电磁场与电磁波课件完整版

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1、 刘岚刘岚 黄秋元等黄秋元等 编著编著 电子工业出版社电子工业出版社普通高等学校电气信息类专业基础课类教材武汉理工大学信息工程学院 黄秋元电磁场与电磁波电磁场与电磁波理论基础理论基础通信技术研究所：http:/ 三、磁场理论发展简史三、磁场理论发展简史 四、电磁场与电磁波基础理论主要研究对象四、电磁场与电磁波基础理论主要研究对象五、课程体系五、课程体系六、教材与参考书目六、教材与参考书目七、学习的目的、方法及其要求七、学习的目的、方法及其要求l随着信息时代飞速发展，尤其是电子计算机运行速度和通信传输速率的不断增加，系统的工作频率或运行速度不断攀升。带来的问题是什么？l在通信系统中，不管是有线还

2、是无线、数字还是模拟，其信号在信道的传输事实上都是电磁波的传播。l移动通信、卫星通信、无线宽带等无线通信应用越来越广泛，离不开电磁场与电磁波的理论l电子工艺技术的不断发展，高速器件（或叫快速上升沿的器件）不断的广泛应用，导致哪些问题的出现？l电路设计人员需要用“场”来解释电路与系统的居多问题l为学习移动通信、微波技术、光纤通信等后续专业课程或从事电磁工程研究做好充分的准备是通信专业本科必须掌握的知识结构之一是通信专业本科必须掌握的知识结构之一。通过本课程的学习，使大家掌握电磁场的基本规律，深刻理解麦克斯通过本课程的学习，使大家掌握电磁场的基本规律，深刻理解麦克斯韦方程组以及电磁场、电磁波的性质

3、；韦方程组以及电磁场、电磁波的性质；熟悉与掌握电磁场问题的数学模型（如波动方程、拉氏方程等）的建熟悉与掌握电磁场问题的数学模型（如波动方程、拉氏方程等）的建立过程以及分析方法；培养大家正确的思维方法和分析问题的能力，立过程以及分析方法；培养大家正确的思维方法和分析问题的能力，使大家对使大家对“场场”与与“路路”这两种既密切相关又相距甚远的理论有深刻这两种既密切相关又相距甚远的理论有深刻的认识，并学会用的认识，并学会用“场场”的观点去分析和计算一些简单、典型电磁问的观点去分析和计算一些简单、典型电磁问题；题；为从事高频与高速电路设计、微波、天线、电子技术、通信和电磁兼为从事高频与高速电路设计、微

4、波、天线、电子技术、通信和电磁兼容等领域的研究及解决实际问题打下必要的基础容等领域的研究及解决实际问题打下必要的基础电磁场是一个矢量场。不仅要知道场量大小，还要电磁场是一个矢量场。不仅要知道场量大小，还要知道其方向，场是空间分布的，因此涉及到三维或知道其方向，场是空间分布的，因此涉及到三维或四维的矢量微积分四维的矢量微积分 运算。难点之一运算。难点之一电磁场课程是理论性较强的实际问题分析，因此要电磁场课程是理论性较强的实际问题分析，因此要重视物理概念和和表达式的物理意义。难点之二重视物理概念和和表达式的物理意义。难点之二l所学课程的内容不是物理模型，就是数学模型，所做的讲解或分析均是将二者之间

5、的联系l我们认识事物的规律： 物理模型 数学模型 物理模型l本课程从一些实际电磁现象（物理模型）出发，总结出电磁场的基本规律（数学模型）：麦克斯韦方程组，再用这个基本规律解释一些实际的电磁现象（物理模型）。 实际电磁现象实际电磁现象 电磁场（矢量场）电磁场（矢量场） 方程（矢量方程（矢量方程）方程） 解决实际问题解决实际问题l本课程自始至终是把电磁现象用场场的概念来讨论。什么是场呢？场是指能够产生某种物理现象的空间场是指能够产生某种物理现象的空间区域，是一种特殊的物质，具有能量。区域，是一种特殊的物质，具有能量。l场的描述：场的特征是用一个或几个确定的物理量来描述它。场场的描述：场的特征是用一

6、个或几个确定的物理量来描述它。场与物理量呈对应关系。研究场事实上是研究描述场的物理量。与物理量呈对应关系。研究场事实上是研究描述场的物理量。l场的分类场的分类：标量场标量场：若所研究场的物理量是一个标量，即只用数值大小来描述的场,如温度场、压力场、密度场、电位场等。 矢量场矢量场：若所研究场的物理量是一个矢量，即不仅要用数值大小，还要用方向来描述的场，如重力场、速度场、电场、磁场等。静态场静态场：不随时间变化的场，即描述场的物理量是不随时间变化的，如静电场时变场时变场：随时间变化的场，即描述场的物理量是随时间变化的，如时变电磁场、空间温度场作为理论物理学的一个作为理论物理学的一个重要研究分支，

7、主要致重要研究分支，主要致力于统一场理论和微观力于统一场理论和微观量子电动力学的研究量子电动力学的研究。作为无线电技术的理作为无线电技术的理论基础，集中于三大论基础，集中于三大类应用问题的研究。类应用问题的研究。三、电磁场理论的主要研究领域射频通信电路与高速通信电射频通信电路与高速通信电路的路的PCB设计和系统设计设计和系统设计 电磁场（或电磁波）电磁场（或电磁波）作为能量的一种形式作为能量的一种形式，是，是当今世界最重要的能源，其当今世界最重要的能源，其研究领域涉及电磁研究领域涉及电磁能量的产生、储存、变换、传输和综合利用能量的产生、储存、变换、传输和综合利用。 电磁波作为信息传输的载体电磁

8、波作为信息传输的载体，成为当今人类，成为当今人类社会发布和获取信息的主要手段，社会发布和获取信息的主要手段，主要研究领主要研究领域为信息的产生、获取、交换、传输、储存、域为信息的产生、获取、交换、传输、储存、处处 理、再现和综合利用。理、再现和综合利用。 电磁波电磁波作为探测未知世界的一种重要手段作为探测未知世界的一种重要手段，主主 要研究领域为电磁波与目标的相互作用要研究领域为电磁波与目标的相互作用特性、特性、 目标特征的获取与重建、探测新技目标特征的获取与重建、探测新技术等。术等。 1 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，也最早被电、磁现象是大自

9、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。有来顿、富兰克林、伏打等科学家。 1919世纪以前，电、磁现象作为两个独立的物理现世纪以前，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。但是由于这些研究象，没有发现电与磁的联系。但是由于这些研究 （特别是伏打（特别是伏打17991799年发明了电池），为电磁学理论年发明了电池），为电磁学理论的建立奠定了基础。的建立奠定了基础。1818世纪末期，德国哲学家谢林认为，宇宙是世纪末期，德国哲学家谢林认为，宇宙是有活力的，而不是僵死的。有活力

10、的，而不是僵死的。他认为电就是宇他认为电就是宇宙的活力，是宇宙的灵魂；电、磁、光、热宙的活力，是宇宙的灵魂；电、磁、光、热是相互联系的。是相互联系的。奥斯特是谢林的信徒，他从奥斯特是谢林的信徒，他从18071807年开始研究年开始研究电磁之间的关系电磁之间的关系。18201820年，他年，他发现电流以力发现电流以力作用于磁针。作用于磁针。安培发现作用力的方向和电流的方向以及磁针到通安培发现作用力的方向和电流的方向以及磁针到通过电流的导线的垂直线方向相互垂直过电流的导线的垂直线方向相互垂直，并定量建立，并定量建立了若干数学公式。了若干数学公式。法拉第在谢林的影响下，相信电、磁、光、热是相法拉第在

11、谢林的影响下，相信电、磁、光、热是相互联系的。奥斯特互联系的。奥斯特18201820年发现电流以力作用于磁针年发现电流以力作用于磁针后，后，法拉第敏锐地意识到，电可以对磁产生作用，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。磁也一定能够对电产生影响。18211821年他开始探索磁年他开始探索磁生电的实验。生电的实验。18311831年他发现，当磁捧插入导体线圈年他发现，当磁捧插入导体线圈时；导线圈中就产生电流。时；导线圈中就产生电流。这表明，电与磁之间存这表明，电与磁之间存在着密切的联系。在着密切的联系。 麦克斯韦麦克斯韦深入研究并探讨了电与磁之间发生作深入研究并探讨了电