2012电磁场与电磁波01_绪论

SchoolofElectronicsandInformationEngineering电磁场与电磁波ElectromagneticFieldsandWaves绪论主讲：谢泽明华南理工大学电子与信息学院TEL:13662486310Email:[e-mail]InformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology内容1.这门课程讲什么2.为什么开设这门课3.电磁场理论和应用发展简史4.课程内容设置5.课程难点与对策6.课程要求SchoolofElectronicsandInformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology课程讲什么1.统一的电磁场理论大树理论的树干：电场与磁场满足的基本方程（麦克斯韦方程组）理论的树枝之一：静电场电场基本性质和规律理论的树枝之二：恒定电流场的基本性质和规律理论的树枝之三：恒定磁场的基本性质和规律理论的树枝之四：时变电磁场的基本性质和规律理论的树枝之五：电磁波的性质和规律（专业的重要应用）SchoolofElectronicsandInformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology课程讲什么1.与大学物理——电磁学的异同相同点：都是学习电场、磁场与电磁波的性质和规律不同点：内容不同：大学物理重点是电磁现象的学习，电磁场理论重点是建立各种电磁现象的逻辑联系；数学工具不同：大学物理只涉及简单微积分，电磁场理论涉及矢量场论、偏微分方程和数理方程；目的不同：大学物理的目的是了解物理现象的本质，电磁场理论是为了精确求解电磁场的分布，为后续课程提供理论基础和工具SchoolofElectronicsandInformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology为什么开设这门课1.电磁场、电磁波是自然界中一种基本现象，一种独立存在的物质形式。摩擦起电：电荷间的作用力磁铁：电流间的作用力无线电波：时变电磁场的运动形式电磁场理论：各种宏观电磁现象的本质联系和定量描述。电磁场理论：揭示新的电磁现象及其重要应用。电磁波的发现——无线通信介质波导的研究——光纤通信超材料的研究——电磁隐身下一个发现与应用？科学问题SchoolofElectronicsandInformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology为什么开设这门课2.电磁场、电磁波应用广泛。电磁场（或电磁波）作为能量的一种形式，是当今世界最重要的能源，易于产生、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。技术问题SchoolofElectronicsandInformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology水电输电网络电机SchoolofElectronicsandInformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology微波炉电磁波加热各种分子、原子和原子核的谐振都发生在微波波段，这使得微波在基础科学、医学、遥感和加热等领域有独特的应用。SchoolofElectronicsandInformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology计算机及其网络电磁波SchoolofElectronicsandInformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology通信网络交换机基站移动用户终端电磁波SchoolofElectronicsandInformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology卫星通信大气窗口频段的电磁波SchoolofElectronicsandInformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology卫星导航定位（NavigationSatelliteTimingandRangingGlobalPositioningSystem－GPS）SchoolofElectronicsandInformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology射电天文SchoolofElectronicsandInformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology雷达（RadioDetectionandRanging，Radar）SchoolofElectronicsandInformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology喷墨打印机矿石分选器SchoolofElectronicsandInformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology磁分离器直流电动机SchoolofElectronicsandInformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology电磁波治疗仪SchoolofElectronicsandInformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology3.电磁场理论是电子、信息学科的基础。电磁场理论电路理论天线理论电子技术、无线通信技术、移动通信、信息处理电波传播微波、光纤SchoolofElectronicsandInformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology电磁场理论与应用发展简史电磁场理论的发展历程1.公元前6世纪，希腊学者Thales发现用布摩擦过的琥珀能吸引轻微的物体。2.16世纪吉尔伯特著《论磁学》，并根据琥珀的希腊文创造electricity一词。3.中国古代发明：司南SchoolofElectronicsandInformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology4.1785年，库仑（Coulomb，1736－1806，法国物理学家）利用扭秤测试了真空中两个小电荷之间的吸引力，得到了著名的库伦定律。5.其后Possion，Gauss等人的研究形成了静电场的初期理论SchoolofElectronicsandInformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology6.1786年，伽伐尼（A.L.Galvani，1737-1798,法国医学家）发现了生物电流。7.1799年，伏打（Vlota，1745－1798，意大利物理学家）发明电池。8.1820年，奥斯特（H.C.Oersted,1771-1851，丹麦物理学家）发现电流磁效应，并创造了Electromagnetics一词。毕奥（J.B.Biot,1774-1862）和沙伐尔（FelixSavart,1791-1841）法国物理学家，归纳出电流元的磁场定律。Lapalce给出更严格的数学形式。安培（A.M.Ampere,1775-1836，德国物理学家）在实验的基础上进行数学推导，得到了更为普遍的电动力公式。SchoolofElectronicsandInformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology9.1826年G.SOhm（1789-1854）发现欧姆定律。SchoolofElectronicsandInformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology10.1831年法拉第（M.Faraday，1791-1867，英国物理学家）经过10年的多次失败，终于取得突破，发现了电磁感应现象。SchoolofElectronicsandInformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology法拉第的另一个贡献是提出了磁力线概念，为形象地表述磁场提供途径。1833年愣次发现了感应电流的方向。1845年纽曼以定律的形式给出了电磁感应的定量规律。法拉第，出身贫寒，小学未毕业，但天生好学。11岁做报童。16岁做书籍装订工。这些工作让他有机会接触和学习很多知识。他酷爱听各种科学讲座，使他有幸成为戴维实验助手，从此他在实验科学方面做出卓有成效的工作。1821年（30岁）成为英国皇家学院实验室负责人。1824年（33岁）成为英国皇家学会会员。SchoolofElectronicsandInformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology11.1864年J.C.Maxwell(1831-1879,英国物理学家，数学家）集前人之大成，富有创见地假设了位移电流，建立了著名的麦克斯韦方程，建立了完整的宏观电磁场理论，并从理论上预测了电磁波的存在。麦克斯韦出生时，是法拉第发现电磁感应后2个多月。神童，10岁进爱丁堡学院学习，15岁在“爱丁堡皇家学报”发表论文，卡文迪什试验室首任主任。死于癌症。虽然只活了49岁，但他却写了100多篇有价值的论文。是一位与牛顿、爱因斯坦相提并论的科学家。SchoolofElectronicsandInformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology电磁波应用简史1.1887年H.Hertz(1857-1894,德国物理学家)实验证实了麦克斯韦方程的预言。赫芝采用电火花间隙发射机和加载偶极天线演示电磁波的传播。1890年赫兹又给出了麦克斯韦方程的最简洁形式，一直沿用至今。赫兹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，成为当代最活跃的学科领域SchoolofElectronicsandInformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology电报1.1895年，意大利马可尼（G.Marconi）成功地进行了2.5公里的电报传送实验。2.1896年，波波夫（A.Popov）进行了约250米的类似试验。3.1899年，电报跨越英吉利海峡的试验成功。4.1901年，跨越大西洋3200公里的试验成功。开始了电磁波信息传输的时代。5.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。SchoolofElectronicsandInformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology电话1.1876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电话。此后,电话便迅速普及开来。广播1.1906年，美国费森登用50千赫频率发电机作发射机，用微音器接天线实现调制，使大西洋航船上的报务员听到了他从波士顿播出的音乐。2.1919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。SchoolofElectronicsandInformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology电视1.1884年，德国的尼普科夫提出机械扫描电视的设想。2.