电磁场与电磁波 主讲人：李昌彪 联系方式：13484553019 邮箱：cbli@mail.xjtu.edu.cn 地址：东二楼262 2017/3/7

电子科学与工程：不同频段电磁波的产生、控制及应用

电场和磁场 静止电荷产生的场表现为对于带电体有力的作用，这种场称为电场。不随时间变化的电场称为静电场。 运动电荷或电流产生的场表现为对于磁铁和载流导体有力的作用，这种物质称为磁场。不随时间变化的磁场称为恒定磁场。 电磁场与电磁波 4 2017/3/7

电 磁 波 如果电荷及电流均随时间改变，它们产生的电场及磁场也是随时间变化的。时变的电场与时变的磁场可以相互转化，两者不可分割，它们构成统一的时变电磁场。时变电场与时变磁场之间的相互转化作用，在空间形成了电磁波。 静电场与恒定磁场相互无关、彼此独立，可以分别进行研究。因此，本书先讨论静电场和恒定磁场，然后再介绍时变电磁场。 电磁场与电磁波 5 2017/3/7

物 质 属 性 电磁场与电磁波是客观存在的一种物质，因为它具有物质的两种重要属性：能量和质量。但是，电磁场与电磁波的质量极其微小，因此，通常仅研究电磁场与电磁波的能量特性。 电磁场与电磁波既然是一种物质，它的存在和传播无需依赖于任何介质。 对于电磁场与电磁波来说，真空环境通常被称为“自由空间”。

场 与 介 质 当空间存在介质时，在电磁场的作用下介质中会发生极化与磁化现象，结果在介质中又产生二次电场及磁场，从而改变了介质中原先的场分布，这就是场与介质的相互作用现象。 先介绍真空中的电磁场，然后再讨论介质中的电磁场。

场 与 源 电荷及电流是产生电磁场惟一的源。 引入磁荷及磁流的概念是十分有益的，但是，它们仅是假想的。 研究场与源的关系是电磁理论的基本问题之一。

历 史 的 回 顾 时 代 发 明 者 现 象 公元前600年 希腊人 摩擦后琥珀吸引微物体 公元前300年 中国人 磁石吸铁 1785年 历 史 的 回 顾 时 代 发 明 者 现 象 公元前600年 希腊人 摩擦后琥珀吸引微物体 公元前300年 中国人 磁石吸铁 1785年 法国库仑 (1736—1806) 电荷之间的作用力 库仑定律 1820年 丹麦奥斯特(1777—1851) 电流产生磁场 法国安培 (1775—1836) 电流之间的作用力 安培定律 1831年 英国法拉第 (1791—1867) 时变磁场产生时变电场 电磁感应定律

1821年－1825年，安培做了关于电流相互作用的四个精巧的实验，并根据这四个实验导出两个电流元之间的相互作用力公式，即安培力定律。 1820年7月，奥斯特发表关于电流磁效应的论文后，安培报告了他的实验结果：通电的线圈与磁铁相似。同年9月25日，他报告了两根载流导线存在相互影响，相同方向的平行电流彼此相吸，相反方向的平行电流彼此相斥。 1821年－1825年，安培做了关于电流相互作用的四个精巧的实验，并根据这四个实验导出两个电流元之间的相互作用力公式，即安培力定律。 1826年，安培从斯托克斯定理推导得到了著名的安培环路定律，证明了磁场沿包围产生其电流的闭合路径的曲线积分等于其电流密度，这一定律成为麦克斯韦方程组的基本方程之一。 安德烈-玛丽·安培（André-Marie Ampère，1775年－1836年），法国化学家，在电磁作用方面的研究成就卓著，对物理学及数学也有重要贡献。 国际单位制中电流的单位“安培”以其姓氏命名。

重 大 突 破 1873年英国科学家麦克斯韦（1831—1879）提出了位移电流的假设，认为时变电场可以产生时变磁场，并建立了严格的数学方程——麦克斯韦方程。 麦克斯韦预言电磁波的存在，后来在1887年被德国物理学家赫兹（1857—1894）的实验证实。 俄国的波波夫及意大利的马可尼于19世纪末先后发明了使用电磁波作为信息载体的传输技术。

英国爱丁堡麦克斯韦塑像 英国科学期刊《物理世界》曾让读者投票评选世界上“最伟大的公式”，麦克斯韦方程组排名第一。

电磁场理论的应用 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。

有线电话: 1876年，美国A.G. 贝尔在美国建国100周年博览会上展示了他所发明的有线电话。 此后，有线电话便迅速普及开来。 无线电报: 1895年，意大利马可尼成功地进行了2.5km距离的无线电报传送实验；1896年，波波夫进行了约250m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3200km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年的诺贝尔物理学奖。无线电报的发明，开始了利用电磁波时期。

广播: 1906年，美国费森登用50kHz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: 1884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。

雷达: 第二次世界大战前夕，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，使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的发明，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。

卫星通信技术: 1958年， 美国发射低轨道 “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。

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。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。

Global Positioning System(GPS) 全 球 定 位 系 统 Global Positioning System(GPS) 信 息 载 体 的 应 用

电磁场与波的应用 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。 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。 当今的无线通信、广播、雷达、遥控遥测、微波遥感、无线广域网、无线局域网、卫星定位以及光纤通信等信息技术都是利用电磁波作为载体传输信息的。

世界首辆载人高温超导磁悬浮试验车 磁 场 力 的 应 用 西南交通大学应用超导研究所研制

B2 隐形轰炸机 反 射 定 律 的 应 用  i  r

Stealth Fighter F-117

立 体 电 影 电 磁 波 极 化 特 性 的 应 用

无 线 用 户 * 2004年无线上网的设备达到 15 亿部。 * 2004年60%美国人在工作中使用无线设备。 * 2004年无线上网的设备达到 15 亿部。 * 2004年60%美国人在工作中使用无线设备。 * 2005年全世界无线上网的人数达到 4.8 亿。 * 2007年美国无线商务用户超过 1 亿。 * 2007年中国的手机用户已有 5 亿多。 * 2014年中国的智能手机用户已有 5 亿多。微信活跃账户数达4.38亿

相互促进，共同发展 新技术的广泛应用促进了电磁理论的发展。由此创建了很多分析电磁场与电磁波的新方法，研制了很多电磁性能优越的新材料。 随着大容量的高性能及高速度计算机的出现，不但解决了很多电磁理论的计算问题，同时也萌生了计算电磁场与电磁波的新方法，从而形成计算电磁学的新学科。

电 磁 单 位 本书采用国际单位制（ SI ）。在电磁学中，这种单位制的四个基本单位是长度、质量、时间和电流。长度单位为m（米），质量单位为kg（千克），时间单位为s（秒），电流单位为A（安培）。 对于正弦电磁场使用的时间因子为 e j t 。

内容安排 根据纸质主教材，本教案也分十章 矢量分析 9. 导行电磁波 静电场 10. 电磁辐射及原理 静电场的边值问题 恒定电流场 恒定磁场 电磁感应 时变电磁场 平面电磁波 　 9. 导行电磁波 10. 电磁辐射及原理

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 掌握宏观电磁波的传播规律 了解电磁波的辐射原理 掌握静态场问题的基本求解方法 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　 掌握宏观电磁波的传播规律 了解电磁波的辐射原理 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 培养用数学方法解决实际问题的能力 独立完成作业　

电磁场理论在本学科中的地位 1.电子科学与技术系的专业基础课 2.光学、电子光学、微电子、高分辨显示技术、功能材料科学等学科的基础课程.（静电场部分） 3. 光电子学基础，激光原理，微波技术，光纤通信以及以后的量子电子学，非线性光学等课程的基础课程（电磁波部分） 4.考研复试课程之一（以及比如清华大学，北京大学，国防大学等大学考研专业课程之一。

电磁场理论 主要教材： 杨儒贵 电磁场与电磁波 高等教育出版社（第二版） 主要参考书 《电磁场》、冯慈璋、高等教育出版社、2003 杨儒贵 电磁场与电磁波 高等教育出版社（第二版） 主要参考书 《电磁场》、冯慈璋、高等教育出版社、2003 《经典电动力学(影印版)》、John David Jackson、高等教育出版社、