北京理工大学 电磁场理论基础 序言.

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1、电磁场理论基础电磁场理论基础序 言教教 师：刘埇师：刘埇 手手 机：机：13581806328办公室：办公室：4号楼号楼203室室内容提要内容提要 光光 什么是电磁场？什么是电磁场？ 发展简史发展简史 电磁频谱电磁频谱 研究对象研究对象 研究领域研究领域 章节安排章节安排 学习的目的、方法和要求学习的目的、方法和要求能级跃迁图能级跃迁图一、光的产生一、光的产生不同不同颜色颜色的光是的光是怎么怎么产生的产生的？关于光的关于光的“微粒说微粒说”和和“波动说波动说”“微粒说微粒说”和和“波动说波动说”都是对光的本性的认识过程中都是对光的本性的认识过程中所提出的某种所提出的某种假说假说，都是建立在一定

2、的，都是建立在一定的实验基础实验基础之上的之上的。以以牛顿为代表的牛顿为代表的“微粒说微粒说”认为光是从光源发出的物质微粒，认为光是从光源发出的物质微粒，这种假说很容易解释光的直进现象，光的反射现象，光的折射这种假说很容易解释光的直进现象，光的反射现象，光的折射现象，但在解释一束光射到两种介质界面处会现象，但在解释一束光射到两种介质界面处会同时同时发生反射与发生反射与折射现象时，发生了很大的困难。折射现象时，发生了很大的困难。以以惠更斯为代表的惠更斯为代表的“波动说波动说”认为光是某种振动以波的形式向认为光是某种振动以波的形式向周围传播，这种假说很容易解释反射与折射同时存在的现象，周围传播，这

3、种假说很容易解释反射与折射同时存在的现象，但由于波应能绕过障碍物，所以在解释光的但由于波应能绕过障碍物，所以在解释光的直进直进现象时遇到了现象时遇到了困难。困难。电磁波电磁波光光 子子光的波动性光的波动性光的粒子性光的粒子性 波长波长 频率频率波速波速 动质量动质量能量能量动量动量波的干涉波的干涉波的衍射波的衍射横波偏振横波偏振有波动参量有波动参量 如：如：有波的行为特性有波的行为特性 如：如：有粒子参量有粒子参量 如：如： 有粒子的行为特性有粒子的行为特性 如：如：黑体辐射黑体辐射光电效应光电效应康普顿效应康普顿效应, ,光的这种双重特性光的这种双重特性, ,称为称为光的波粒二象性光的波粒二

4、象性。既具有既具有波动性波动性又具有又具有粒子性粒子性光光h/hch19231923年他提出年他提出电子电子既具有粒子既具有粒子性又具有波动性。性又具有波动性。19241924年正式发表一切物质都具年正式发表一切物质都具有波粒二象性的论述。并建议有波粒二象性的论述。并建议用电子在晶体上做衍射实验来用电子在晶体上做衍射实验来验证。验证。19271927年被实验证实。他的论述年被实验证实。他的论述被爱因斯坦誉为被爱因斯坦誉为 “ 揭开了巨揭开了巨大面罩的一角大面罩的一角 ”。 德布罗意德布罗意为此获得为此获得19291929年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。本课程按照波动性理论研究电磁场问题，而

5、不考虑粒子性理论。本课程按照波动性理论研究电磁场问题，而不考虑粒子性理论。光的干涉光的干涉激激光光P1S2S1PP2挡板挡板 屏屏双缝干涉双缝干涉薄膜干涉薄膜干涉光的干涉条纹光的干涉条纹光的衍射条纹光的衍射条纹光的偏振（电磁波的极化）光的偏振（电磁波的极化）P明明QP明明暗暗QP丙丙甲甲乙乙光的偏振说明光是横波。光的偏振说明光是横波。光的干涉与衍射充分地表明光是一种波，光的偏振光的干涉与衍射充分地表明光是一种波，光的偏振现象又进一步表明光是横波。现象又进一步表明光是横波。麦克斯韦提出了光在本质上是一种电磁波麦克斯韦提出了光在本质上是一种电磁波，这就是，这就是所谓的所谓的光的电磁说光的电磁说。赫

6、兹用实验证实了电磁波的存在，并测出其波长与赫兹用实验证实了电磁波的存在，并测出其波长与频率，进而得到电磁波的传播速度，用实验证实了频率，进而得到电磁波的传播速度，用实验证实了光的电磁说。光的电磁说。 本课程中，要用本课程中，要用MaxwellMaxwell方程波动力学方程波动力学加以解决加以解决。 光波动的客观性二、什么是电磁场？二、什么是电磁场？对电磁场与微波专业，电磁场理论是一门最重要的基础课程。究竟什么是电磁场？这是我们关心的首要问题。電電陰陽激燿也。从雨从申。 磁磁也为石名，本义:磁石。也指磁性 。場場本义:平坦的空地 。电场是存在于电荷周围能传递电荷与电荷之间相互作用的物理场。磁场磁

7、体周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的。 (电动力学-非接触力) 电磁场电场和磁场的统称。变化着的电场和磁场往往同时并存，并且互相转化，形成电磁波。三、电磁场理论的发展简史三、电磁场理论的发展简史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，也是最早被科学家们关心和研究的物理现象，其中贡献最大的有穆欣布罗克来顿瓶、富兰克林、伏特等科学家。 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。但是这些研究 为电磁学理论的建立奠定了基础。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

8、灵魂；电、磁、光、热是相互联系的。奥斯特是谢林的信徒，他从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。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，并定量建立了若干数学公式。法拉第相信电、磁、光、热是相互联系的。奥斯特1820年发现电流以力作用于磁针后，法拉第敏锐地意识到磁也一定能够对电产生影响。1821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。 麦克斯韦麦克斯韦（James Clerk Maxwell） 历史选择了历史选择了Maxwell，一批年青一批年

9、青的学者总结出电磁运动规律，即的学者总结出电磁运动规律，即Maxwell方程组。同时，提出了方程组。同时，提出了Newton力学所没有的崭新概念力学所没有的崭新概念场场(Field的概念的概念)。 深入研究并探讨了电与磁之间发 生作用的问题，发展了场的概念。在法拉第实验的基础上，总结了宏观电磁现象的规律，引进位移电流的概念，提出了一组描述电磁现象规律的偏微分方程，即麦克斯韦方程组，是经典电磁学的基本方程，并预言了电磁波的存在。电磁理论的集大成者电磁理论的集大成者 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

10、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，成为当代最活跃的学科领域。3 3、电磁场理论的应用和发展、电磁场理论的应用和发展Herz电磁实验中使用过的仪器设备（图中为Herz助手） 1895年，意大利马可尼成功地进行了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。开始了利用电磁波进行信息传输的时代。马可尼以其在无线电报等领域的成就，获得1909年的诺贝尔奖。无线电报无线电报有线电话 18761876年年, , 美国科学美国科学家家贝尔贝尔在美

11、国建国在美国建国100100周年博览会上展周年博览会上展示了他所发明的有线示了他所发明的有线电话。此后电话。此后, ,有线电有线电话便迅速普及开来。话便迅速普及开来。 广播 19061906年，美国年，美国费森登费森登用用5050千赫频率发电机作发射千赫频率发电机作发射 机，用微音器接入天线实机，用微音器接入天线实现调制，使大西洋航船现调制，使大西洋航船 上的报务员听到了他从波上的报务员听到了他从波士顿播出的音乐。士顿播出的音乐。19191919 年，第一个定时播发语言年，第一个定时播发语言和音乐的无线电广播电和音乐的无线电广播电 台在英国建成。次年，在台在英国建成。次年，在美国的匹兹堡城又建