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邵小桃电子信息工程学院电路与电磁场课程组Office:9教南202Tel:[phone]•简述电磁场理论的发展历程•电磁场与电磁波的应用•本课程的性质及特点•课程的主要内容及要求绪论电磁场及电磁波理论的发展历史•公元前600年希腊人发现了摩擦后的琥珀能够吸引微小物体；公元前300年我国发现了磁石吸铁的现象；后来，人们发现了地球磁场的存在。•1785年法国科学家库仑（1736－1806）通过实验创建了著名的库仑定律。•1820年丹麦人奥斯特（1777－1851）发现了电流产生的磁场。•同年法国科学家安培（1775－1836）计算了两个电流之间的作用力。•第一个人：英国，法拉弟，1831年发现了电磁感应现象，创建了电磁感应定律，说明时变磁场可以产生时变电场。被称为电磁理论基石（Basement）•第二个人：英国，麦克斯韦，1864年引入位移电流理论，提出的电磁波的公式–Maxwell方程组，该方程说明了时变电场可以产生时变磁场，同时时变磁场可以产生时变电场，因此麦克斯韦预言电磁波的存在并指出光是一种电磁波，称为电磁理论的里程碑（Milestone)重大突破：四个人功不可没：•第三个人：德国，赫兹，1888年用实验证明了电磁波的存在，对麦克斯韦方程组的正确性提供了理论依据。•第四个人：意大利，马可尼，1897年实现了无线电通信，发明了用电磁波作为媒体传输信息的技术。1909年获得诺贝尔物理奖。本专业的典型应用：•静电力、磁场力的作用：静电分离、磁悬浮技术•电视、广播、无线通信、卫星通信、光纤通信、微波通信、无线接入网、无线局域网、蓝牙技术等•雷达探测与反探测技术：探地雷达电磁场电磁波的应用•电磁干扰/电磁兼容(EMI/EMC)所有这些不同频率、有用的、没用的电磁波混在一起称“电波色拉”.•国防领域：高功率电磁脉冲武器、电磁干扰、电子战•医疗领域：电磁治疗仪，电磁治疗•工业：无损电磁检测•食品：微波炉，保鲜，灭菌•商业：射频识别卡（RFID）•交通：导航定位(GPS系统)•强电（变压器、电机等）其它应用举例：科学研究：•科学实验研究、新能源、生物电磁静电分离、静电复印、静电除尘以及静电喷漆等技术都是基于静电场对于带电粒子具有力的作用。静电分离静电喷涂世界首辆载人高温超导磁悬浮试验车Stable!Stable!电磁铁、磁悬浮轴承以及磁悬浮列车等，都是利用磁场力的作用。B2隐形轰炸机反射定律的应用全球定位系统GlobalPositioningSystem(GPS)信息载体的应用车载GPS信息网美国海军作战系统的图片超声波检测无损电磁检测磁粉检测射线检测高能物理研究所对撞机中科院等离子体物理研究所（合肥）人造太阳（新能源）科学研究EAST-先进超导托卡马克实验装置(ExperimentalAdvancedSuperconductingtokmak)国家九五重大科学工程项目EAST(HT-7U)Tokamak主要参数(MainParameters)纵场(ToroidalField)Bo3.5T等离子体电流(PlasmaCurrent)IP1-1.5MA大半径(MajorRadius)Ro1.7m小半径(MinorRadius)a0.4m大小半径比(AspectRatio)R/a4.25拉长度(Elongation)Kx1.6-2三角形变(Triangularity)dx0.6-0.8加热及驱动(HeatingandCurrentDriving):离子回旋加热(ICRH)6MW低混杂波驱动(LHCD)6MW中性束(NBI)4(10)MW电子回旋加热(ECRH)0.5(2)MW脉冲长度(Pulselength)1000s-CW位形(Configuration)DN,SN16CryostatCentralSolenoidPoloidalCiolsToroidalCoilsVacuumVesselSupportsinsidetheDeviceSupportPlatformThermalShields外真空室超导中心螺管超导极向场大线圈超导纵场磁体内真空室热屏蔽层装置内部支撑装置主支撑EAST●中国科技大学：诊断；装置（650万元，最多）●华中科技大学：装置（德国）●北京大学：理论，中子诊断●清华大学：球马克装置●浙江大学：理论模拟●北京科技大学：材料●大连理工大学：等离子体于表面相互作用●（上海）东华大学（原华东纺织学院）：控制？ITER今年973项目有八所大学参加：中国仍有一半的国土没有照亮在未来50－100年内中国可否跨越能源短缺的“瓶颈”???Source:NASA,USA18•电子、通信类专业学生必修专业基础课课程的性质及特点前修课程：高等数学、大学物理（电磁学）后续课程：微波技术、电磁兼容、移动通信、卫星通信、微波通信、光纤通信等。•理论性强–体系完整、严谨•内容抽象–空间矢量场看不见、摸不着•数学知识多-偏微分、多重积分、矢量分析和场论，四元函数（x,y,z,t）的矢量运算。本课程的主要内容•静电场•恒定电流场•恒定磁场•边值问题数学基础静态场时变场•矢量场•时变电磁场•平面电磁波•导行电磁波•电磁辐射与天线课程教学基本要求教材:电磁场与电磁波理论基础(陈乃云等编)按时听课，不缺课，严格要求学生做好一定数量的习题每周2小时答疑（质疑）地点：南202考核方式为闭卷考试成绩评定：平时30分（作业15分，实验10分，研究型报告5分）期末70分每周一交作业地点：南202/203参考书籍1.《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2.《电磁场与电磁波》杨儒贵编，高等教育出版社第一章矢量分析场论初步本章内容：•矢量场和标量场•正交曲线坐标系中的矢量场•标量场的梯度•矢量场的通量与散度•矢量场的环量与旋度•亥姆霍兹定理本章基本要求•理解标量场和矢量场的概念•理解散度、旋度和梯度的物理意义，掌握三个度的计算•熟练使用直角坐标、圆柱坐标和球坐标进行矢量的微积分运算；•了解亥姆霍兹定理的内容重点要求在直角坐标、圆柱坐标和球坐标中:•计算矢量场的散度和旋度•标量场的梯度•矢量的线积分、面积分和体积分又称数学场论，是研究各种类型场运动规律的数学工具，它的数学公式是与场的物理概念紧密相关的。场论是把各种物理的场在数学上抽象成矢量场和标量场来研究。矢量运算矢量分析矢量加法矢量乘法矢量微积分1.1矢量场和标量场一.矢量的表示方法aAaAA矢量的大小或模AA•矢量几何表示•矢量数学表示单位矢量a其中(模为1)AA,,A•矢量用坐标分量表示AxAAyAzxzyA=axAx(x,y,z)+ayAy(x,y,z)+azAz(x,y,z)有向线段:长度为模，指向为方向。定义：按平行四边形或三角形法则相加ABA+BAB-BA-BA-B-BBAAA+BB二.矢量的代数运算1.矢量的加减法a.A+B=B+Ab.A+B+C=(A+B)+C=A+(B+C)c.A–B=A+(-B)d.若A=axAx(x,y,z)+ayAy(x,y,z)+azAz(x,y,z)B=axBx(x,y,z)+ayBy(x,y,z)+azBz(x,y,z)则A±B=ax(Ax±By)+ay(Ay±By)+az(Az±Bz)cA=ax(cAx)+ay(cAy)+az(cAz)运算法则：2.两个矢量的标量积（点积，点乘）：结果是标量定义：AB=ABcos其中为A、B间的夹角运算法则：a.AB=BA(A+B)C=AC+BCb.AA=A2直角坐标中，AA=Ax2+Ay2+Az2A在B方向上的投影ABc.正交系中aiaj=1i=j0i≠j直角系中AB=AxBx+AyBy+AzBzABBABABAABzzyyxx11coscosBAd.AB=0A⊥B（可作为两矢量相互垂直的判据）3.两个矢量的矢量积（叉积、叉乘）：结果是矢量定义：C=A×B模值:C=∣A×B∣=ABsin方向:C⊥A,C⊥B且A，B，C成右手螺旋关系ABBsinC=A×B运算法则：a.A×B=-B×AA×(B+C)=A×B+A×Cb.A×A=0c.正交系中∣ai×aj∣=1i≠j0i=j直角系中A×B=ax(AyBz–AzBy)+ay(AzBx-AxBz)+az(AxBy-AyBx)zyxzyxzyxBBBAAAaaaABBA1sind.A×B=0A∥±B（可作为两矢量相互平行的判据）A×BC)(zzyyxxzyxzyxzyxCCCBBBAAAaaaaaazyxzyxzyxBBBAAACCC由行列式交换法则可得：(A×B)C=(B×C)A=(C×A)B=-(B×A)C=-(C×B)A=-(A×C)B物理意义：以A、B、C为邻边的平行六面体的体积ABC4.三个矢量的混合积三.标量场与矢量场（1）什么是场：-具有某种物理量在空间的分布。如地球周围的温度场、湿度场、重力场；另外还有气功场；百慕大三角场（洞、汇）-场在数学上用函数表示。即场中任一个点都有一个确定的标量值或矢量。场量在占有空间区域中，除开有限个点和某些表面外，是处处连续、可微的。（2）场的分类：标量场：具有标量特征的物理量在空间的分布，如温度场、电位等矢量场：具有矢量特征的物理量在空间的分布，如重力场、流速场等标量场和矢量场都有可能随时间变化.时变场:场量随时间变化,f(x,y,z,t),A(x,y,z,t),四元函数静态场:场量不随时间变化,f(x,y,z),A(x,y,z),三元函数标量场火星夜间温度图矢量场粒子槽矢量场旋转的粒子流•场是由源产生的，场不能离开场源而存在•不同的场对应不同的源•源有矢量和标量之分（旋度源和散度源）（3）场源如：温度场由热源产生静止电荷电场运动电荷磁场Note：电荷及电流是产生电磁场唯一的源（4）形象描绘场分布的工具--场线标量场--等值线(面).constzyxh),,(方程为矢量场--矢量线0dlA其方程为等高线A(x,y,z)：矢线切向→场量的方向疏密程度→场量的大小。小结1）复习了矢量的表示方法2）复习了矢量的代数运算3）讨论了什么是标量场和矢量场1.41.61.8习题