《电磁场理论基础 第2版 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 国家精品课程配套教材 教学课件 ppt 作者 柯亨玉 龚子平 电磁场理论(第一章)2012》由会员分享,可在线阅读,更多相关《电磁场理论基础 第2版 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 国家精品课程配套教材 教学课件 ppt 作者 柯亨玉 龚子平 电磁场理论(第一章)2012(88页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、电磁场理论 Electromagnetic Theory 武汉大学 柯亨玉,第一讲 序 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. 物理学的分支学科 电磁场属性与统一场理论 微观量子电磁现象及本质 电磁场与物质的相互作用,2. 无线电技术的基础理论 电磁场与物质相互作用 电子器件及电子系统 电子信息技术及应用,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
2、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
3、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-热现象相互联系。,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
4、的联系。,2电磁场理论的建立,法拉第相信电、磁、光、热相互 联系。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效 应。1831年他发现;当磁捧插入 导体线圈时;线圈中产生电流。 表明电与磁之间存在密切联系。,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
5、 1873年:电磁通论著作完成 1873年: 经典宏观电磁场理论建立,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 (telepho
6、ne) 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。,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 video ) 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(R
7、adar) 雷达的英文RADAR是Radio 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“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 1
8、965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
9、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,电磁场的物质属性及其运动规律 场(波)与物质相互作用及应用 电磁场系统的科学计算与仿真,电磁能的开发与利用 新器件与系统的开发 电磁场与电磁波的应用,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
10、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】 谢处方,饶克谨等. 电磁场与电磁波 (第四版). 北京:高等教育出版社, 【4】 王蔷等,电磁场理论基础,清华大学出版社,第二讲 电磁场理论的数学基础,主要内容: 正交曲线坐标系及其变换 场论基础(梯度、散度和旋度) 矢量场的Helmholtz定理,1.1 正交曲线坐标系,正交曲线坐标系 三维空间任意点的位置可通过 三条相互正交曲线的交点来确 定
11、。该三条正交曲线组成确定 三维空间任意点位置的体系称 为正交曲线坐标系,三条正交 曲线称为坐标轴,描述坐标轴 的量称为坐标变量.,P (x, y, z),x,y,z,2. 正交曲线坐标系的变换,P (x, y, z),三维空间中同一点可以用不同的 正交曲线坐标系描述。不同坐标 系之间存在相互变换关系,这种 变换关系只能是一一对应的,1.1 正交曲线坐标系,在任何正交曲线坐标系有一组 与坐标轴对应的单位矢量。如 直角坐标系和圆柱坐标系等。,1.1 正交曲线坐标系,坐标变量单位矢量特点: 空间某点坐标变量的单位 矢量的方向为对应坐标变 量为常数的曲面的法矢,曲面单位法矢量,曲面单位法矢量:,3.正
12、交曲线坐标系中的弧长 在直角坐标系中,空间任意点的坐标变量 的微小变化,变化前后的弧长是: 在正交曲线坐标系中,坐标变量的微小变 化 ,对应的弧长改变量?,称为度规(或称Lame)系数,1.3 标量场的梯度,1.场的概念 任何物理过程总是在一定空间上发生,对应 的物理量在空间区域按特定的规律分布。如 电荷在其周围空间激发电场的分布 电流在周围空间激发磁场的分布 地球上太阳及其他原因激发温度的分布 在空间区域上每一点有确定物理量与之对应, 称在该区域上定义了该物理量的场,只有数值的大小而没有方向的场称为标量场 既有数值的大小又有方向的场称为矢量场 如果场与时间无关,称为静态场,反之为时变场,台湾
13、海峡表面流速场数值分布,福建省,台湾岛,关于的场三个基本问题: (1)场的基本性质及其分析方法 (2)场与激励源的关系及相互作用 (3)场与场的相互联系与相互作用,标量场同一数 值各点在空间 形成的曲面,2. 标量场的等值面,实际应用中不仅需要了解宏 观上场在空间的数值,还需 要知道场在不同方向变化。 方向性导数可以描述标量场 在空间某个方向上变化情况,方向性导数表示场沿 方向的空间变化率,3. 方向导数,场在某点处沿不同方 向变化快慢程度(方 向性导数)不同,必 存在变化最快的方向,4. 标量场的梯度,标量场梯度(矢量场): 标量场在空间变化最快的方向及数值,5. 梯度的性质 标量场的梯度是
14、矢量场,它在 空间某点的方向为该点场变化 最快的方向,其数值为变化最 大方向上场的空间变化率 标量场在某个方向上的方向导 数,是梯度在该方向上的投影, 标量场的梯度函数 建立了标量场与矢 量场的联系,这一 联系使得某一类矢 量场可以通过标量 函数来研究,或者 说标量场可以通过 矢量场的来研究。, 标量场的梯度垂直 于通过该点的等值 面(或切平面),6. 梯度运算的基本公式,7. 正交曲线坐标系中梯度的表达式,1.4 矢量场的散度,1. 矢量场与矢量线 矢量场:空间区域的每一点有确定矢量对应, 称该空间区域上定义了一个矢量场。,所谓矢量线是这样的曲线, 其上每一点的切线方向为 该点矢量场的方向。
15、,为描述矢量场的方向和数值,除直接用矢量的数值和 方向来表示矢量场外,还用矢量线来描述矢量场分布,矢量线不能定量描述矢 量场的大小,但过单位 曲面积的矢量线的根数 描述了矢量线的多少。 引入通量的概念。在场 区域的某点选取面元, 穿过该面元矢量线的总 数称为矢量场对于面积 元的通量。,2. 矢量场的通量,矢量场对于曲面 s 的 通量为曲面 s 上所有 小面积元通的叠加:,如果曲面 s 是闭合的,并规定曲面 法矢由闭合曲面内指向外,矢量场 对闭合曲面的通量是:,有净的矢量线流出 有产生发散力线源,有净的矢量线流入有产生汇聚力线源,流入流出闭合曲面矢量线相等或没有矢量 线流入和流出 发散和汇聚力线
16、源相等或没有产生力线源,考虑空间任意点(包含该点在内的小体积元)单位 体积闭合曲面矢量场发散和汇聚力线强度,利用极 限方法得到: 为矢量场的散度。散度是矢量通过包含该点的任 意闭合小曲面的通量与曲面元体积之比的极限,3. 矢量场的散度,F,散度的三个结果的物理原因是什么?,物理上的场 (矢量场或标量场)都是相应的源 激发的结果。矢量场通过闭合曲面通量的三种 可能结果一定与闭合曲面内有无产生矢量场的 源直接相关。使闭合曲面通量不为零的激励源 为通量源。矢量场对闭合曲面的通量与闭合曲 面内的通量源之间存在某种确定的关系。,4. 散度与源的关系,根据通量的物理意义,矢量场相对于小体 积元的通量与体积元内的通量源成正比: 其中 为通量源密度。于是有: 为比例常数,一般