电磁场与电磁波 教师：邹艳红 副教授 电话：13187097490 电邮：yanhongzou@hnu.edu.cn.

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1 电磁场与电磁波 教师：邹艳红 副教授 电话：

2 课程概述 学时：40 （课堂），16（课程实验），小班讨论（16学时） 学分：3 开课学期：5 课程性质：专业必修 开课专业：通信工程、电科

3 绪 论 一、电磁场理论的主要研究领域 二、电磁场理论的发展简史 三、电磁场理论的主要研究对象 四、学习的目的、方法及其要求

4 一、电磁场理论的主要研究领域 电磁 场的 主要 研究 领域 作为无线电技术的理 论基础，集中于三大 类应用问题的研究。 作为理论物理学的一个
重要研究分支，主要致 力于场理论和微观 量子电动力学的研究。 电磁 场的 主要 研究 领域 作为无线电技术的理 论基础，集中于三大 类应用问题的研究。

5 ♥ 电磁场（或电磁波）作为能量的一种形式，是
三大类应用问题： ♥ 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，其研究领域涉及电磁 能量的产生、储存、变换、传输和综合利用。 ♥ 电磁波作为信息传输的载体，成为当今人类社 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、 目标特征的获取与重建、探测新技术等。

6 二、电磁场理论发展简史 1．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，其中贡献最大的有来顿、富兰克林、伏打等科学家。 19世纪以前，电、磁现象作为两个独立的物理现 象，没有发现电与磁的联系。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。

7 2．电磁场理论的建立 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。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。

8 库仑于1779年通过实验和采用类比方法归纳、导出了两个静止点电荷间的相互作用规律，即库仑定律，是静电学理论建立的实验基础。

9 奥斯特从1807年开始研究电磁之间的关系。1820年，他发现电流以力作用于磁针。
近于同时，安培发现磁力作用的规律——安培力公式。

10 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。 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。法拉第发现电磁感应定律。

11 麦克斯韦在法拉第实验的基础上，总结了宏观电磁现象的规律，引入了“感生电场”、“位移电流”两个概念，其核心思想是：变化的磁场要产生感生电场，变化的电场也要产生磁场。在此基础上，1864年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，是经典电磁场理论的基本方程。

12 1887年，德国科学家赫兹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。

13 赫兹设计的电磁波发生和接收装置 （a）是振荡电路，含有两个金属放电杆，每根杆的一端有一金属球，两球间有一个敞开的空气隙。
（b）是一个检测电磁波的装置 ，不带电池或其它内部电源，是将一条导线弯成圆形，在导线的两端焊上两个金属小球，小球间留有小的间隙 。

14 3．电磁场的应用和发展 无线电报 1895年，意大利马可尼成功地进行 2.5公里距离的无线电报传送实验。1896年，波波夫进行了约250米距离的类似试验, 1899年, 无线电报跨越英吉利海峡的试验成功；1901年，跨越大西洋的3200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1909年的诺贝尔奖金物理学奖。无线电报的发明，开始了利用电磁波时期。

15 电视 1884年，德国尼普科夫提出机械扫描电视的设
广播 年，美国费森登用50千赫频率发电机作发 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波士顿播出的音乐。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。 电视 年，德国尼普科夫提出机械扫描电视的设 想，1927年，英国贝尔德成功地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和1924 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。

16 雷达（Radio Detection and Ranging）
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。1936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国的轰炸机。1938年，美国研制成第一部能指挥火炮射击的火炮控制雷达。1940年，多腔磁控管的发明，微波雷达的研制成为可能。1944年，能够自动跟踪飞机的雷达研制成功。1945年，能消除背景干扰显示运动目标的显示技术发明,使雷达更加完善。在整个第二次世界大战期间,雷达成了电磁场理论最活跃的部分。

17 卫星通信技术 1958年, 美国发射低轨的“斯科尔”卫星成功,这是第一颗用于通信的试验卫星。1964年,借助定点同步通信卫星首次实现了美、 欧、非三大洲的通信和电视转播。1965年,第一颗商用定点同步卫星投入运行。1969年, 大西洋、太平洋和印度洋上空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年的发展，终趋于成熟。

18 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。它是英文 Navigation Satellite Timing and Ranging /Global Positioning System 的字头缩写NAVSTAR/GPS的简称，其含义是利用导航卫星 进行测时和测距。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。

19 GPS定位系统在确定目标的精确位置时，必须考虑电磁波在电离层和大气层传播中波传播速度的修正。

20 三、电磁场理论的主要研究对象 1.电磁场的基本属性及其运动规律； 2.波与物质的相互作用及信息的提取； 3.电磁场系统的计算方法，仿真技术；
4.工程技术应用中的电磁场理论问题；

21 《电磁场与电磁波》包含的基本内容 静电场 恒定电场 恒定磁场 （电荷电场） （电流电场） （恒定电流磁场与永磁体磁场电荷电场）
矢量分析（数学基础） 静电场 （电荷电场） 恒定电场 （电流电场） 恒定磁场 （恒定电流磁场与永磁体磁场电荷电场） 静态场边值问题求解 解析法：分离变量法、镜像法、格林函数法、复变函数法等 数值法：有限差分法、有限元法、边界元法、矩量法等 近似解析法：逐步逼近法、微扰法、变分法、迭代变分法等

22 法拉第电磁感应定律 （变化磁场产生电场） 麦克斯韦的位移电流假说 （变化电场产生磁场） 时变场高斯定理 磁通连续性定理 完整的麦克斯韦方程组 （Maxswell Equations） 标量位函数 矢量位函数 边界条件 均匀平面波的传播 电磁波的辐射 波导和谐振腔 微波元件 微波电路

23 主要教学内容及学时 第一章 矢量分析(6学时) 第二章 电磁场的基本规律（6学时） 第三章 静态电磁场及其边值问题的解（6学时）
第四章 时变电磁场（6学时） 第五章均匀平面波在无界空间中的传播（6学时） 第六章 均匀平面波的反射与透射（6学时） 第七章 导行电磁波（4学时） 第八章 电磁辐射（4学时）

24 参考书目 1、电磁场与电磁波理论 曹伟 徐立勤 北邮出版 2、电磁场与电磁波（第4版） 谢处方 高教出版
1、电磁场与电磁波理论 曹伟 徐立勤 北邮出版 2、电磁场与电磁波（第4版） 谢处方 高教出版 3、电磁场与电磁波 杨儒贵 高教出版 4、电磁学 赵凯华 高教出版 5、电磁场与电磁波 焦其祥 科学出版社 6、电磁场理论 柯亨玉 人民邮电出版社 7、电磁场与电磁波 郭辉萍 西安电子出版社 8、电磁场与电磁波 邱景辉 哈工大出版社

25 9、工程电磁场 楼仁海、符果行、肖书君 国防工业出版
10、电磁场与电磁波 英文版 第2版 （美）古鲁 机械工业出版 11、工程电磁场基础 马长芳 科学出版社 12、电磁场与波. 黎滨洪，金荣洪，张佩玉 上海交大出版社 13、数学物理方法（第三版） 梁昆淼 高教出版 14、电磁场基础 马信山 清华大学出版社 15、电磁场与电磁波 （第2版）冯恩信 西安交大

26 四、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 掌握宏观电磁场问题的基本求解方法 了解宏观电磁场的主要应用领域及其原理
训练分析问题、归纳问题的科学方法 培养用数学解决实际问题的能力 独立完成作业，做好课堂笔记 精读一至二本教学参考书