《電磁場(chǎng)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(chǎng)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?yàn)樘炀€與電波傳播 計(jì)算電磁學(xué) 雷電電磁脈沖傳播機(jī)理與防護(hù) tangt 3 一 課程的性質(zhì) 二 電磁場(chǎng)理論的發(fā)展 三 電磁場(chǎng)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(chǎng) 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(huì)發(fā)布和獲取信息 探測(cè)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(shí) 是電磁理論的重要組成部分 5 1 電磁場(chǎng)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(xiàn)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(gè)獨(dú)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(chǎng)理論的發(fā)展 6 2 電磁場(chǎng)理論的建立18世紀(jì)末期 德國哲學(xué)家謝林認(rèn)為 宇宙是有活力的 而不是僵死的 他認(rèn)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(shí)到 電可以對(duì)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(shí)驗(yàn) 1831年他發(fā)現(xiàn) 當(dāng)磁棒插入導(dǎo)體線圈時(shí) 線圈中就會(huì)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(chǎng)的概念 在法拉第實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上 總結(jié)了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律 引進(jìn)位移電流的概念 這個(gè)概念的核心思想是 變化著的電場(chǎng)能產(chǎn)生磁場(chǎng) 與變化著的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)相對(duì)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(chǎng)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(jì)算機(jī)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(lì)一個(gè)環(huán)狀天線 用另一個(gè)帶隙的環(huán)狀天線接收 證實(shí)了麥克斯韋關(guān)于電磁波存在的預(yù)言 這一重要的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致了后來無線電報(bào)的發(fā)明 從此開始了電磁場(chǎng)理論應(yīng)用與發(fā)展時(shí)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(chǎng)理論的應(yīng)用 10 無線電報(bào) 1895年 意大利馬可尼成功地進(jìn)行了2 5km距離的無線電報(bào)傳送實(shí)驗(yàn) 1896年 波波夫進(jìn)行了約250m米距離的類似試驗(yàn) 1899年 無線電報(bào)跨越英吉利海峽的試驗(yàn)成功 1901年 跨越大西洋的3200km距離的試驗(yàn)成功 馬可尼以其在無線電報(bào)等領(lǐng)域的成就 獲得了1909年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 無線電報(bào)的發(fā)明 開始了利用電磁波時(shí)期 有線電話 1876年 美國A G 貝爾在美國建國100周年博覽會(huì)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(jī)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(gè)全電子電視系統(tǒng) 廣播 1906年 美國費(fèi)森登用50kHz頻率發(fā)電機(jī)作發(fā)射機(jī) 用微音器接入天線實(shí)現(xiàn)調(diào)制 使大西洋航船上的報(bào)務(wù)員聽到了他從波士頓播出的音樂 1919年 第一個(gè)定時(shí)播發(fā)語言和音樂的無線電廣播電臺(tái)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(tái) 12 雷達(dá) 第二次世界大戰(zhàn)前夕 飛機(jī)成為主要進(jìn)攻武器 英 美 德 法等國競(jìng)相研制一類能夠早期警戒飛機(jī)的裝置 1936年 英國的瓦特設(shè)計(jì)的警戒雷達(dá)最先投入了運(yùn)行 有效地警戒了來自德國的轟炸機(jī) 1938年 美國研制成第一部能指揮火炮射擊的火炮控制雷達(dá) 1940年 多腔磁控管的發(fā)明 使微波雷達(dá)的研制成為可能 1944年 能夠自動(dòng)跟蹤飛機(jī)的雷達(dá)研制成功 1945年 能消除背景干擾 顯示運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的顯示技術(shù)的發(fā)明 使雷達(dá)更加完善 在整個(gè)第二次世界大戰(zhàn)期間 雷達(dá)成了電磁場(chǎng)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(yàn)衛(wèi)星 1964年 借助定點(diǎn)同步通信衛(wèi)星首次實(shí)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(diǎn)同步衛(wèi)星投入運(yùn)行 1969年 大西洋 太平洋和印度洋上空均已有定點(diǎn)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?cè)噲D將雷達(dá)引入衛(wèi)星 實(shí)現(xiàn)以衛(wèi)星為基地對(duì)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(shí)施這一計(jì)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(shí)用系統(tǒng)新方案 即GPS計(jì)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(jī) 礦物的分選 磁分離器 回旋加速器 磁流體發(fā)電機(jī) 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(jī) 電磁高速公路等等 16 矢量分析電磁場(chǎng)的基本規(guī)律靜態(tài)電磁場(chǎng)及其邊值問題的解時(shí)變電磁場(chǎng)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(chǎng)的基本屬性和運(yùn)動(dòng)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(chǎng)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(shí)際問題的能力獨(dú)立完成作業(yè) 18 六 主要參考書 1 謝處方 饒克謹(jǐn) 電磁場(chǎng)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(chǎng)與電磁波 周克定等譯 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2002 6 楊儒貴 電磁場(chǎng)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(chǎng)與波典型題解析及自測(cè)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(chǎng)與電磁波 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2004 9 楊顯清 王園 趙家升 電磁場(chǎng)與電磁波 第4版 教學(xué)指導(dǎo)書 北京 高等教育出版社 2006