绪绪 论论电磁场与电磁波电磁场与电磁波电 子 教 案1绪绪 论论电磁场与电磁波电磁场与电磁波一、课程的性质一、课程的性质二、电磁场理论的发展二、电磁场理论的发展 三电磁场理论的应用三电磁场理论的应用 四、内容安排四、内容安排五、学习的目的、方法及其要求五、学习的目的、方法及其要求六、主要参考书六、主要参考书2绪绪 论论电磁场与电磁波电磁场与电磁波 电磁场电磁场（或电磁波）作为能量的一种形式，是当今世界最重（或电磁波）作为能量的一种形式，是当今世界最重要的能源要的能源 电磁波电磁波作为信息传输的载体，成为当今人类社会发布和获取作为信息传输的载体，成为当今人类社会发布和获取信息、探测未知世界的重要手段信息、探测未知世界的重要手段一、课程的性质一、课程的性质 电类专业学生必修的技术基础课电类专业学生必修的技术基础课 是电气工程师必备知识是电气工程师必备知识 是电磁理论的重要组成部分是电磁理论的重要组成部分3绪绪 论论电磁场与电磁波电磁场与电磁波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往来现象，也是最早被科学电、磁现象是大自然最重要的往来现象，也是最早被科学家们关心和研究的物理现象，其中贡献最大的有家们关心和研究的物理现象，其中贡献最大的有来顿、富兰来顿、富兰克林、伏打克林、伏打等科学家。等科学家。 19世纪以前，电、磁现象作为两个独立的物理现象，没有世纪以前，电、磁现象作为两个独立的物理现象，没有发现它们之间的相互联系。但是由于这些研究特别是伏打发现它们之间的相互联系。但是由于这些研究特别是伏打1799年发明了电池），为电磁学理论的建立奠定了基础。年发明了电池），为电磁学理论的建立奠定了基础。二、电磁场理论的发展二、电磁场理论的发展4绪绪 论论电磁场与电磁波电磁场与电磁波2电磁场理论的建立电磁场理论的建立 18世纪末期，德国哲学家世纪末期，德国哲学家谢林谢林认为，宇宙是有活力的，认为，宇宙是有活力的，而不是僵死的。他认为电就是宇宙的活力，是宇宙的灵魂；而不是僵死的。他认为电就是宇宙的活力，是宇宙的灵魂；电、磁、光、热是相互联系的。电、磁、光、热是相互联系的。 奥斯特奥斯特 是谢林的信徒，他从是谢林的信徒，他从1807年开始研究电磁之间的年开始研究电磁之间的关系。关系。1820年，他发现电流以力作用于磁针。年，他发现电流以力作用于磁针。 安培安培 发现作用力的方向、电流的方向、磁针到通电导线发现作用力的方向、电流的方向、磁针到通电导线的垂直方向是相互垂直的，并定量建立了若干数学公式。的垂直方向是相互垂直的，并定量建立了若干数学公式。5绪绪 论论电磁场与电磁波电磁场与电磁波 法拉第法拉第 在谢林的影响下，相信电、磁、光、热是相互联系在谢林的影响下，相信电、磁、光、热是相互联系的。奥斯特的。奥斯特1820年发现电流以力作用于磁针后，法拉第敏锐地年发现电流以力作用于磁针后，法拉第敏锐地意识到，电可以对磁产生作用，磁也一定能够对电产生影响。意识到，电可以对磁产生作用，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。年他开始探索磁生电的实验。1831年他发现，当磁捧插入年他发现，当磁捧插入导体线圈时；线圈中就产生电流。这表明，电与磁之间存在着导体线圈时；线圈中就产生电流。这表明，电与磁之间存在着密切的联系。密切的联系。 麦克斯韦麦克斯韦 深入研究并探讨了电与磁之间发生作用的问题，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的规律，引进位移电流的概念。这个概念的核心思想是：变象的规律，引进位移电流的概念。这个概念的核心思想是：变化着的电场能产生磁场；与变化着的磁场产生电场相对应。在化着的电场能产生磁场；与变化着的磁场产生电场相对应。在此基础上提出了一套偏微分方程来表达电磁现象的基本规律，此基础上提出了一套偏微分方程来表达电磁现象的基本规律，称为麦克斯韦方程组，是经典电磁学的基本方程。称为麦克斯韦方程组，是经典电磁学的基本方程。6绪绪 论论电磁场与电磁波电磁场与电磁波 3电磁场理论的发展电磁场理论的发展 在麦克斯韦方程建立后的一百多年里在麦克斯韦方程建立后的一百多年里,随着科学技术的发随着科学技术的发展，电磁理论得到了广泛的应用和发展，尤其近三十年来，展，电磁理论得到了广泛的应用和发展，尤其近三十年来，无线电电子学、计算机和网络技术无线电电子学、计算机和网络技术的飞速发展，的飞速发展，生物电磁学、生物电磁学、环境电磁学环境电磁学和和电磁兼容电磁兼容等学科的建立，向电磁理论提出了许等学科的建立，向电磁理论提出了许多新的研究课题，使现代电磁理论得到了迅速的发展。多新的研究课题，使现代电磁理论得到了迅速的发展。7绪绪 论论电磁场与电磁波电磁场与电磁波 1887年，德国科学家年，德国科学家赫兹赫兹用火花隙激励一个环状天线，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。存在的预言，这一重要的实验导致了后来无线电报的发明。从此开始了电磁场理论应用与发展时代，并且发展成为当代从此开始了电磁场理论应用与发展时代，并且发展成为当代最引人注目的学科之一。最引人注目的学科之一。 三电磁场理论的应用三电磁场理论的应用 8绪绪 论论电磁场与电磁波电磁场与电磁波无线电报无线电报: 1895年，意大利年，意大利马可尼马可尼成功地进行了成功地进行了2.5公里距离的无线公里距离的无线电报传送实验。电报传送实验。1896年，年，波波夫波波夫进行了约进行了约250米距离的类似米距离的类似试验试验, 1899年年, 无线电报跨越英吉利海峡的试验成功；无线电报跨越英吉利海峡的试验成功；1901年，跨越大西洋的年，跨越大西洋的3200公里距离的试验成功。马可尼以其在公里距离的试验成功。马可尼以其在无线电报等领域的成就，获得了无线电报等领域的成就，获得了1909年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。无线电报的发明，开始了利用电磁波时期。无线电报的发明，开始了利用电磁波时期。有线电话有线电话: 1876年，美国年，美国A.G. 贝尔贝尔在美国建国在美国建国100周年博览会上展示周年博览会上展示了他所发明的有线电话。了他所发明的有线电话。 此后，有线电话便迅速普及开来。此后，有线电话便迅速普及开来。9绪绪 论论电磁场与电磁波电磁场与电磁波 电视电视: : 1884年，德国年，德国尼普科夫尼普科夫提出机械扫描电视的设想，提出机械扫描电视的设想，1927年，年，英国贝尔德成功地用电话线路把图像从伦敦传至大西洋中的英国贝尔德成功地用电话线路把图像从伦敦传至大西洋中的船上。船上。兹沃霄金兹沃霄金在在1923和和1924 年相继发明了摄像管和显像管。年相继发明了摄像管和显像管。1931年，他组装成世界上第一个全电子电视系统。年，他组装成世界上第一个全电子电视系统。 广播广播: : 1906年，美国年，美国费森登费森登用用50千赫频率发电机作发射机，用微千赫频率发电机作发射机，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他从音器接入天线实现调制，使大西洋航船上的报务员听到了他从波士顿播出的音乐。波士顿播出的音乐。1919年，第一个定时播发语言和音乐的无年，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。座无线电广播电台。10绪绪 论论电磁场与电磁波电磁场与电磁波雷达雷达: : 二次世界大战前夕，飞机成为主要进攻武器。英、美、德、二次世界大战前夕，飞机成为主要进攻武器。英、美、德、法等国竞相研制一类能够早期警戒飞机的装置。法等国竞相研制一类能够早期警戒飞机的装置。1936年，英国年，英国的瓦特设计的警戒雷达最先投入了运行。有效地警戒了来自德的瓦特设计的警戒雷达最先投入了运行。有效地警戒了来自德国的轰炸机。国的轰炸机。1938年，美国研制成第一部能指挥火炮射击的火年，美国研制成第一部能指挥火炮射击的火炮控制雷达。炮控制雷达。1940年，多腔磁控管的发明，微波雷达的研制成年，多腔磁控管的发明，微波雷达的研制成为可能。为可能。1944年，能够自动跟踪飞机的雷达研制成功。年，能够自动跟踪飞机的雷达研制成功。1945年，年，能消除背景干扰显示运动目标的显示技术的发明能消除背景干扰显示运动目标的显示技术的发明,使雷达更加使雷达更加完善。在整个第二次世界大战期间完善。在整个第二次世界大战期间,雷达成了电磁场理论最活雷达成了电磁场理论最活跃的部分。跃的部分。11绪绪 论论电磁场与电磁波电磁场与电磁波卫星通信技术卫星通信技术: 1958年年, 美国发射低轨的美国发射低轨的“斯科尔斯科尔”卫星成功卫星成功,这是第一颗这是第一颗用于通信的试验卫星。用于通信的试验卫星。1964年年,借助定点同步通信卫星首次实借助定点同步通信卫星首次实现了美、现了美、 欧、非三大洲的通信和电视转播。欧、非三大洲的通信和电视转播。1965年年,第一颗商用第一颗商用定点同步卫星投入运行。定点同步卫星投入运行。1969年年, 大西洋、太平洋和印度洋上空大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定点同步通信卫星均已有定点同步通信卫星,卫星地球站已遍布世界各国，这些卫卫星地球站已遍布世界各国，这些卫星地球站又和本国或本地区的通信网接通。卫星通信经历星地球站又和本国或本地区的通信网接通。卫星通信经历10年年的发展，终趋于成熟。的发展，终趋于成熟。12绪绪 论论电磁场与电磁波电磁场与电磁波卫星定位技术卫星定位技术: : 1957年卫星发射成功后，人们试图将雷达引入卫星，实现年卫星发射成功后，人们试图将雷达引入卫星，实现以卫星为基地对地球表面及近地空间目标的定位和导航。以卫星为基地对地球表面及近地空间目标的定位和导航。1958年底，美国开始研究实施这一计划，于年底，美国开始研究实施这一计划，于1964年研究成功子午仪年研究成功子午仪卫星导航系统。卫星导航系统。1973年美国提出了由年美国提出了由24颗卫星组成的实用系统颗卫星组成的实用系统新方案，即新方案，即GPS计划。计划。1990年最终的年最终的GPS方案是由方案是由21颗工作卫颗工作卫星和星和3颗在轨备用卫星组成。颗在轨备用卫星组成。13绪绪 论论电磁场与电磁波电磁场与电磁波其它应用其它应用： 阴极射线示波器阴极射线示波器，喷墨打印机喷墨打印机，矿物的分选矿物的分选， 磁分离器磁分离器，回旋加速器回旋加速器，磁流体发电机磁流体发电机， 电磁泵电磁泵，磁悬浮列车磁悬浮列车，变压器变压器，电磁炉电磁炉， 电磁式生物芯片电磁式生物芯片，隐形飞机隐形飞机，电磁高速公路电磁高速公路等等等等14绪绪 论论电磁场与电磁波电磁场与电磁波1.1.矢量分析矢量分析2.2.电磁场的基本规律电磁场的基本规律3.3.静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解 4.4.时变电磁场时变电磁场5.5.均匀平面波在无界空间中的传播均匀平面波在无界空间中的传播 6.6.均匀平面波的反射和透射均匀平面波的反射和透射 7.7.导行电磁波导行电磁波 8.8.电磁辐射电磁辐射 四、内容安排四、内容安排根据纸质教材，本教案也分八章根据纸质教材，本教案也分八章15绪绪 论论电磁场与电磁波电磁场与电磁波五、学习的目的、方法及其要求五、学习的目的、方法及其要求掌握宏观电磁场的基本属性和运动规律掌握宏观电磁场的基本属性和运动规律掌握宏观电磁波的传播规律掌握宏观电磁波的传播规律了解电磁波的辐射原理了解电磁波的辐射原理掌握静态场问题的基本求解方法掌握静态场问题的基本求解方法训练分析问题、归纳问题的科学方法训练分析问题、归纳问题的科学方法培养用数学方法解决实际问题的能力培养用数学方法解决实际问题的能力独立完成作业独立完成作业16绪绪 论论电磁场与电磁波电磁场与电磁波六、主要参考书六、主要参考书1. 谢处方，电磁场与电磁波（第三版），高等教育出版社，谢处方，电磁场与电磁波（第三版），高等教育出版社，19992. Liang Chi Shen, Jin Au Kong ， Applied Electromagnetism. Second Edition ， PWS Publishing Company, 19873. John D. Kraus, Daniel A. Fleisch.，Electromagnetics With Applications. Fifth Edition（影印版），北京：清华大学出版社，（影印版），北京：清华大学出版社，20015. William H. Hayt, Jr. John A. Buck 著著. 徐安士徐安士, 周乐柱译周乐柱译. 工程电磁学（第六版）工程电磁学（第六版）. 北京：电子工业出版社，北京：电子工业出版社，20046. Bhag Singh Guru, Hseyin R. Hiziroglu 著著. 周克定等译周克定等译. 电磁场与电磁波电磁场与电磁波. 北京：北京： 机械工业出版社，机械工业出版社，20027. 杨儒贵杨儒贵. 电磁场与电磁波电磁场与电磁波. 北京：高等教育出版社，北京：高等教育出版社，20038.赵家升，杨显清，王园赵家升，杨显清，王园. 电磁场与波典型题解析及自测试题电磁场与波典型题解析及自测试题. 西安：西北工业大学西安：西北工业大学 出版社，出版社，20029.冯林，杨显清，王园等编著冯林，杨显清，王园等编著. 电磁场与电磁波电磁场与电磁波. 北京：机械工业出版社，北京：机械工业出版社，200410杨显清，王园，赵家升杨显清，王园，赵家升. 电磁场与电磁波（第四版）教学指导书，高等教育出版电磁场与电磁波（第四版）教学指导书，高等教育出版 社，社，200617