第0章 电磁场绪论.ppt
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1、电磁场与电磁波(电磁场理论),主讲:杨 延 玲,物理与电子信息学院2013.09.08,绪 论,本课程所选用教材及内容目录 本课程的性质、地位及学习意义 本课程的研究领域、内容及考核方式本课程的发展简史及应用介绍 本课程的主要学习方法及资源,课 程 选 用 教 材 及 内 容 目 录,电磁场与电磁波是普通高等学校电子信息与通信专业本科生必修的的一门重要的专业技术基础课,是学习一系列后续专业课或技术(如通信原理、高频电子电路、数字信号处理、数字图像处理、信号检测,微波技术、光技术、雷达技术、电气技术、电子对抗技术等)的理论基础。是为电子与信息工程、通信工程、电子信息科学与技术、电气工程与自动化、
2、生物医学工程等专业开设的一门必修课,也是其他电类专业的选修课。,课程性质、地位、培养目标及学习意义,课 程 的 性 质、地 位,通过本课程的学习,使学生对课程的研究领域和基本理论知识有一个比较全面系统的认识;了解电磁场技术领域的研究方向和发展动态;牢固掌握电磁场与电磁波相关的基本概念、基本性质、基本原理和基本规律等基础理论知识及主要分析方法;具有利用矢量分析与场论知识处理和分析电磁问题的解题能力和基本技能;对天线理论有一定的了解,为以后现代通信技术等后续课程的学习与应用打下良好的理论基础。另外,通过本课程的教学提高学生的综合素质,培养学生严谨求实的科学态度和刻苦钻研的学习作风,激发学生的求知欲
3、望,培养学生探索精神和创新意识,使之成为初步具有掌握电磁场与电磁波理论基本知识和基本技能的初、中级专业人才。,课程的任务和培养目标,课程要求:掌握矢量分析的基本方法;掌握静电场与静磁场的基本规律;对麦克斯韦(Maxwell)方程组的建立和应用有深刻的认识;掌握从Maxwell方程组出发、利用电磁场边界条件,对各种情况下电磁场进行分析,把握电磁波的传播特性。,课程对学生的具体要求为:熟悉静态场(静电场、恒定电场、恒定磁场)的基本性质,静电场的有散无旋性,电流的连续性,恒定磁场的无散有旋性;了解静态场和位的分布规律。进一步理解法拉第电磁感应定律,位移电流和全电流定律;掌握麦克斯韦方程组的积分形式和
4、微分形式;掌握电磁场的能量关系和边界条件。掌握平面电磁波在理想介质和导电媒质中的传播,和在分界面上的反射和折射的基本规律。了解导行波的分类:TEM波、TE波、TM波,掌握电磁场辐射的基本原理和电偶极子辐射的性质。,专业课程设置的需要,本课程是高等学校电子信息与通信专业本科生必修的重要技术基础课,是学习一系列后续专业课程(如通信原理、数字信号处理等)的理论基础。要求学生通过本课程的学习,能够系统地掌握电磁场与电磁波的基本概念,基本性质,基本规律以及求解电磁场问题的基本方法;培养初步具有掌握电磁场与电磁波理论基本知识和基本技能的初、中级专业人才,能够为进一步深造相关的专业知识和技能打下理论基础。,
5、课 程 的 学 习 意 义,电磁场与电磁波课程于2003年为我校物理系电子信息工程专业学生开设的一门专业基础理论课。从2005年以来,学校投入大量经费进行建设,使该门课程从师资队伍、教材、课件、题库和电子资源等各方面有较大的提高,使该课程的教学质量得到较大提升。开课时间:大学三年级上学期先修课程:高等数学、大学物理和数学物理方程,课程的设置,社会发展的需要 随着电工与电子科学的飞速发展,尤其是电子计算机运行速度和通信传输速率的不断增加,及电力电子设备数量的增多和技术性能的提高,要求电子电气类专业人才必须具备宽广的电磁理论知识。,生活、工作的需要。电磁场理论的应用已经涉及到人类生活的方方面面,从
6、家用电器、工业自动化到地质勘探,从电力、交通、工业、农业到医疗卫生等国民经济领域,以及国防工程与科技前沿,都离不开电磁场与电磁波。,作为理论物理学的一个分支,主要致力于统一场理论和微观量子电动力学的研究;,课程主要研究领域及内容,主 要 研 究 领 域 分 为 两 大 块,作为无线电技术的理论基础,集中于三大类应用问题的研究:,电磁场作为能量的一种形式,其研究领域涉及电磁能量的产生、储存、变换、传输和综合利用;电磁波作为信息传输的载体,主要研究信息的产生、获取、交换、传输、处理和再现等;电磁波作为探测未知世界的一种重要手段,主要研究电磁波与目标的相互作用特性,目标特征的获取与重建,探测新技术等
7、。,本课程主要内容包括电磁场分析与电磁波传播理论两大部分,本科课程主要研究电磁场与电磁波的基本属性,电磁场的描述方法、运动规律,电磁场与物质的相互作用及其应用。其中,电磁场部分是在大学物理电磁学课程的基础上,运用矢量分析的方法,描述静电场和恒定磁场的基本物理概念,在总结基本实验定律的基础上给出宏观电磁场遵从的基本规律,研究静态场的解题方法;电磁波部分主要是介绍有关电磁波在各种介质中的传播规律及天线的基本理论。,主 要 研 究 内 容 分 为 两 大 部 分,电磁场与电磁波的教学内容可划分为四个模块:模块一:数学工具(第一章矢量分析与场论)模块二:静态场理论及应用(第二、三章为场的理论基础,第四
8、章为应用)模块三:时变场理论(第五章 时变场的理论)模块四:电磁波传播理论(第六、七、八章)教学学时为64总学时,周学时4,其中包括实验学时4学时,习题讲解4学时,教学辅导及问题答疑每周一次。,矢量分析和场论主要介绍学习本课程时所利用的数学知识;电磁场部分主要包括静电场分析、恒定磁场分析和时变电磁场三部分。电磁波传播理论主要包括电磁波在无界空间中的传播规律分析、电磁波在波导中的传播规律分析、电磁波在媒质分界面上的物理过程的分析,还包括天线和电磁辐射部分内容。其中,麦克斯韦方程、波动方程、电磁辐射方程是电磁场理论的核心内容。,课程的重点研究内容,电场和磁场,运动电荷或电流产生的场表现为对于磁铁和
9、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。,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。,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。,电磁波,物质属性,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媒质。在没有物质存在的真空环境中,电磁场与电磁波的
10、存在和传播会感到更加“自由”。因此对于电磁场与电磁波来说,真空环境通常被称为“自由空间”。,电磁场与电磁波虽然看不见、摸不着,但却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。,当空间存在媒质时,在电磁场的作用下媒质中会发生极化与磁化现象,结果在媒质中又产生二次电场及磁场,从而改变了媒质中原先的场分布,这就是场与媒质的相互作用现象。为了研究方便起见,我们先介绍真空中的电磁场,然后再讨论媒质中的电磁场。,场与媒质,电荷及电流是产生电磁场惟一的源(至今,人们尚未发现自然界中存在磁荷及磁流。然而,有时引入
11、磁荷及磁流的概念是十分有益的,是为了研究问题的方便,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。课程中我们将要分别详述场与源,以及场与媒质之间的关系,并且均给予严格的数学描述。,场与源,考核是引导学生学习、检查教学效果的重要环节,也是体现课程要求的标志。考核方式由平时考核和期末考试相结合。其中平时考核由课堂讨论、作业、实习组成,占总成绩的10%,课程设计环节成绩占总成绩的10%,实验成绩占总成绩的10%,期末课程考试成绩占总成绩的70%。本课程考核中笔试采用题库随机抽取。题型有填空题、选择题、判断题、简答题、证明题及计算题五种形式。考核内容不超出大纲要求范围。,课程的考核
12、方式,课程发展简史及应用,公元前600年希腊人发现了摩擦后的琥珀能够吸引微小物体,称为带电;公元前300年我国发现了磁石吸铁的现象;后来,人们发现了地球磁场的存在。1785年法国科学家库仑(17361806)通过实验创建了著名的库仑定律。1820年丹麦人奥斯特(17771851)发现了电流产生的磁场。同年法国科学家安培(17751836)计算了两个电流之间的作用力。1831年英国科学家法拉第(17911867)发现电磁感应现象,创建了电磁感应定律,说明时变磁场可以产生时变电场。,1873年英国科学家麦克斯韦(18311879)提出了位移电流的假设,认为时变电场可以产生时变磁场,并以严格数学方程
13、描述了电磁场与波应该遵循的统一规律,这就是著名的麦克斯韦方程。该方程说明了时变电场可以产生时变磁场,同时又表明时变磁场可以产生时变电场,确立了经典电磁理论。在此基础上,麦克斯韦又理论上预言了电磁波的存在,后来在1887年被德国物理学家赫兹(18571894)的实验证实。然后,俄国的波波夫及意大利的马可尼于19世纪末先后发明了用电磁波作为媒体传输信息的技术,从此开始了电磁场理论的应用与发展时代。,随着现代科技的不断发展,电磁波和电磁场的应用也越来越广泛,现代电子技术如通讯、广播、导航、雷达、遥感、测控、电子仪器和测量系统,都离不开电磁场的发射、控制、传播和接收。其中,工业自动化、地质勘测、电力、
14、交通等工农业技术及医疗卫生等国民经济领域,几乎全都涉及到电磁场理论的应用。其应用原理主要分为两类,一类是利用电磁场的变化将其他信号转化为电信号,进而达到转化信息或自动控制的目的;另一类是利用电磁场对电荷或电流的作用,来控制其运动,使其平衡、加速、偏转或转动,以达到预定的目的。,电磁场和电磁波常见的应用主要包括以下几个方面:1、家用方面:电话、电视、空调、电磁炉、微波炉等;2、医用方面:激光治疗、微波治疗、生物电磁场保健、EMF系统等;3、军用方面:红外线观测、雷达、卫星通信、隐形飞机技术等;4、探测方面:电磁波探测石油、微波输能、无损检测和探地雷达等;5、其他方面:静电除尘、喷墨打印机、磁悬浮
15、技术等等。,给人们带来许多麻烦的静电能也能变害为利,它在静电分选、静电除尘、静电分离、静电植绒、静电纺纱、静电喷漆、静电复印等等方面大显身手。,2、静电复印:静电复印机的中心部件是表面镀一层半导体硒、可以旋转的接地铝质圆柱体,叫做硒鼓。半导体硒有特殊的光电性质:没有光照射时是很好的绝缘体,能保持电荷;受到光的照射立即变成导体,将所带的电荷导走。复印要依次经过充电、曝光、显影、转印等几个步骤。充电:由电源使硒鼓表面带正电荷。曝光:利用光学系统将原稿上的字迹的像成在硒鼓上。硒鼓上字迹的像,是没有光照射的地方,保持着正电荷。其他地方受到了光线的照射,正电荷被导走。这样,在硒鼓上留下了字迹的“静电潜像
16、”。显影:带负电的墨粉被带正电的“静电潜像”吸引,并吸附在“静电潜像”上,显出墨粉组成的字迹。转印:带正电的转印电极使输纸机构送来的白纸带正电。带正电的白纸与硒鼓表面墨粉组成的字迹接触,将带负电的墨粉吸到白纸上。此后,吸附了墨粉的纸送入定影区,墨粉在高温下熔化,浸入纸中,形成牢固的字迹。,静电场的应用,1、静电分选:是利用各种塑料不同的静电性能来进行分选的方法。根据两种不同静电性能不同的物料有差异的特点,在静电力、重力、离心力等的合力作用下完成两种不同电性物料的分离。,3、静电除尘:如空气净化器就是用静电吸除空气中的很小的尘埃,使空气净化。利用静电除尘可以消除烟气中的煤粉除尘器由金属管A 和悬
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