of Physics, HDU,1894年，意大利青年马可尼也开始利用电磁波的传送来实现无线电通信的研究。,马可尼,杭州电子科技大学理学院 Dept. Of Physics, HDU,1897年冬，马可尼成功地将无线电传送用于商业后还进行了体育实况报导。 1898年他又把通信距离增大到100多千米，而那时波波夫的无线电传送距离只有40千米。 1905年5月4日在美国把无线电发明权判给马可尼，马可尼荣获1
13、909年诺贝尔物理奖。 快一个多世纪过去了，在人们心目中，一般认为波波夫是无线电技术的最早发明人，而马可尼是无线电实用电报技术的发明人，他们都是“无线电之父”。,杭州电子科技大学理学院 Dept. Of Physics, HDU,由于传统轮轨式铁路在高速行进中，车轮与钢轨的阻力会大大增加，因此存在一个速度的限值有数据说这一最大时速为380 公里，而且在实际中由于噪音、震动及轮轨磨损等因素，这个最大速度实际上也是不可及的。人类对速度追求的目光，因而转向摩擦阻力大大减小的磁悬浮。 早在1922年德国的赫尔曼肯珀（Hermann Kemper）就提出了电磁悬浮原理，并在1934年申请了磁浮列车的专利
14、，并由此就开始为人类编制起一个更快出行的梦想。,(二)磁悬浮技术,杭州电子科技大学理学院 Dept. Of Physics, HDU,磁悬浮列车是以磁力为支撑的一种全新的交通工具，其核心是磁浮技术，即依靠列车上的磁体和地面路轨上的磁体相互作用而离开地面浮起来，大大减少了行驶中的摩擦阻力。,杭州电子科技大学理学院 Dept. Of Physics, HDU,经过数十年的发展，时至今日，磁悬浮技术形成了分别以德国和日本为代表的两大研究方向系统和系统。,德国认准的（常导磁吸型）系统，是利用常规的电磁铁与一般铁性物质相吸引的基本原理，把列车吸将上来悬浮运行。 日本的（排斥式悬浮）系统，则是用超导的磁悬
15、浮原理，使车轮和钢轨之间产生排斥力，使列车悬空运行。,杭州电子科技大学理学院 Dept. Of Physics, HDU,目前两种车型都达到公里左右的时速，两种方案都切实可行，孰优孰劣，也确实难分高下。,一个典型的EMS型系统,杭州电子科技大学理学院 Dept. Of Physics, HDU,一条EDS型轨道,超导线圈是磁悬浮列车的最关键设备之一，它与U型列车行驶导槽中设置的推力、上浮、导向线圈一起使列车获得上浮、推进、导向力。(超导线圈、车载超低温冷冻系统、磁屏蔽技术 ),杭州电子科技大学理学院 Dept. Of Physics, HDU,德国的试验机车,杭州电子科技大学理学院 Dept.
16、 Of Physics, HDU,但是，把图纸上的美妙前景转化为实际地理空间中的线路，面临着诸多的困难： 首先是安全性。由于磁悬浮系统必须辅之以电磁力完成悬浮、导向和驱动，因此在断电情况下列车的安全就不得不成为一个考虑的问题。此外，在高速状态下运行时，列车的稳定性和可靠性也需要长期的实际检验。 其次是建造时的技术难题。由于列车在运行时需要以特定高度悬浮，因此对线路的平整度、路基下沉量等要求极高。而且，如何避免强磁场对人体及环境的影响也不能弃之不顾。,杭州电子科技大学理学院 Dept. Of Physics, HDU,解决技术难题的手段不是没有，但又牵涉到另外一个问题钱。上海段约公里的线路设计投资为亿元，而德国的两条线路，一条公里长将耗资约亿欧元；另一条长度公里则将耗资亿欧元。实际施工中，根据地形路面及设计运送能力的不同，当然造价也会相差较大。 但无论如何，一公里的路线总需要大约亿元人民币的投资，厘米就得花上元！如此这般算来，坐在磁悬浮列车上可真如同坐在金子铺成的轨道上,杭州电子科技大学理学院 D
