电磁场与电磁波1-1

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1、电磁场与电磁波 Electromagnetic Field & Electromagnetic Wave,深圳大学信息工程学院 何业军 副教授 Email: ,教材及参考书目,教材：电磁场与电磁波(第三版)，谢处方,饶克 谨编;赵家升,袁敬闳修订. 高等教育出版社，1999.6,参考书： 1.电磁场与波理论,戈鲁（Guru,B.S.）等著 周克定等译 机械工业出版社 2000,2.电磁场与电磁波, 杨儒贵编 高等教育出版社，2002 3.电磁场与电磁波典型题解析及自测试题. 赵家升主编,西北工业大学出版社,2002 4.电磁波理论(影印版,英文),J.A.Kong编 高等教育出版社，2002

2、5. 电磁场理论与微波技术基础解题指导， 周希朗编著，东南大学出版社 2005,目 录,第2章 电磁场中的基本量和定律,第3章 静电场分析,第4章 静态场边值的解法,第5章 恒定磁场分析,第6章 时变电磁场,第7章 正弦平面电磁波,第1章 矢量分析,电磁场理论的主要研究领域,理论物 理学的 分支,电磁 场理论的 主要 研究 领域,无线电技术理论基础,致力于电磁场的物理属性、统一场理论、微观 量子电动力学等的研究,致力于电磁场与物质的相互作用，新的信息传输系统、器件和信息处理与利用的新技术研究,电气工 程学科 的核心,致力于电磁场能量的产 生、传输、转换、储存和应用的研究,三大类应用问题 电磁场

3、（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 社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、目标探测及其特征的获取,雷达成像建模系统（RIMS）,海杂波模拟测量试验系统,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。 1

4、9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 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

5、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。,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，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，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

6、，成为当代最活跃的学科领域,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。开始了利用电磁波进行信息传输的时代。马可尼以其在无线电报等领域的成就，获得1909年的诺贝尔奖奖。,有线电话 1876年, 美国科学家贝尔在美国建国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 上的报务

7、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（Radio Detection and Ranging） 1922年，意大利科学家G马可尼发表了无 线电波能检测物体的论文，是雷达最早的 基本概念。雷达作为一种探测目标的电子 设备，产生于二次世界大战。雷达的英

8、文 RADAR是Radio Detection And Ranging的 缩写，意为“无线电探测和测距”。,1936年，英国的瓦特设计的警戒雷达最先投入了运行。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，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,借助定点的 同步通

9、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 （Navigation SatelliteTiming and Ranging/Global Positioning System 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。197

10、3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。,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 场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,第一章 矢量分析(Vector Analysis),本章所讲

11、的主要内容,矢量运算,场论,1.标量场和矢量场,2.矢量场的通量与散度,3.矢量场的环流与旋度,4.标量场的梯度,矢量运算,一 矢量加减运算,则有:,运算法则:,平行四边形,矢量图,注意:,矢量的写法,1.书写时字母A上要加上箭头“”即,2.书中印刷体是用黑体字母(boldface)表示的,二 矢量乘积,矢量乘积分为标积和矢积,1.标积,也称为点积,定义为:,中间这个符号不能掉,2.矢积,也称为叉积,定义为:,中间符号不能掉,叉积图示:,注意几个问题:,1.矢量与标量不能相等;,2.两矢量标积(点积)结果为标量;,3.两矢量矢积(叉积)结果为矢量,并且该矢量垂直于原来两个矢量组成的平面;,4.

12、两矢量作乘法,中间必须有符号;,5.两矢量的夹角,三 矢量在正交坐标系中计算,1.正交坐标系,所谓正交坐标系是指坐标轴两两互相垂直的坐标系。,常见的正交坐标系有:,直角坐标系(cartesian coordinate system),柱坐标系(Cylindrical coordinate system),球坐标系(spherical coordinate system),正交坐标系常用单位矢量来表示坐标轴的方向。,单位矢量是指矢量大小为1的矢量。,常见的正交坐标系(直角坐标系、柱坐标系、球坐标系)之间可以互相变换,具体内容请参考本书附录1。,2.矢量在直角坐标系中的计算,1) 矢量在直角坐标系

13、中的表示,平面直角坐标系,代表x轴的方向,代表y轴的方向,则矢量,表示为,同理在空间直角坐标系中有,代表z轴的方向,矢量大小为,矢量方向为,为矢量 与x、y 、 z 轴的夹角,2) 两矢量的和差,即两矢量的和差等于它们对应分量的和差,3) 两矢量的标积(点积,scalar/dot product),方向单位矢量的标积(点积),4) 两矢量的矢积(叉积,vector/cross product),方向单位矢量的矢积(叉积),即两矢量的标积(点积)等于它们对应分量的乘积之和,为一标量,两矢量的矢积(叉积)通常利用行列式,例题:给定三矢量,求:(1),(2),(3),(4),(5),(6),解:,(1),(2),(3),(4),根据公式,(5),(6),利用行列式求解,