专题1：电磁场、电磁波与无线技术的起源、发展及应用概述

电磁场、电磁波与无线技术的起源、发展及应用概述华中科技大学电子信息与通信学院电子工程系2016.5.18我们现在已经知道…电与磁密不可分：不断变化的磁场会产生电场，而电流和不断变化的电场又会产生磁场可见光只是很宽的电磁波谱中的一段，其辐射由振荡电场和磁场构成这些知识不是凭空冒出来的，来源于几百年电磁学的发展2电磁学电磁学是经典物理学的一部分。它主要是研究电荷、电流产生电场、磁场的规律；电场和磁场的相互作用；电磁场对电荷、电流的作用；以及电磁场对物质的各种效应等。3主要内容一．电磁学发展简史二．麦克斯韦方程组的漫漫长路三．电磁场、电磁波的发展及应用简述电磁学发展简史一.磁与静电5公元前585年，古希腊哲学家泰勒斯已记载了在到当时的希腊人通过摩擦琥珀吸引羽毛,用磁铁矿石吸引铁片的现象，曾对其原因进行过一番思考。在相当长时间琥珀与磁石的性质被看成是其固有的性质。在东方，中国人民早在两千多年前汉（公元前206－公元220年）朝，就发现了天然的磁石特性。古代的能工巧匠把磁石打磨成勺形，放在青铜制成的底盘上。这个磁勺在底盘上停止转动时，勺柄指的方向就是正南，这就是我国祖先发明的世界上最早的指示方向的仪器，叫做司南。电磁学发展简史61600年，英国的吉尔伯特发表《论磁学》，对于磁石的各种基本性质作了系统的定性描述。把经摩擦的琥珀等能吸引轻小物体的性质称为“电的”（electric)。——当时主要的研究方法就是思考，而吉尔伯特主张真正的研究应该以实验为基础，他提出这种主张并付诸实践，在这点上，可以说吉尔伯特是近代科学研究方法的开创者。1663年，盖里克发明了摩擦起电机；1720年，英国牧师格雷研究了电的传导现象，发现导体和绝缘体的区别；1733年，杜非分别了两种电，松脂电和玻璃电1746年，富兰克林提出了正电、负电的概念，一直沿用至今。1745年，荷兰莱顿城莱顿大学教授马森布洛克发明了莱顿瓶，为贮存电荷找到了一个方法。电磁学发展简史7莱顿瓶的发明使物理学第一次有办法得到很多电荷，并对其性质进行研究。1752年7月，费城一个电闪雷鸣的上午，美国人富兰克林将一个风筝放到空中，风筝下有一根铁丝，铁丝下栓一根麻绳，麻绳的下一端拴丝线，绳线接触处栓了一把钥匙。同时他还把从云端“吸取”的电荷收集在莱顿瓶中，进行实验分析。富兰克林的工作，揭开了雷电的奥秘，统一了“天电”和“地电”，震惊了科学界。富兰克林还将其发现转化为应用——避雷针诞生了。电磁学发展简史从定性到定量——库仑定律8库仑（1736-1806），法国科学家。1785年库仑发明“库仑扭秤”，用它来测量两个静电荷之间的作用力。通过精巧的扭秤试验，库仑测定了两个静止电荷之间的相互作用力与它们之间的距离的平方成反比，与它们的电量乘积成正比，这就是著名的库仑定律。库仑定律的建立使电磁学研究从定性走上了定量的道路。，使电磁学真正成为一门科学。电磁学发展简史二．从静电到‘动电’（电流）91780年意大利人伽伐尼发现两种不同金属接触时就会产生电，这是由两种金属表面不同的电子逸出功所产生的接触电势差而形成意大利帕维亚大学教授伏达（1745-1827）注意到伽伐尼的工作，进而发明了第一个直流电源——伏达电池。电压的单位“伏特”就是以他的名字命名的。电池的发明，提供了产生恒定电流的电源，使电学从静电走向动电，为19世纪电学实验的发展提供了最重要的工具。从此电学进入了飞速发展时期。电磁学发展简史欧姆定律10欧姆（1787-1854），德国人。在傅立叶的热传导理论的启发下进行的电学研究。他将付里叶在热学中提出的热流、热阻，类比电学中的电流、电阻，温度差类比电势差。认为导线中两点之间的电流也许正比于这两点间的某种推动力之差。欧姆通过实验验证，在1826年发现了欧姆定律——在同一电路中，通过某段导体的电流跟这段导体两端的电压成正比，跟这段导体的电阻成反比。使与电流相关的物理量可以测定和推出。人们为纪念他，将电阻的单位定为“欧姆”电磁学发展简史三．电生磁1117世纪初，吉尔伯特断言，他们之间没有因果关系。库仑也持相同观点。自吉尔伯特开始以来的二百多年，电和磁一直是毫无关系的两门学科，围绕电与磁寻找自然现象之间的联系，成为一种潮流。电流的磁效应的发现，建立了电与磁的联系，开辟了物理学的新领域──电磁学。为了纪念他，1934年起，磁场强度单位命名为‘奥斯特’奥斯特（1777-1851），丹麦人。经过大量实验，1820年奥斯特发现通电导线周围小磁针发生偏转，展示了电与磁之间存在联系的首个证据。电磁学发展简史安培定则和安培环路定律12安德烈·安培（1775-1836），法国物理学家。在电磁作用方面的研究成就卓著。稳恒磁场中，磁感应强度B沿任何闭合路径的线积分，等于这闭合路径所包围的各个电流的代数和乘以磁导率。这个结论称为安培环路定理，揭示了磁现象的电本质1820年，在奥斯特实验启发下，安培研究发现可以用右手来表示电流的方向和它的磁场方向之间的规律，这就是安培定则或右手螺旋定则。。安培第一个把研究动电的理论称为“电动力学”，为了纪念他在电磁学上的杰出贡献，电流的单位“安培”以他的姓氏命名电磁学发展简史四．磁生电13运动电荷（电流）周围存在磁场，而电和磁又是有相互联系的，那么磁场是否可以产生电场呢？迈克尔.法拉第（1791-1867）十九世纪最伟大的实验物理学家之一，同时又是杰出的化学家和自然哲学家，他在电磁学研究方面的卓越贡献如同伽利略、牛顿在力学方面的贡献一样，具有划时代的意义。最杰出的工作是电磁感应的发现和场的概念的提出。电磁学发展简史电磁感应定律和楞次定律14通过奥斯特实验，法拉第认为电与磁是一对和谐的对称现象，经过10年探索，于1831年发现了电磁感应定律，即交变磁场产生电场。磁生电的实现，宣告了电气时代的到来。1833年,愣次对法拉第定律进行深入研究,又提出一个新发现:线圈中感生电流的方向总是使它自己所产生的磁场抵抗原有磁场的变化,楞次定律表明电磁感应所产生的新能量,要靠消耗原有磁场的变化，是电磁现象的能量守恒定律。至此，电磁感应定律基本完善了。法拉第最大的贡献是第一次明确提出了场的概念，他认为电力和磁力都是通过力线传递的，力线是客观存在的，力线布满空间，形成场。也就是说法拉第第一个提出场的物质性。从他以后场就成了认识电磁现象必不可少的组成部分，甚至比产生或汇集力线的源更重要，更基本。法拉第是电磁场学说的创始人。麦克斯韦方程组的漫漫长路150年前，詹姆斯.克拉克.麦克斯韦指明了通向现代科技的道路15要纪念伟大的物理学家麦克斯韦，绝不缺少场合这个世界的大部分信息——光、电场和磁场的基本定律——都可以归结为4个简单的方程式。这些方程现在统称为麦克斯韦方程组，是工程和物理入门教科书的必备内容。麦克斯韦方程组的漫漫长路18世纪末到19世纪初，描述电场、磁场的性质以及电、磁场相互关系的库仑定律、高斯定理、安培定律、法拉第电磁感应定律已经相继建立，法拉第关于力线和场的概念已经提出，标志着建立统一电磁理论的条件已经具备。许多科学家都对这一课题作出了探索：16安培的超距作用电磁理论法拉第和麦克斯韦的近距作用电磁理论纽曼和韦伯的大陆派电动力学麦克斯韦方程组的漫漫长路安培的超距作用电磁理论1719世纪20年代，安培从电流与电流之间的相互作用出发，把磁性归结为电流之间的相互作用，提出了‘分子电流’假说。他通过一系列精确实验，定量研究电流之间的相互作用，推出了普遍的电动力公式。安培的电动力学能说明一些电磁现象，能够定量计算，但是它不能说明电磁感应，也没有包括库仑定律，对静电领域无能为力。然而，安培的电动力公式是建立在超距作用的基础上。安培遵循牛顿的路线，认定电流元之间的相互作用力是电磁现象的核心，电流元之间存在超距作用，就象万有引力一样，因此安培把自己的理论称为电动力学。由于电磁相互作用和引力作用有根本的区别，所以安培的电动力公式遇到了万有引力定律所没有的困难和矛盾。麦克斯韦方程组的漫漫长路纽曼和韦伯的大陆派电动力学18不久安培的学说传到德国，形成了大陆派电动力学。纽曼和韦伯是这个学派的代表。但是韦伯公式中包含了依赖于速度的力，所以屡遭反对。亥姆赫兹曾多次批评它不遵守能量守恒定律，大大影响了它的声誉。1845年，纽曼提出了电磁感应定律的数学表达式。1846年，韦伯发展了安培的理论，把电流看成是由沿相反方向以相同速度运动的同样数量的正负电荷组成，在安培定律基础上，提出了更一般的电动力公式，包括了库仑定律。进一步推导，可以引出安培定律和纽曼电磁感应公式。于是韦伯电动力公式成了大陆派电动力学的基础。麦克斯韦方程组的漫漫长路近距作用的提出19和大陆派电动力学对立的另有一学派，主张近距作用。法拉第和麦克斯韦就是其突出代表。麦克斯韦继承了法拉第的力线思想，坚持近距作用，同时又吸取了大陆派电动力学的正确部分，在两种不同学说争论的背景下，历经了三次重大变革，上了三个台阶，最终创建了统一的电磁场理论。法拉第第一次明确提出了场的概念，认为电力和磁力都是通过力线传递的，在大量实验研究的基础上建立场的近距作用观点，为电磁场理论的建立奠定了最重要的基石。詹姆斯.克拉克.麦克斯韦，英国人，1831年生于爱丁堡，自幼聪慧过人，得到父亲和老师的静心培养。10岁进入爱丁堡书院学习。15岁就有几何学论文发表。1850年入剑桥大学，期间获得数学竞赛优胜者称号。剑桥大学期间麦克斯韦受到研究员W.汤姆生的影响，开始研究电磁学和法拉第的电磁场理论。麦克斯韦方程组的漫漫长路麦克斯韦创建电磁场理论的三步曲201856年发表《论法拉第力线》，运用类比法把流线的数学表达式用到静电理论中，对法拉第的电磁场思想建立了数学表述。1861年发表《论物理力线》，建立‘分子涡旋’模型，这个力学视角模型有助于描述一系列电磁现象，并且为‘位移电流’这一新概念奠定了基础。位移电流并不是真的电流。它是描述变化电场在某一特定区域产生磁场的方法，就像电流产生磁场那样。在麦克斯韦的模型中，如果电场的变化导致涡流介质中粒子位置的瞬时变化，粒子位移的变化形成了电流，麦克斯韦称之为‘位移电流’。增加这一概念之后，麦克斯韦估计出了电磁波在真空中的传播速度，发现与光速相等，因此预见光是一种电磁波。麦克斯韦方程组的漫漫长路麦克斯韦创建电磁场理论的三步曲211865年麦克斯韦发表了《电磁场的动力学理论》，全面的论述了电磁场理论。这篇论文中，麦克斯韦放弃了力学模型，但坚持了近距作用理论，明确说：“我提出的理论可以称为电磁场理论，因为它必须涉及电体和磁体附近的空间，它也可以称为动力理论，因为它假设在这一空间存在着运动的物质，观测到的电磁现象正是这一运动物质引起的。”接着，麦克斯韦全面阐述了电磁场的含义，他指出：“电磁场是包含和围绕着处于电或磁状态的物体的那部分空间，它可能充有任何一种物质。”这篇论文中麦克斯韦提出了电磁场的普遍方程组，用数学运算描述了电学和磁学的联系，以及电和磁一旦生成，如何一起移动形成电磁波。不过1865年麦克斯韦提出的方程组共20个方程，包括20个变量。这项工作是现代电磁学的基础，为物理学家和工程师们提供了计算电荷、电场、电流和磁场之间关系的工具麦克斯韦方程组的漫漫长路麦克斯韦的工作本来应是一个成功的创举，但是在当时却遭到严重的质疑，他最亲密的同事都表示怀疑。22当时英国科学界的领袖汤姆森爵士就是持最强烈反对态度的怀疑者之一，根本不相信可能存在位移电流这回事。他的反对很正常，想象在充满原子的电介质中存在位移电流是一回事，想象它在真空中形成就是另一回事，因为没有力学模型来描述这种环境。维多利亚时代的许多物理学家都无法接受没有力学模型的理论。另外麦克斯韦假设振荡的电场和磁场共同形成电磁波，但他没有说明他们如何在空间中移动。当时已知的所有波都需要传播介质，例如声波在空气和水中传播。当时的物理学家推断如果电磁波存在，必须要有传播介质，因此模型的缺失至少使得麦克斯韦的理论看起