《電磁場與電磁波》緒論.ppt

1 2 自我介紹 唐濤 1982年生 四川廣安人西南交通大學(xué)電磁場與微波技術(shù)研究所工學(xué)博士 成都信息工程學(xué)院電子工程學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)教研室 主要研究方向為天線與電波傳播 計算電磁學(xué) 雷電電磁脈沖傳播機理與防護 tangt 3 一 課程的性質(zhì) 二 電磁場理論的發(fā)展 三 電磁場理論的應(yīng)用 四 內(nèi)容安排 五 學(xué)習(xí)的目的 方法及其要求 六 主要參考書 4 電磁場 或電磁波 作為能量的一種形式 是當(dāng)今世界最重要的能源之一 電磁波作為信息傳輸?shù)妮d體 成為當(dāng)今人類社會發(fā)布和獲取信息 探測未知世界的重要手段 一 課程的性質(zhì) 電類專業(yè)學(xué)生必修的技術(shù)基礎(chǔ)課 是電氣工程師的必備知識 是電磁理論的重要組成部分 5 1 電磁場理論的早期研究電 磁現(xiàn)象是大自然最重要的往來現(xiàn)象 也是最早被科學(xué)家們關(guān)心和研究的物理現(xiàn)象 其中貢獻最大的有賴頓 富蘭克林 伏打等科學(xué)家 19世紀(jì)以前 電 磁現(xiàn)象一直作為兩個獨立的物理現(xiàn)象 沒有人發(fā)現(xiàn)它們之間的相互聯(lián)系 但是這些研究 特別是伏打1799年發(fā)明了電池 為電磁學(xué)理論的建立奠定了基礎(chǔ) 二 電磁場理論的發(fā)展 6 2 電磁場理論的建立18世紀(jì)末期 德國哲學(xué)家謝林認為 宇宙是有活力的 而不是僵死的 他認為電就是宇宙的活力 是宇宙的靈魂 電 磁 光 熱是相互聯(lián)系的 奧斯特是謝林的信徒 他從1807年開始研究電 磁之間的關(guān)系 1820年 他發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針 安培發(fā)現(xiàn)作用力的方向 電流的方向 磁針到通電導(dǎo)線的垂直方向是相互垂直的 并定量建立了若干數(shù)學(xué)公式 7 法拉第在謝林的影響下 相信電 磁 光 熱是相互聯(lián)系的 奧斯特1820年發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針后 法拉第敏銳地意識到 電可以對磁產(chǎn)生作用 磁也一定能夠?qū)﹄姰a(chǎn)生影響 1821年他開始探索磁生電的實驗 1831年他發(fā)現(xiàn) 當(dāng)磁棒插入導(dǎo)體線圈時 線圈中就會產(chǎn)生電流 這表明 電與磁之間存在著密切的聯(lián)系 麥克斯韋深入研究并探討了電與磁之間發(fā)生作用的問題 發(fā)展了場的概念 在法拉第實驗的基礎(chǔ)上 總結(jié)了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律 引進位移電流的概念 這個概念的核心思想是 變化著的電場能產(chǎn)生磁場 與變化著的磁場產(chǎn)生電場相對應(yīng) 在此基礎(chǔ)上提出了一套偏微分方程來表述電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律 稱為麥克斯韋方程組 是經(jīng)典電磁學(xué)的基本方程 8 3 電磁場理論的發(fā)展在麥克斯韋方程建立后的一百多年里 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 電磁理論得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展 尤其近30年來 無線電電子學(xué) 計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展 生物電磁學(xué) 環(huán)境電磁學(xué)和電磁兼容等學(xué)科的建立 向電磁理論提出了許多新的研究課題 使現(xiàn)代電磁理論得到了迅速的發(fā)展 9 1887年 德國科學(xué)家赫茲用火花隙激勵一個環(huán)狀天線 用另一個帶隙的環(huán)狀天線接收 證實了麥克斯韋關(guān)于電磁波存在的預(yù)言 這一重要的實驗導(dǎo)致了后來無線電報的發(fā)明 從此開始了電磁場理論應(yīng)用與發(fā)展時代 并且發(fā)展成為當(dāng)代最引人注目的學(xué)科之一 三 電磁場理論的應(yīng)用 10 無線電報 1895年 意大利馬可尼成功地進行了2 5km距離的無線電報傳送實驗 1896年 波波夫進行了約250m米距離的類似試驗 1899年 無線電報跨越英吉利海峽的試驗成功 1901年 跨越大西洋的3200km距離的試驗成功 馬可尼以其在無線電報等領(lǐng)域的成就 獲得了1909年的諾貝爾物理學(xué)獎 無線電報的發(fā)明 開始了利用電磁波時期 有線電話 1876年 美國A G 貝爾在美國建國100周年博覽會上展示了他所發(fā)明的有線電話 此后 有線電話便迅速普及開來 11 電視 1884年 德國尼普科夫提出機械掃描電視的設(shè)想 1927年 英國貝爾德成功地用電話線路把圖像從倫敦傳至大西洋中的船上 茲沃霄金在1923和1924年相繼發(fā)明了攝像管和顯像管 1931年 他組裝成世界上第一個全電子電視系統(tǒng) 廣播 1906年 美國費森登用50kHz頻率發(fā)電機作發(fā)射機 用微音器接入天線實現(xiàn)調(diào)制 使大西洋航船上的報務(wù)員聽到了他從波士頓播出的音樂 1919年 第一個定時播發(fā)語言和音樂的無線電廣播電臺在英國建成 次年 在美國的匹茲堡城又建成一座無線電廣播電臺 12 雷達 第二次世界大戰(zhàn)前夕 飛機成為主要進攻武器 英 美 德 法等國競相研制一類能夠早期警戒飛機的裝置 1936年 英國的瓦特設(shè)計的警戒雷達最先投入了運行 有效地警戒了來自德國的轟炸機 1938年 美國研制成第一部能指揮火炮射擊的火炮控制雷達 1940年 多腔磁控管的發(fā)明 使微波雷達的研制成為可能 1944年 能夠自動跟蹤飛機的雷達研制成功 1945年 能消除背景干擾 顯示運動目標(biāo)的顯示技術(shù)的發(fā)明 使雷達更加完善 在整個第二次世界大戰(zhàn)期間 雷達成了電磁場理論最活躍的部分 13 衛(wèi)星通信技術(shù) 1958年 美國發(fā)射低軌道 斯科爾 衛(wèi)星成功 這是第一顆用于通信的試驗衛(wèi)星 1964年 借助定點同步通信衛(wèi)星首次實現(xiàn)了美 歐 非三大洲的通信和電視轉(zhuǎn)播 1965年 第一顆商用定點同步衛(wèi)星投入運行 1969年 大西洋 太平洋和印度洋上空均已有定點同步通信衛(wèi)星 衛(wèi)星地球站已遍布世界各國 這些衛(wèi)星地球站又和本國或本地區(qū)的通信網(wǎng)接通 衛(wèi)星通信經(jīng)歷10年的發(fā)展 終趨于成熟 14 衛(wèi)星定位技術(shù) 1957年衛(wèi)星發(fā)射成功后 人們試圖將雷達引入衛(wèi)星 實現(xiàn)以衛(wèi)星為基地對地球表面及近地空間目標(biāo)的定位和導(dǎo)航 1958年底 美國開始研究實施這一計劃 于1964年研究成功子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 1973年美國提出了由24顆衛(wèi)星組成的實用系統(tǒng)新方案 即GPS計劃 1990年最終的GPS方案是由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成 15 其他應(yīng)用 陰極射線示波器 噴墨打印機 礦物的分選 磁分離器 回旋加速器 磁流體發(fā)電機 電磁泵 磁懸浮列車 變壓器 電磁爐 電磁式生物芯片 隱形飛機 電磁高速公路等等 16 矢量分析電磁場的基本規(guī)律靜態(tài)電磁場及其邊值問題的解時變電磁場均勻平面波在無界空間中的傳播均勻平面波的反射和透射導(dǎo)行電磁波電磁輻射 四 內(nèi)容安排 根據(jù)紙質(zhì)主教材 本教案也分八章 17 五 學(xué)習(xí)的目的 方法及其要求 掌握宏觀電磁場的基本屬性和運動規(guī)律掌握宏觀電磁波的傳播規(guī)律了解電磁波的輻射原理掌握靜態(tài)場問題的基本求解方法訓(xùn)練分析問題 歸納問題的科學(xué)方法培養(yǎng)用數(shù)學(xué)方法解決實際問題的能力獨立完成作業(yè) 18 六 主要參考書 1 謝處方 饒克謹(jǐn) 電磁場與電磁波 第3版 北京 高等教育出版社 1999 2 LiangChiShen JinAuKong AppliedElectromagnetism 2nded PWSPublishingCompany 1987 3 JohnD Kraus DanielA Fleisch ElectromagneticsWithApplications 5nded 影印版 北京 清華大學(xué)出版社 2001 4 WilliamH Hayt Jr JohnA Buck著 工程電磁學(xué) 第六版 徐安士 周樂柱譯 北京 電子工業(yè)出版社 2004 5 BhagSinghGuru H seyinR Hiziroglu著 電磁場與電磁波 周克定等譯 北京 機械工業(yè)出版社 2002 6 楊儒貴 電磁場與電磁波 北京 高等教育出版社 2003 7 趙家升 楊顯清 王園 電磁場與波典型題解析及自測試題 西安 西北工業(yè)大學(xué)出版社 2002 8 馮林 楊顯清 王園等編著 電磁場與電磁波 北京 機械工業(yè)出版社 2004 9 楊顯清 王園 趙家升 電磁場與電磁波 第4版 教學(xué)指導(dǎo)書 北京 高等教育出版社 2006