电磁场与电磁波前言.ppt

一、课程简介一、课程简介二、电磁场理论发展简史二、电磁场理论发展简史三、电磁场理论的主要应用三、电磁场理论的主要应用四、电磁场理论的主要研究领域四、电磁场理论的主要研究领域五、课程知识体系五、课程知识体系六、主要参考书目六、主要参考书目 绪 论一、课程简介 本课程是高等学校电子信息类及电气信息本课程是高等学校电子信息类及电气信息类专业本科生类专业本科生必修的一门技术基础课必修的一门技术基础课，在，在“大大学物理（电磁学）学物理（电磁学）”的基础上，进一步研究宏的基础上，进一步研究宏观电磁现象和电磁过程的基本规律及其分析计观电磁现象和电磁过程的基本规律及其分析计算方法通过课程的学习，掌握基本的宏观电算方法通过课程的学习，掌握基本的宏观电磁理论，具备分析和解决基本的电磁场工程问磁理论，具备分析和解决基本的电磁场工程问题的能力题的能力二、磁场理论发展简史二、磁场理论发展简史 v电磁场理论发展简史电磁场理论发展简史1 1．电磁场理论的早期研究．电磁场理论的早期研究 电、磁现象是大自然最重要的现象之一，也是最早被关心和研究的电、磁现象是大自然最重要的现象之一，也是最早被关心和研究的物理现象：物理现象： 公元前公元前600600年希腊人发现了摩擦后的琥珀能够吸引微小物体；年希腊人发现了摩擦后的琥珀能够吸引微小物体； 公元前公元前300300年我国发现了磁石吸铁的现象年我国发现了磁石吸铁的现象 1919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。

磁的联系绪论2 2．电磁场理论的建立．电磁场理论的建立 1818世纪末期，德国哲学家谢林认为，世纪末期，德国哲学家谢林认为，世界上各种运动形世界上各种运动形式之间具有统一性，光、电、磁、化学、力等都是相互联系式之间具有统一性，光、电、磁、化学、力等都是相互联系的，是同一事物的不同侧面的，是同一事物的不同侧面 丹麦的奥斯特在这种思想的指导下，经过长期的研究于丹麦的奥斯特在这种思想的指导下，经过长期的研究于18201820年发现了电流的磁效应年发现了电流的磁效应初步揭开了电与磁的内在联系，初步揭开了电与磁的内在联系，为电磁学的迅速发展揭开了新的一页为电磁学的迅速发展揭开了新的一页 英国的法拉第敏锐地意识到，既然电可以产生磁效应，英国的法拉第敏锐地意识到，既然电可以产生磁效应，磁也一定能够产生电效应磁也一定能够产生电效应18311831年，他发现了电磁感应现象年，他发现了电磁感应现象二、磁场理论发展简史二、磁场理论发展简史 时时 代代发发 明明 者者现现 象象公元前公元前600年年希腊人希腊人摩擦后琥珀吸引微物体摩擦后琥珀吸引微物体公元前公元前300年年中国人中国人磁石吸铁磁石吸铁1785年年法国库仑法国库仑(1736—1806)电荷之间的作用力电荷之间的作用力库仑定律库仑定律1820年年丹麦奥斯特丹麦奥斯特(1777—1851)电流产生磁场电流产生磁场1820年年法国安培法国安培(1775—1836)电流之间的作用力电流之间的作用力安培安培定律定律1831年年英国法拉第英国法拉第(1791—1867)时变磁场产生时变电场时变磁场产生时变电场电磁感应定律电磁感应定律 1873年英国科学家年英国科学家麦克斯韦麦克斯韦（（1831—1879）提出了）提出了位移电流的假设，认为时变电场可以产生时变磁场，并位移电流的假设，认为时变电场可以产生时变磁场，并建立了严格的数学方程建立了严格的数学方程——麦克斯韦方程麦克斯韦方程。

重重 大大 突突 破破 麦克斯韦预言电磁波的存在，后来在麦克斯韦预言电磁波的存在，后来在1887年被德国年被德国物理学家物理学家赫兹赫兹（（1857—1894）的实验证实的实验证实 俄国的俄国的波波夫波波夫及意大利及意大利的的马可尼马可尼于于19世纪末先后发世纪末先后发明了使用电磁波作为信息载体的传输技术明了使用电磁波作为信息载体的传输技术 电磁感应的发现，是科学史上最伟大电磁感应的发现，是科学史上最伟大的发现之一，它揭示了自然界中的机械运动、的发现之一，它揭示了自然界中的机械运动、磁运动、电运动并不是独立的，而是普遍地磁运动、电运动并不是独立的，而是普遍地联系着的，是可以相互转化的联系着的，是可以相互转化的 在前人研究的基础上，英国的麦克斯韦在前人研究的基础上，英国的麦克斯韦深入研究了电与磁之间发生相互作用的问题深入研究了电与磁之间发生相互作用的问题 三、电磁场理论的主要应用 当今世界，电子电力、信息通信、雷达、广播、电当今世界，电子电力、信息通信、雷达、广播、电视、导航、遥控遥测等，在我们的日常生活中，普遍应视、导航、遥控遥测等，在我们的日常生活中，普遍应用了电磁场理论技术。

用了电磁场理论技术 1．电场．电场电磁场理论电磁场理论2．磁场．磁场3．电磁波．电磁波电子管电子管、、晶体管晶体管、、阴极射线管阴极射线管、、显像管显像管、、回旋加速器回旋加速器 及及静电复印静电复印、、静电除尘静电除尘以及以及静电喷漆静电喷漆等技术都是利用等技术都是利用了电场力对电荷及电子的作用了电场力对电荷及电子的作用发电机发电机、、示波器示波器、、显像管显像管、、磁控管磁控管、、质谱仪质谱仪、、回旋加回旋加速器速器、、电磁铁电磁铁、、磁悬浮轴承磁悬浮轴承以及以及磁悬浮列车磁悬浮列车等都离不等都离不开磁场的作用开磁场的作用电场：电场：磁场：磁场：电磁起重机电磁起重机电磁铁吸起铁矿石电磁铁吸起铁矿石继电器继电器继电器工作原理继电器工作原理变压器变压器三峡发电机组三峡发电机组发电机线圈发电机线圈发电机转子发电机转子三峡发电机转轮三峡发电机转轮电动机构成电动机构成高压电动机高压电动机电动机原理电动机原理磁悬浮列车磁悬浮列车世界首辆载人高温超导磁悬浮试验车西南交通大学应用超导研究所研制Stable!Stable!磁磁 场场 力力 的的 应应 用用绪 论 当今的当今的无线通信无线通信、、广播广播、、雷达雷达、、遥控遥测遥控遥测、、微波遥微波遥感感、、无线广域网无线广域网、、无线局域网无线局域网、、卫星定位卫星定位以及以及光纤通信光纤通信等信息技术都是利用电磁波作为载体传输信息的。

等信息技术都是利用电磁波作为载体传输信息的电磁波：电磁波： 微波是频率非常高的电磁波，通常，我们将频微波是频率非常高的电磁波，通常，我们将频率为率为 300 MHz 300 MHz 至至 30 GHz 30 GHz 的电磁波称作微波的电磁波称作微波绪 论1、广播、广播绪 论移动通信移动通信2、移动通信、移动通信基站基站*2004年年无线无线上网的设备达到上网的设备达到 15 亿部2011年全世界用户人数达到年全世界用户人数达到 46 亿目前中国的目前中国的用户已有用户已有 13 亿多微波能穿透等离子体和电离层微波能穿透等离子体和电离层由于微波既能穿透电离层 (低频电磁波不行) 也能穿透尘埃、云、雾 (光波不行)，因此，微波就成了卫星通讯、空间通讯和射电天文研究的重要手段3、卫星广播、电视、通信、卫星广播、电视、通信绪 论绪 论 全全 球球 定定 位位 系系 统统 Global Positioning System(GPS)信信 息息 载载 体体 的的 应应 用用 4、雷达、雷达(Radar=Radio Detection And Ranging)雷雷达达是是微微波波技技术术的的传传统统应应用用领领域域。

雷雷达达、、青青霉霉素素和和原原子子弹弹被被称为二战期间的三大科学发明称为二战期间的三大科学发明1931 年年至至 1935 年年，，英英国国皇皇家家无无线线电电研研究究所所的的科科学学家家首首先先发明了雷达，当时雷达的作用距离仅为发明了雷达，当时雷达的作用距离仅为 80 公里雷雷达达在在第第二二次次世世界界大大战战中中投投入入实实用用，，并并在在许许多多重重要要战战役役中中起起到了决定性的作用，其中包括著名的不列颠空战和中途岛海战到了决定性的作用，其中包括著名的不列颠空战和中途岛海战绪 论雷达与隐形飞机雷达与隐形飞机隐形飞机隐形飞机雷达雷达 英国研制独特隐形飞机的英国研制独特隐形飞机的ReplicaReplica计划中的隐形机模型计划中的隐形机模型雷达的其它应用：雷达的其它应用：公众应用公众应用 ：机场监视、海上导航、气象：机场监视、海上导航、气象雷达、测量学、飞机着陆、夜间防盗、雷达、测量学、飞机着陆、夜间防盗、速度测量（警戒雷达）、测绘等速度测量（警戒雷达）、测绘等 军事应用：空间和海事导航，飞机、导军事应用：空间和海事导航，飞机、导弹、空间飞行器的检测和跟踪，导弹的弹、空间飞行器的检测和跟踪，导弹的精确制导，导弹和火炮的点火控制，武精确制导，导弹和火炮的点火控制，武器保险、侦察等器保险、侦察等 科学应用：天文学、绘图和成像，精密科学应用：天文学、绘图和成像，精密距离测量，自然资源遥感等距离测量，自然资源遥感等 B2 隐形轰炸机隐形轰炸机 i r反反 射射 定定 律律 的的 应应 用用绪 论立立 体体 电电 影影 电电 磁磁 波波 极极 化化 特特 性性 的的 应应 用用5. 其他应用其他应用v研究受控核聚变的一个主要手段就是借助微波、毫米波的等离子体诊断研究受控核聚变的一个主要手段就是借助微波、毫米波的等离子体诊断技术。

技术v全球个人通讯是绝对离不开微波通讯系统的全球个人通讯是绝对离不开微波通讯系统的v光纤通讯光纤通讯v微波加热微波加热——微波炉微波炉v微波微波治疗治疗——微波可以对人体内的炎症、溃疡、微波可以对人体内的炎症、溃疡、肿瘤肿瘤等等v 微微波波武武器器——高高能能微微波波束束可可以以干干扰扰甚甚至至摧摧毁毁敌敌方方的的各各种种电电子子设设备备；；可可以以引爆敌方的炮弹、导弹甚至核武器等引爆敌方的炮弹、导弹甚至核武器等绪 论微波能穿透等离子体和电离层微波能穿透等离子体和电离层目前，研究受控核聚变的一个主要手段就是借助微波、毫米波的等离子体诊断技术根据石油起源于古生物遗体的“有机成因学说”，2000 年前后，地球上的石油贮藏量约为 1370 亿吨，可供人类再开采 40 至 50 年根据美国康奈尔大学天文学家托马斯.戈尔德教授提出的石油“无机成因学说”，石油起源于 46 亿年前地球诞生时封存在地球深处的甲烷，可以供人类再开采 500 年尽管人们对这两种学说仍存在争论，但两种学说都认为石油资源是有限的，因此，人类的能源终将依赖于受控核聚变开发受控核聚变能源是解决人类对能源‘无限’需求的根本途径受控核聚变的产生条件是高温，检测和控制核反应堆内部的温度是受控核聚变的关键。

由于核反应堆中的高温会使气体发生电离，通过对核反应堆中等离子体的诊断，我们可以探测到核聚变反应堆内部的温度情况，从而实现受控核聚变绪论二、信息技术领域二、信息技术领域微波通讯系统的工作频带宽、信息容量大、机动性好，特别适合于卫星通讯，宇航通讯和移动通讯等，因而在现代通讯系统中占有相当重要的地位微波、毫米波通讯系统不但频带宽、信息容量大，而且还具有便于架设、机动性好、保密性好等优点目前常见的蜂窝移动、寻呼机、微波网、微波电视网、卫星电视网等等，都属于微波通讯系统在 21 世纪，全球个人通讯将会成为现实那时，不仅每个机有号码，每个人也将有自己的专用号码，就象每个人都有一个身份证号码一样可以肯定，全球个人通讯是绝对离不开微波通讯系统的绪论二、信息技术领域二、信息技术领域光纤通讯是 20 世纪 60 年代开始发展起来的新型通讯手段它的技术基础是半导体激光器和光导纤维的发明光纤通讯具有传输距离长，通讯容量极大等优点，是当前和未来通讯网的主干早期光纤通讯系统的传输速率较低，目前已经从最初的几十兆比特/每秒，发展到 140 Mbits/s，622 Mbits/s，2.488 Gbits/s，10 Gbits/s，40 Gbits/s 甚至更高！可以看出，光纤通讯系统基带信号的传输速率已经进入微波频段，这表明新一代光纤通讯系统同样需要微波技术知识的支持。

绪论二、信息技术领域二、信息技术领域电子计算机是人类在二十世纪的最伟大发明之一早期的电子计算机可以说与微波技术毫无联系随着电子计算机芯片制造技术的不断进步，电子计算机的工作主频已经从早期的 20 MHz，33 MHz，40 MHz，66 MHz，120 MHz 不断向高频发展目前，高性能处理器的主频已经超过 3GHz总线的频率也已达到800MHz这些都已进入微波波段如何对CPU、内存、主板等在微波频带内进行合理的设计已经成为目前的一个重要课题由此可见，新型计算机系统也需要用到微波技术知识绪论三、科学研究三、科学研究微波作为一种科学研究的手段也得到了广泛的应用国际计量大会确定的时间标准——铯（se） 133 原子时钟的谱线就是处在微波频段微波在物理学、天文学、化学、医学、气象学等科学领域里的应用导致了许多重要的科学发现和进展所谓 20 世纪 60 年代天文学的四大发现——类星体、中子星、2.7 OK 微波背景辐射和星际有机分子都是利用微波作为主要观测手段而发现的绪论2.7 O K 微波背景辐射微波背景辐射二十世纪六十年代初，贝尔实验室的美国科学家彭齐亚斯和R.W.威尔逊为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的接收天线系统。

1964 年，他们用它测量银晕气体射电强度时，发现总有消除不掉的背景噪声他们认为，这些来自宇宙的的波长为 7.35 厘米的微波噪声相当于 3.5 OK 的热辐射1965 年他们又将其修正为 3 OK，并将这一发现公布，为此获得了 1978 年的诺贝尔物理学奖微波背景辐射的最重要特征是具有黑体辐射谱，在 0.3  75 厘米波段，可以在地面上直接测到目前的看法认为背景辐射起源于热宇宙的早期这是对大爆炸宇宙学的强有力支持绪论四、其它领域四、其它领域微微波波加加热热——微波是一种特殊的能源，利用微波的热效应可以对一些物质进行加热微波炉绪论绪论微波炉加热原理 各种不同的物质，在微波电磁场中，对微波能吸收的情况是不一样的导电物质遇到微波时，会在其表面产生全反射，微波不可能深入到导体内部因此，微波不能用来加热良导体，只能对介质材料进行加热 由于介质材料内部存在极性分子，在微波电磁场的作用下，这些极性分子从原来的随机分布状态转向依照微波场的极性排列取向由于这些取向是按微波频率不断变化的，这种交变过程使分子运动相互摩擦而产生热能，使介质温度不断升高，这种通过介质分子运动将微波能转化为热能的效应就是微波加热。

微微波波治治疗疗——微波可以对人体内的炎症、溃疡、肿瘤和其它病变产生抑制或治疗作用目前，已经有很多类型的微波治疗仪器投入了实用微微波波武武器器——微波武器的工作原理与微波炉基本相同高能微波束可以干扰甚至摧毁敌方的各种电子设备；可以引爆敌方的炮弹、导弹甚至核武器等；可以干扰敌方人员的神经系统和大脑的思维，可以灼伤人的眼睛和人体组织，破坏大脑、心脏和呼吸系统的工作，直至杀伤敌方的人员微波武器、激光武器和粒子束武器被称为新一代定向能武器，它们都是光速武器，而且看不见摸不着微波武器又是这三种新概念兵器中研制费用最低，最容易实现的一种绪论生活中常见波导接头绪 论中、短波发射天线中、短波发射天线微波接力天线微波接力天线天线v卡塞格伦天线v八目天线v对数周期天线MMDS—A型微波天线MMDS—C型微波天线v北京天文台密云观测站的射电望远镜天线阵北京天文台密云观测站的射电望远镜天线阵 随着现代科学技术的发展，电子、电气系统获得越来越广随着现代科学技术的发展，电子、电气系统获得越来越广泛的应用运行中的电子、电气设备大泛的应用运行中的电子、电气设备大多伴随着电磁能量的转多伴随着电磁能量的转换，使得高密度、宽频谱的电磁信息充满整个人类的生存空间，换，使得高密度、宽频谱的电磁信息充满整个人类的生存空间，构成极其复杂的电磁环境，出现了电磁干扰和电磁污染。

使电构成极其复杂的电磁环境，出现了电磁干扰和电磁污染使电子系统受到严峻的挑战，人类生存受到威胁人们面临的一个子系统受到严峻的挑战，人类生存受到威胁人们面临的一个新问题就是如何提高电子系统在复杂电磁环境下正常运行的能新问题就是如何提高电子系统在复杂电磁环境下正常运行的能力，如何改善人类生存环境力，如何改善人类生存环境 在这样的背景下提出了电磁兼容的概念，逐渐形成了一门在这样的背景下提出了电磁兼容的概念，逐渐形成了一门新学科新学科——电磁兼容性电磁兼容性（（Electromagnetic Compatibility,Electromagnetic Compatibility,简写为简写为EMCEMC）电磁兼容作为理论物理学的一个作为理论物理学的一个重要研究分支，主要致重要研究分支，主要致力于统一场理论和宏观、力于统一场理论和宏观、微观电动力学的研究微观电动力学的研究电磁电磁场的场的重要重要研究研究领域领域作为无线电技术的理作为无线电技术的理论基础，集中于三大论基础，集中于三大类应用问题的研究类应用问题的研究四、电磁场理论的主要研究领域 电电磁磁场场理理论论与与微微波波技技术术 静态场静态场（（6＋＋4+4＋＋4））静电场静电场 （第二章）（第二章）静电场边值问题静电场边值问题 （第三章）（第三章）恒定电流场恒定电流场 （第四章）（第四章）恒定磁场分析恒定磁场分析 （第五章）（第五章）时变场时变场(3+6＋＋8＋＋4+4)电磁感应电磁感应 （第六章）（第六章）时变电磁场时变电磁场（第七章）（第七章）平面电磁波平面电磁波 （第八章）（第八章）导行电磁波导行电磁波 （第九章）（第九章）电磁波辐射电磁波辐射 （（ 第十章）第十章）五、课程知识体系 矢量分析矢量分析（（1＋＋4））难难 点点分析和处理问题的方法分析和处理问题的方法 ——数学处理过程数学处理过程矢量分析矢量分析六、主要参考书目目v参考书1）《电磁场理论》毕德显著 电子工业出版社2）《微波技术与天线》刘学观等编著 西安电子科技大学出版社3）J. D. Kraus，Electromagnetism with Application（Fifth Edition）4)毕德显，电磁场理论，电子工业出版社5)郭硕鸿，电动力学（第三版）6)王蔷等，电磁场理论基础，清华大学出版社 新技术的广泛应用促进了电磁理论的发展。

由此创新技术的广泛应用促进了电磁理论的发展由此创建了很多分析电磁场与建了很多分析电磁场与电磁电磁波的波的新方法新方法，研制了很多电，研制了很多电磁性能优越的磁性能优越的新材料新材料相互促进，共同发展相互促进，共同发展 随着大容量的高性能及高速度计算机的出现，不但解随着大容量的高性能及高速度计算机的出现，不但解决了很多电磁理论的计算问题，同时也萌生了计算电磁场决了很多电磁理论的计算问题，同时也萌生了计算电磁场与与电磁电磁波的新方法，从而形成波的新方法，从而形成计算电磁学计算电磁学的新学科的新学科。