电磁场第1章.

FundamentalsofElectromagneticFieldsandWaves电磁场与电磁波基础（第2版）电子工业出版社姓名：王琳电话：[phone]QQ：13174898402学科内涵和应用领域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3学科内涵及应用领域4电磁场理论的学科内涵和应用领域1.物理的一个分支学科：电磁场属性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电磁场理论的学科内涵5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.6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789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通过电离层反射电波传播探测800至数千公里空间及海洋状态10电磁场的主要应用领域11电磁场理论发展历程12电磁场与电磁波理论是近代自然科学中，理论相对最完整、应用最广泛的支柱学科之一。电磁场与电磁波技术已遍及人类的科学技术、政治、经济、军事、文化以及日常生活的各个领域。人类对电磁现象的认识源远流长，但其知识与应用开始形成系统化和理论化则始于18世纪，伽伐尼、伏打、高斯、富兰克林、卡文迪什、库仑等著名科学家对电磁现象所作的卓有成效的研究启动了电磁世界这一巨轮的运转。19世纪是电磁研究蓬勃开展的时代，法拉第、欧姆、傅立叶、基尔霍夫、奥斯特、安培、毕奥、萨伐尔、麦克斯韦、斯托克斯、汤姆森、赫兹、楞次、雅可比、西门，单单从这些名字和科学家的阵容，你就可以感受到这一时期的电磁科学取得了多么辉煌的成就。13由此看来，在任何意义上，我们都不能轻视一个多世纪来电磁场理论对科学技术以及人类社会所做出的巨大贡献。可以毫不夸张地说，没有电磁场理论的发展，就不可能有现代信息化社会的出现。由于电磁场理论对整个电子和信息技术的发展所起到的如此强大的推动力，迫使人们必须去了解并解决各种复杂条件下的电磁工程中的技术和设计问题，从这个意义上来说，学习电磁场理论就成为了整个行动的第一步。14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、热现象是相互联系的。15●法国物理学家安培(AndréMarieAmpè1775～1836年)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。16电学是物理学的一个重要分支，在它的发展过程中，很多物理学巨匠都曾作出过杰出的贡献。法国物理学家查利·奥古斯丁·库仑就是其中影响力非常巨大的一员。1785年，库仑用自己发明的扭秤建立了静电学中著名的库仑定律。同年，他在给法国科学院的《电力定律》的论文中详细地介绍了他的实验装置，测试经过和实验结果。●法国物理学家查利·奥古斯丁·库仑（CharlesAugustindeCoulomb1736～1806）17●英国科学家迈克尔·法拉第(MichaelFaraday1791—1867)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。18●英国科学家詹姆斯.克拉克.麦克斯韦（JamesClerkMaxwell1831-1879）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。19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。20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21有线电话（telephone)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。22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年第一个无线电广播电台在英国建成。23电视(televisionvideo)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。24雷达（Radar）雷达的英文RADAR是RadioDetectionAndRanging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。251936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26卫星通信(satellitecommunications)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1965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27卫星定位技术（NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem－GPS）28卫星定位技术－GPS1957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。29北斗定位系统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。303132333435电磁场研究的对象与内容36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37学习目的、方法及其要求38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精读一至二本教学参考书39教材：《电磁场与电磁波基础》刘岚编电子工业出版社参考书：1.《电磁场与电磁波》谢处方，饶克谨编.高等教育出版社，20022.《电磁场与电磁波》杨儒贵编高等教育出版社，20023.《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,2002401.标量、矢量，标量场、矢量场3.通量与散度8.亥姆霍兹定理2.矢量的运算，坐标系4.环量与旋度7.斯托克斯定理6.高斯散度定理5.方向导数与梯度第1章矢量分析与场论41序：场与矢量我们周围的物理世界中存在着各种各样的场，例如自由落体现象，说明存在一个重力场；指南针在地球磁场中的偏转，说明存在一个磁场；人们对冷暖的感觉说明空间分布着一个温度场等等。场是一种特殊的物质，它是具有能量的，场中的每一点的某一种物理特性，都可以用一个确定的物理量来描述。当对这些物理量的描述与空间坐标或方向性有关时，通常需要使用矢量来描述它们，这些矢量在空间的分布就构成了所谓的矢量场。分析矢量场在空间的分布和变化情况，需要应用矢量的分析方法和场论的基本概念。421.1矢量的表示和运算1.标量只有大小，不包含方向的物理量叫做标量(Scalar)。如：温度、电位、能量、长度、时间等。既有大小，同时又包含方向的物理量称为矢量(Vector)。如：力、速度、加速度等。2.矢量根据国家有关符号使用标准，印刷时使用黑斜体字母来表示矢量。书写时，矢量表示为。A43矢量的大小称为矢量的模矢量的方向称为单位矢量矢量的表示zzyyxzyxAAAeeeAAAAx222zyxAAAAzyeeex3.矢量的表示44AxzyzAyAxAOcoscoscoszyeeeexAzzyyxzyxAAAeeeAAAAx454.矢量的代数运算矢量的加法和减法（平行四边形法则）ABABABzzzyyyxxBABABAeeeBAx46设两矢量进行标积后的结果变成了无方向性的数量值!5.矢量的标积（ScalarProduct）则zzyyxAAAeeeAxzzyyxBBBBeeexcosBABAzzyyxxBABABABA为矢量与矢量之间的夹角ABAB47设两矢量进行矢积后的结果仍为矢量6.矢量的矢积（VectorProduct）则zzyyxAAAeeeAxzzyyxBBBBeeexsinBABAneABBAne为矢量与矢量之间的夹角AB48上式可记为注ABBAnezxyyxyzxxzxyzzyeBABAeBABAeBABABA)()()(zyxzyxzyxBBBAAAeeeBA49常借助于画出其一系列等值间隔的等值面来直观地表现标量场的空间分布情况。常借助于画出其场线（力线）的方法来形象和直观地描述矢量场在空间的分布情形或沿空间坐标的变化情况。7.标量场与矢量场u=2u=3u=4等值面场线（力线）50台湾海峡表面流速场数值分布福建省台湾岛5152例三角形的3个顶点为A（0，0，0）、B（4，6，-2）和C（-2，4，8）。（1）求B点和C点的位置矢量和之间的夹角；（2）求B点到C点的距离矢量及的方向；（3）判断ABC是否为一直角三角形，并求三角形的面积。解：264zyeeeBx842zyeeeCx(1)0cosBCCBCBCBzzyyxxCBCB9031.cos3273.cos9947.cos120355351353zyzyReeeeeeRexxR61484562121CBS1026-zyeeeBCRx(2)0CBABC为一直角三角形(3)BCRR53在直角坐标系中，空间任意一点P的位置可以用三个相互独立的变量ｘ,ｙ,ｚ表示,记为P(x,y,z).它们的变化范围分别是：－∞＜ｘ＜∞－∞＜ｙ＜∞－∞＜ｚ＜∞。1.2正交坐标系(QuadratureCoordinatesystem）考虑到被研究的物理量的空间分布及其变化规律不同，或物体的几何形状不同等等，可采用直角坐标系、圆柱坐标系和球面坐标系，这是最