电磁学与电磁波.ppt

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1、第二章电磁学与电磁波,2.1电磁学发展简史2.2 静电学与静磁学2.3 电磁感应定律2.4 电磁波应用,第二章 电磁学与电磁波,2.1 电磁学发展简史指南针,战国时司南和地盘复原模型,北宋科学家沈括指南针四种试验复原,北宋初年，曾公亮主编的武经总要（约成书1044年）中介绍了一种“指南鱼”(复原模型),元代磁州窑绘浮针瓷碗,元代指南龟复原(剖面),明代航海水罗盘复原,明嘉靖年间(15221566)航海木帆船沿用“旱罗盘”,富兰克林著名风筝实验 美国的富兰克林的最著名的实验是风筝实验。早在1749年他就注意到雷闪与放电有许多相同之处。1752年他通过在雷雨天气将风筝放入云层，来进行雷击实验，证明

2、了雷闪就是放电现象。,库仑的扭秤实验,1785年，库仑设计了精巧的扭秤实验，直接测定了两个静止点电荷的相互作用力与它们之间的距离二次方成反比，与它们的电量乘积成正比。库仑的实验得到了世界的公认，,物理学家伏打电池。,1799年伏打制造了第一个能产生持续电流的化学电池.,安培演示电流相互作用的装置（复制品）,欧姆发现电路定律,基尔霍夫分支电路定律,法拉第从事电磁现象的实验研究，,楞次给出感应电流方向的描述,电磁场的麦克斯韦方程组,赫兹电磁波实验,2.2 静电学与静磁学,“电”在西方是从希腊文(琥珀)一词转意得来，在中国则是从雷闪现象中引出来的。2.2.1 静电学 静电学是研究静止电荷产生电场及电

3、场对电荷产生作用力的规律。电荷种类：正电和负电。电荷守恒定律：电荷可以从一个物体转移到另一个物体，任何物理过程中电荷的代数和保持不变。库仑定律：同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引,电场与电势,高斯定理：表示静电场的电力线始于正电荷，终于负电荷，亦即静电场是有源场。环量定理：静电场中环量恒等于零表明，静电场中沿任意闭合路径移动电荷，电场所做的功都为零，因此静电场是非旋场，可以引入电位来描述：,电力线与等势面,根据库仑定律和场强叠加原理还可得到静电场基本性质的两个定理：,静电场中的导体一、静电感应与静电平衡 静电感应 在静电场力作用下，导体中电荷重新分布的现象。,导体的静电感应过程,无外电场时,导

4、体的静电感应过程,加上外电场后,导体的静电感应过程,加上外电场后,导体的静电感应过程,加上外电场后,导体的静电感应过程,加上外电场后,导体的静电感应过程,加上外电场后,导体的静电感应过程,加上外电场后,导体的静电感应过程,加上外电场后,导体的静电感应过程,加上外电场后,导体的静电感应过程,加上外电场后,导体的静电感应过程,加上外电场后,导体的静电感应过程,加上外电场后,导体的静电感应过程,加上外电场后,导体达到静电平衡,静电平衡 导体中电荷的宏观定向运动终止，电荷分布不随时间改变。静电平衡条件：用场强来描写：1.导体内部场强处处为零；2.表面场强垂直于导体表面。用电势来描写：1.导体为一等势体

5、；2.导体表面是一个等势面。,金属球放入前电场为一均匀场,金属球放入后电力线发生弯曲 电场为一非均匀场,演示：静电感应,二、静电平衡时导体上的电荷分布 1、实心导体 由于导体内的电场为零，经过导体内任何小体积单元的表面的电场通量恒为零，根据高斯定理指出q=0，因此在导体内各点的净电荷也为零。也即表示在静电平衡下，电荷只分布在导体表面。,结论：电荷分布在导体 表面，导体内部 场强处处为零。,2.空腔导体（1）腔内无带电体：当导体壳内没有其他带电体时，在静电平衡下，导体壳的内表面上处处没有电荷，电荷只能分布在外表面。,空腔内没有电场，或者说，空腔内的电势处处相等。,（2）腔内有带电体：腔体内表面所

6、带的电量和腔内带电体所带的电量等量异号，腔体外表面所带的电量由电荷守恒定律决定。,三、静电屏蔽（演示）在静电平衡状态下，腔内无其他带电体的导体壳和实心导体一样，内部没有电场。只要达到了静电平衡状态，不管导体壳本身带电或是导体处于外界电场中，这一结论总是对的。这样，导体壳的表面就“保护”了它所包围的区域，使之不受导体壳外表面上的电荷或外界电场的影响，这个现象称为静电屏蔽。,静电屏蔽的应用例如：为了使一些精密的电磁测量仪器不受外界电场的干扰，通常在仪器外面加上金属罩。实际上金属外壳不一定要严格封闭，甚至用金属网作成的外罩就能起到相当好的屏蔽作用。有时要使一个带电体不影响外界，这时可以把这带电体放在

7、接地的金属壳或金属网内。,静电屏蔽原理：我们假设带电体带正电。有了金属外壳之后，其内表面出现等量的负电荷。由内部带电体出发的电力线就会全部终止在外壳内表面等量的负电荷上，使电力线不能穿出导体壳。这样就把内部带电体对外界的影响全部隔绝了。,然而，如果外壳不接地，在它的外表面还有等量的感应电荷，它的电场将对外界产生影响。,如果把外壳接地，则由于内部带电体的存在而在外表面产生的感应电荷将流入地下，这样，内部带电体对外界的影响全部消除了。,说得确切一点，应是外壳内表面的负电荷在导体壳外产生了一个电场，它和内部带电体在导体壳外产生的电场处处抵消。,资料片：静电应用,2.2.2 静磁学,静磁学是研究电流稳

8、恒时产生磁场以及磁场对电流作用力的规律。电流：电荷的定向流动形成电流。磁场：电流之间存在磁的相互作用，这种磁相互作用是通过磁场传递的，即电流在其周围的空间产生磁场，磁场对放置其中的电流施以作用力。电流产生的磁场用磁感应强度描述。真空中稳恒电流产生的磁场遵从毕奥萨伐尔定律。,磁场性质磁高斯定理：反映磁力线总是闭合曲线。安培环路定理：表明磁场不是势场，是有旋场。,I,圆电流的磁力线,B,I,通电螺绕环的磁场分布,通电螺线管的模型,I,演示：螺线管磁场,2.3 电磁感应定律,2.3.1 电磁感应定律的建立一、法拉第确立电磁感应定律 奥斯特的发现和日新月异的电流磁效应的研究成果，极大地激励了英国学术界

9、。1821年，英国哲学年鉴主编邀请著名化学家戴维撰写一篇文章，综合评述奥斯特电流磁效应发现以来的电磁学发展概况。戴维将这一工作交给了助手法拉第，法拉第在收集材料过程中，对电磁学研究产生了兴趣和热情。从此，法拉第将研究工作转向了电磁学。图2-3-1法拉第电磁旋转器,1、法拉第发明电磁旋转器,1821年4月，英国大化学家、物理学家沃拉斯顿设计了电磁旋转器，几次实验都遭到了失败。法拉第认为，沃拉斯顿的这种设计是合理的，法拉第设计了一台电磁旋转器。,电磁旋转器是电动机的实验室雏型，它对人类利用电能具有划时代的意义。法拉第关于电磁旋转器实验的文章，被刊登在1821年9月3日英国的科学季刊上。这次成功，充

10、分显示了法拉第无与伦比的实验技能和技巧，是他的科学天才出现的第一次高峰。同时，也强有力地激发了法拉第对电磁学的研究信心和热情。,2、法拉第发现电磁感应现象,英国科学界普遍认为，作用总应伴随着反作用。奥斯特的发现是“电生磁”，促使人们想到了“滋生电”。法拉第就是最早想到“磁生电”的科学家之一。法拉第相信各种“自然力的统一”，追求这种统一，他确信客观事物本身的结构具有对称性。这是法拉第进行科学研究的思想基础。,1831年8月29日，法拉第想用一条通电导线的磁场从另一条导线中激发出感应电流来。实验中，为了增强磁场和感应电流，他将两条直导线绕在铁环上，形成两个共芯螺线管。,1831年9月24日，法拉第

11、用两根各5英尺长的铜线将线圈与电流计连接，并把软铁棒插入线圈中。取两条24英寸长的磁铁，使它们按异性磁极并在一起。然后，把一端分开如马蹄形磁铁，让带线圈的软铁棒夹在其间。”,3、电磁感应定律的确立,亨利在电磁铁研究中想到了既然“电能生磁”，难道磁就不能生电吗？,亨利发现电磁感应,1830年，亨利在一根条形软铁芯上绕了一个铜线圈，用细铜丝将线圈的两端与40英尺远的电流计相连接然后将这个带线圈的软铁棒放在电磁铁的两极问。实验结果，发表在1832年7月的美国科学杂志上，比法拉第论文发表晚了近一年。,法拉第在1831年11月24日向英国皇家学会报告了电学的实验研究的结果。他将产生电磁感应的条件概括为：

12、变化的电流；变化的磁场；运动的稳恒电流；运动的磁铁；在磁场中运动的导体。并将“磁生电”的现象定名为“电磁感应”。法拉第又进一步作了综合分析，找到了产生电磁感应的基本条件二次电路(B线圈)中磁力线数量变化。这样就确立了电磁感应定律：导体线圈中的磁力线数量发生变化将在线圈中激起感应电流。影视资料片：电磁跳圈，阻尼摆，电磁感应,法拉第一生致力于科学研究事业，不图虚荣，甚至不接受为他增加的薪水。他成名之后，世界各国赠给他的学位、学衔和其他荣誉达94种之多，他从来不向任何人展示和炫耀。法拉第一生中一直过着清贫而简朴的生活，为后人留下了巨大的知识财富，他的代表作是电学的实验研究。他还是一位了不起的科普作家

13、，曾写过蜡烛的化学史等书，被译成多种文字，流传很广。法拉第是当时世界上许多科学学会的会员，是当时物理学家公认的领袖，是自伽利略以来，从来没有见过的头脑中涌现出那么多奇妙思想和发现的科学巨人，是自学成材的典范，是人类走向电气时代的开路先锋。1867年8月25日，他坐在椅子上安详地去世。,二、电磁感应定律开辟了电气时代的新纪元,电磁感应定律使人类找到了机械能与电能之间的转换方法，开创了电气化时代的新纪元。19世纪40年代，西欧先进的资本主义国家先后进入了电气化时代的早期阶段。电磁学的飞速发展，引发了第二次世界性技术革命浪潮，以电机为动力的电气化工业体系和各种电气工业生产部门，如电解、电镀、电热、电

14、焊、电冶、电力生产和输送等方面的工厂、企业如雨后春笋般地建立起来，电报、电话等信息技术也被广泛地利用起来。电磁理论和电气技术的进步，把工业生产推向了历史的新高峰。英国在1840年，由电气技术造成的劳动生产率是1770年蒸汽技术造成的劳动生产率的27倍，是手工劳动的108倍。70年中，劳动生产率平均每年提高11.28。,1993年，全世界发电总量达到12.26万亿千瓦时。最大的水电站是巴西和巴拉圭的伊泰普水电站，装机容量为1260万干瓦。我国长江三峡电站建成后，装机容量为1850万千瓦，那时它将成为世界电站之冠。世界上最大的火电站是俄罗斯的苏尔古特第二电厂，装机容量为480万千瓦；最大的核电站是

15、加拿大的布鲁斯电站，装机容量为728万千瓦。世界上电力生产正在稳步增长，电力技术的发展正在向着高效率、注重环保的更高目标迈进。展望21世纪，新的时代将更加光明，更加美好，更加丰富多彩。,2.3.2 电磁场理论,麦克斯韦方程组描述了电磁场普遍遵从的规律。它同物质的介质方程、洛伦兹力公式以及电荷守恒定律结合起来，原则上可以解决各种宏观电动力学问题。根据麦克斯韦方程组导出的一个重要结果是存在电磁波，电磁波在真空中传播的速度为 c。其数值与光在真空中传播的速度相同，说明光是电磁波。,2.3.3 近距作用与超距作用之争,关于作用力是否需要中间媒介物质的传递，对此问题的不同观点就形成了近距作用和超距作用的

16、争论。1、围绕万有引力的争论争论的问题主要是：万有引力是否存在?万有引力传递的机制究竟是什么？超距作用观点：以牛顿为一方，近距作用观点：以法国科学家莱布尼兹、笛卡儿和荷兰物理学家惠更斯为方，在整个18世纪和19世纪的前半个世纪，超距作用观点占据着统治地位。,2、电磁相互作用争论超距作用的观点：法国的库仑、安培等近距作用的观点：英国法拉第，麦克斯韦 1887年，德国物理学家赫兹通过实验确认了电磁波的存在说明电磁作用是以光速传播的，而不是瞬时的超距作用。至此，超距作用观点在电磁学中被大多数物理学家所抛弃了。20世纪初期，爱国斯坦在狭义相对论中指出，真空中的光速是一切物理作用传播速度的极限。这就在整

17、个物理学领域排除了超距作用的可能性。,1916年，爱因斯坦进一步提出了广义相对论，认为万有引力也是以光速传播的，这就是引力波。由于引力波太微弱了，所以对它的观测检验异常的困难。尽管爱因斯坦在20世纪初期就预言了引力波的存在，直到1978年底，天体物理学家才取得了第一个定量的观测证据。美国天文学家泰勒等人，用一架直径300米的射电望远镜对双致密星体系PSRl913+16进行了长达4年的观测，确认了它由于引力辐射阻尼而使公转周期稳定地变短。这个发现，对引力波的存在提供了一个有力的支持。,2.3.4 法拉第的科学思想方法,一、确信各种运动形式的相互联系和相互转化 法拉第对自然力(或能)的统性具有坚定

18、的信念，他始终不渝地为证实各种现象之间的普遍联系而努力。法拉第还考虑过“在引力和电力之间可能的联系”。1859年，他已是68岁的老人，还步履蹒跚地爬到泰晤士河畔滑铁卢大桥附近的高塔上去做实验，观察是否会因重力的变化而产生电荷的变化，结果失败了。他在日记上写道：“现在我的实验就到此为止，结果是否定的。但它们并没有动摇我坚强的信念，即重力和电力之间定是有关系的。”今天看来，他把问题想得太简单直观了，但他坚信自然力的统一的思想，仍然是非常可贵的。,二、力线和场的概念,法拉第否定超距作用，主张物质之间的电磁力是需要由媒质传递的近距作用力的观点。然而，电磁作用究竟怎样借介质接触而传递呢?为了回答这一问题

19、，他引入了力线和场的概念。法拉第关于力线和场的概念对于电磁学的发展以及整个物理学的发展都是很有影响的。汤姆逊评论说：“在法拉第的许多伟大的贡献之中，最伟大的一个就是力线概念了，我想电场和磁场的许多性质借助它就可以简明而富有启发性地表示出来。”,爱因斯坦曾高度评价法拉第的工作，认为法拉第在电学中的地位，相当于伽利略在力学中的地位。爱因斯坦尤其称赞了法拉第所建立的“场”的新概念：“这样就奠定了同牛顿的物理学原则上不同的物理学的基础，同时在逻辑的一贯性上明显地超过牛顿的物理学。因此，相对论不过是场论的下一个发展阶段。”著名科学史家丹皮尔也指出：“法拉第奠定了实用电学的三大部门，即电化学、电磁感应与电

20、磁波的基础。而且他坚持主张电磁场具有极大重要性，这也是现代物理学理论有关电的方面的历史起点。”美国物理学家库瑞这样说过：“可以这样来评述法拉第：当他考察自然现象时，他的头脑始终是警惕的，任何现象只要在他的实验室里出现一次，他就能把它记住，哪怕这些现象是偶然出现的。”,法拉第不仅在物理学上做出了许多重大的贡献，他的道德品质也是十分高尚的，在如何对待金钱、名誉和地位上，他为后人做出了光辉的榜样。他的学生和朋友丁铎尔在作为一个发现者的法拉第书中写道：“这位铁匠的儿子，订书商的学徒，他的一生一方面可以得到十五万镑的财富，一方面是完全没有报酬的学问，要在这两者之间作出选择，结果他选择了后者，终生过着穷困

21、的日子。然而这却使英国的科学声誉比各国都高，获得接近四十年的光荣。”1851年，法拉第被一致选举为英国皇家学会会长，但他坚决辞掉了这个职务，并说：“我希望我直保持只有一个称号，这就是法拉第。”,2.3.5 麦克斯韦的科学思想方法,一、用类比方法揭示物理现象的内在联系二、用精确的数学语言建立电磁场理论 简明精确的数学语言是表述科学概念、科学理论的重要形式，是科学发展的要求，也是科学成熟的标志之一。正如马克思所说：“科学只有成功运用数学时，才算达到了完善的地步。”随着科学技术的进步，现代科学的发展已日趋定量化，只有定量化的数学描述才能经得起在量上的实验检验，也才能从量的细微差别上寻找理论的不足之处

22、和改进办法。,麦克斯韦与法拉第是近代电磁学史上的两颗巨星，他们都在电磁学领域取得了极大的成功。虽然他们两人的科学方法与科学风格迥然不同，然而麦克斯韦并不因此贬低法拉第的风格。他曾说：“因为人们的心灵各有不同的类型。科学的真理也应当以种种不同的形式来表现。不管他以粗豪的物理方式说明其生动的颜色也好。还是以种朴素无味的符号表现也好，都应当被当作是同样科学的。”麦克斯韦终身都保持着谦逊谨慎的高尚品格。他曾认为，他自己与法拉第相比，只不过是只笔，写出了法拉第那些杰出的科学思想。爱因斯坦曾把他们两人称作科学上的伴侣，就像当年天文学上的第谷和开普勒样。,爱因斯坦还深刻地阐述了麦克斯韦对物理实在观念发展的影

23、响。他说：“相信有一个离开知觉主体而独立的外在世界，是一切自然科学的基础。”爱因斯坦指出：在牛顿的观点中，质点是我们表示实在的唯形式，是实在的唯代表。这种观点本质上是原子论的和机械论的。一切事件都要用机械的方式来解释。然而，在法拉第和麦克斯韦的观点中，物理实在是由连续的场来表示的。不能对它作机械论的解释。实在概念这一变革，是物理学自牛顿以来的一次最深刻和最富有成效的变革。爱因斯坦评述道：“自从牛顿奠定理论物理学的基础以来。物理学的公理基础换句话说，就是我们关于实在的结构的概念的最伟大的变革，是由法拉第和麦克斯韦在电磁现象方面的工作而引起的。”,2.4 电磁波应用,2.4.1 电报的发明与现代通

24、信一、电报的发明1、历史的足音（1）早期的信息传递 早期的信息传递手段也是比较简单的，主要是用人体本身或人体与工具的简单结合，如徒步、骑马、乘车船、举烽火、发弓箭等。马拉松长跑就是古代人运用人体本身来传递信息的典型事例。马拉松赛程为42.195公里。,（2）电报发明的前奏,理论基础的奠定1820年，丹麦物理学家奥斯特在做电流实验中第一次把电和磁联系起来，发现了电流的磁效应；同年法国物理学家安培提出了“应用电磁效应传递信息”的设想；1831年法拉第发现电磁感应定律标志着电磁学的创立。运用电和磁来传递信息孕育了电报发明的生长点。电报发明的先驱者们为实现这个伟大的目标，进行了大量艰苦的实践探索。,电

25、通信的实验操作。,1736年苏格兰戈登用轻质荷电排斥力的电信号装置。1753年，摩尔逊设计了静电电报；1790年，法国的佳普发明了一种视力信号机；1804年，西班牙沙尔伐研制出第一部电化学电报机。1809年，德国赛梅林、英国戴维等研制化学电报机；1822年，斯契林开始研制单针电报机，俄国科学家许林格设计了一种编码式电报机；1831年，奥尔巴尼的亨利用电磁吸引原理来接收远距离信号。1833年，德国科学家高斯和韦伯研制出能在实验室使用的电磁式电报机。1836年，英国发明家库克与物理学家惠斯通合作试制成可实际使用的五针式电报机。,2、有线电报的问世,（1）莫尔斯电报机 莫尔斯由一名美国出色画家成为闻

26、名于世的电报发明家，1826-1842年，他担任美国画家协会主席。,莫尔斯电码,1837年，莫尔斯的电报机研制成功了，这是世界上第一台正式以“电报机”命名的装置，至今，人们把这个装置称作“莫尔斯电报机”。,技术的进步如同历史的车轮一样是不可阻挡的，凡是为人类造福的技术发明必将受到历史的尊重和社会的承认。电报的议案终于被重新讨论通过了。在莫尔斯领导下，世界上第一条实用的电报线路在华盛顿到巴尔的摩之间开通了。1844年5月24日，这是人类通信史上非同寻常的一天，伟大的历史时刻来临了，莫尔斯在国会大厦联邦最高法院会议厅里，向应邀前来的科学家、政府人士介绍了实验原理，并向等候在64公里之外的盖尔发出了

27、历史上第一份长途有线电报。电文是：“上帝创造了何等的奇迹!”从此，莫尔斯电报机风靡全球，电报从实验研究最终成为一种实用的通信工具；人类通信史上又翻开了新的一页。,（2）海底电缆的铺设,1850年最早的海底电缆在英法之间的多威尔海峡铺设成功；1854年年轻的物理学家威廉汤姆逊经过一年的深入研究，解决了信号传递衰减的重大理论问题，成为长距离海底电缆铺设工程的奠基人；1856年大西洋海底电缆公司成立，汤姆逊作为该公司苏格兰股东的董事参加了第一条大西洋海底电缆的铺设；1857年沟通欧美大陆的第一条海底电缆终于制成了；1866年4月汤姆逊仍身肩重任，主持沉放工作，永久性的大西洋海底电缆终于铺设成功了！全

28、部海底电缆铺设工程经历了四次，整整进行了十年，真可谓：步步看来都是血，十年辛苦不寻常!,3、无线电报的诞生,赫兹发现电磁波后不到十年，意大利工程师、青年物理学家马可尼、俄国科学家波波夫就实现了无线电通讯，开创了人类通信事业的新纪元。无线电技术是谁发明的？是马可尼还是波波夫？无线电技术发明史上有一桩公案。,1895年5月7日波波夫制成了一架无线电接收机雷电指示器，,波波夫,1896年3月24日又实现了距离约为250米的无线电通信，成功地传送了世界上第一封有实际内容的无线电报，标志着无线电技术的诞生。,1894年，意大利青年马可尼也开始利用电磁波的传送来实现无线电通信的研究。,马可尼,1897年冬

29、，马可尼成功地将无线电传送用于商业后还进行了体育实况报导。1898年他又把通信距离增大到100多千米，而那时波波夫的无线电传送距离只有40千米。1905年5月4日在美国把无线电发明权判给马可尼，马可尼荣获1909年诺贝尔物理奖。快一个多世纪过去了，在人们心目中，一般认为波波夫是无线电技术的最早发明人，而马可尼是无线电实用电报技术的发明人，他们都是“无线电之父”。资料片：无线电发明,二、现代通信,1926年，实现了横跨大西洋的无线电话通信。同时有线载波通信也得到很大发展。第二次世界大战后，随着电视的普及，微波通信迅速发展。50年代，已建成以微波接力通信为主体的通信网，建起了超视距散射通信系统。6

30、0年代，数字通信开始建设，用全数字网代替模拟网成为世界上通信的普遍发展趋势。1965年，美国发射了第一颗实用静止通信卫星。卫星通信适用于数字通信和多址通信，后又出现了供传输话音、数据和图像的全数字化的国内卫星通信系统，它把众多的小型地球终端组成一个综合业务数字网。70年代,一种新型通信技术,即光纤通信飞速发展起来。,2.4.2 广播与电视,一、广播通常将声音广播简称为广播。无线广播有调幅和调频两种调制方式广播：调幅广播：一般用于中频和高频广播。带宽约为 910千赫，最高频率约为4.55千赫，保真度较差。干扰严重，所以难于得到高质量的接收。1920年调幅广播是在无线电报的基础上于在美国首次实现的

31、。调频广播：工作在甚高频频段。带宽约为200千赫，最高频率可达15千赫,因而保真度高。另外，调频广播的信噪比高，抗干扰能力强。1941年开始有调频广播，并在1961年确定了与单声道广播兼容的立体声广播制式。,二、电视,1884年德国科学家尼普科夫发明螺盘旋转扫描器，1925年美国詹金斯和1926年英国贝尔德相继实现影像粗糙的机械扫描电视系统；1932年改进了美国兹沃雷金1923年发明的光电摄像管。范思沃恩于1930年发明的电子扫描系统和RCA公司电子束显像管的改进，使电视进入了现代阶段。1937年在英国，1939年在美国开始了黑白电视广播。1958年中国开始黑白电视广播。,兹沃雷金,彩色电视,

32、1929年美国的伊夫斯首先完成彩色电视的实验；1945年美国无线电公司制成了世界上第一台全电子管彩色电视机；1953年美国采用了NTSC兼容制彩色电视制式，1954年正式广播。1963年联邦德国确定了兼容的PAL彩色电视制式、1966年法国确定了SECAM彩色电视制式，1972年我国的彩色电视开始广播，采用PAL-DK制式。1975年开始生产彩色电视机。资料片：电视发明、数字高清晰度电视,2.4.3 微波应用,微波是波长约从1米1毫米的电磁波一、微波能应用 微波作为能源始于50年代后期，至60年代末，其应用随微波灶的商品化而得到发展。微波能应用主要是微波加热，其机理是基于微波与物质分子相互作用

33、并被吸收而产生的热效应。特点：里外同时加热，热效率高，选择性。国际上规定的微波加热专用频率是91525兆赫、245050兆赫、580075兆赫和22125125兆赫，常用的是 915兆赫和2450兆赫。,二、微波医学应用,微波无接触诊断：生物体的组织是一种有耗的电介质，皮肤、脂肪、肌肉、骨、血液、脑、眼以及其他各器官的电介特性各不相同。当微波在生物体中传播时，遇到不同组织的分界面或者通过不同的组织，会产生不同程度的衰减、相移、偏振、色散等。测定这些变化，就可作为无接触诊断的依据。例如，用微波诊断肺气肿和肺水肿；用微波照射胸部，通过测量反射得到相应的心动记录图等。微波断层扫描成像的诊断技术：由于

34、生物体各种组织的电特性在微波频率下差异较大，利用不同组织对微波的散射、衍射等现象，就出现了微波断层扫描成像的诊断技术。,在微波治疗方面：除利用微波透热作用治疗风湿病、关节炎、肌肉痉挛引起的疼痛外，还可利用微波透热作用杀死癌细胞，或辅助放射治疗、化学治疗来治疗癌肿。微波解冻：微波加热来解冻冷藏的血液，以供急用。通常可在1分钟内使500亳升46 oC的血液的温升达到35 oC。微波透热：做心脏手术时，为了减少病人新陈代谢的消耗，需要降低病人的体温。手术完成后，为了供给全身的新陈代谢消耗，则要先从体内深处快速升高体温，也可利用微波透热作用。微波解毒，在微波作用下，有机物的大分子产生介电饱和，从而引起

35、氢键的破裂和其他次要分子间键的破裂。这就改变了有毒物质的结构，使其失去毒性。,三、微波生物效应,生物体受到微波照射后，在生物化学、生物物理、组织形态、生理功能、行为等方面发生变化的现象。微波热效应是微波场使生物组织中的盐离子、极性蛋白质分子、极性水分子加速和振动而引起，使受照射生物组织把所吸收的微波能转变为热能，因而使生物组织的温度升高。微波的非热效应是无明显温升或与温升无关的一种效应。微波生物效应：有益效应、有害效应。这两类效应都可以由微波热效应或微波的非热效应引起。,微波医学应用就是一种有益的微波生物效应，它包括微波诊断、微波治疗、微波解冻、微波解毒和微波杀菌等。有害的微波生物效应：引起眼

36、晶状体混浊的视觉效应；抑制精子产生的微波生殖腺效应；影响受精胚胎，使胎儿畸形和发育缓慢的微波染色体效应和可能的微波遗传效应；引起失眠或嗜睡、头痛、头晕、疲乏的中枢神经效应；引起血液动力学失调、心律加快或变慢、心脏房室传导阻滞、心肌病变的微波心血管效应；影响铁的代谢及血红蛋白合成和白血球减少的微波造血系统效应 影响内分泌及其他生理功能的微波效应等。,生物体具有适应环境变化的能力，并具有补偿外界环境施加于它的影响的能力。因此，若所引起的微波生物效应是在生物体的生理补偿范围以内的，则微波生物效应不一定意味着是一次伤害，停止受到微波照射一段时间后，已出现的现象会自行消失。由于微波对人体有伤害作用，对从

37、事微波技术工作的人和接受微波治疗的病人的病灶以外的部位都应采取一定的防护措施，可用铜丝网或铁丝网（网孔的大小依微波的频率而定，频率高的网孔小，而频率低的网孔大）来屏蔽，或穿戴特制的沉积有铜或银的微波防护服、防护帽和防护眼镜。,2.4.4 遥感技术,遥感技术是从空间远距离检测地球表面物体所辐射或反射的电磁波强度及其在空间和时间上的分布，以获取大气、陆地或海洋环境信息的技术。地物波谱和遥感器 大气对不同波长的电磁波有不同的透射特性，只有若干波段范围可供遥感应用。这些波段称为大气窗口。遥感技术中常用的波段有紫外、可见光、近红外、热红外以及毫米和厘米波的微波波段。,大气窗口和遥感技术中常用的电磁波波段

38、,在紫外、可见光和近红外波段，常用的遥感器有空中摄影测量用照相机、多光谱照相机、电视摄像机、电荷耦合器件扫描仪和多光谱扫描仪等。在红外波段，通常采用红外辐射计和多光谱扫描仪。在微波波段，通常采用微波辐射计、微波散射计、微波扫描辐射计、微波高度计、真实孔径和合成孔径侧视雷达等。,彩红外摄影机、多光谱照相机、多光谱扫描仪、侧视雷达和微波辐射计是用得较多的遥感器。彩红外摄影是利用底片对不同波段，特别是近红外波段的感光特性来获取地物信息的。多光谱图像能反映地物在不同电磁波波段的反射强度，可根据地物的波谱特性识别出各种地物类别。,例如，利用多光谱图像并根据地物波谱特性区分地物示意图中 1、2和3波段的光

39、谱图像可以区分植被、土壤和水体。,利用多光谱图像并根据地物波谱特性区分地物示意图,陆地卫星”多光谱扫描仪使用的 4个波段以及对地物类别的区分,微波辐射计是最早使用的微波遥感器。它能获取各种地物在微波波段自身的热辐射能量。侧视雷达是另一种重要的遥感器，它从空中侧向发射电磁波束并接收从地面反射回来的电磁波。地物因介电常数、湿度和粗糙度等不同，反射的电磁波的强度也不同，因而能形成雷达图像上的灰阶。在干燥地区，它能穿透一定深度的地表反映浅层地下构造。合成孔径雷达能提高遥感器的方位（角）分辨力，可以用较短的天线获得较高分辨率的图像，而且分辨率高低与飞行高度无关，因而在航空和航天遥感中都得到广泛的应用。发

40、射和接收不同极化方向的雷达波并使用不同的波段，可以得到多种雷达图像，这有利于目视解译和计算机分类识别。资料片：雷达发明,2.4.5 无线电导航,一、无线电导航1、发展简况 2030年代，无线电测向是航海和航空仅有的一种导航手段，而且一直沿用至今。第二次世界大战期间，出现了双曲线导航系统，主要有奇(GEE)导航系统、罗兰导航系统和台卡导航系统等。雷达也开始在舰船和飞机上用作导航手段，如雷达信标、敌我识别器和询问应答式测距系统等。远程测向系统桑纳(SON-NE)，后称康索尔(consol)，也是在这一时期出现的。飞机着陆也开始使用雷达手段和仪表着陆系统。,40年代后期，伏尔导航系统研制成功。50年

41、代出现塔康导航系统、地美依导航系统、多普勒导航雷达和罗兰 C导航系统等。60年代，出现了“子午仪”卫星导航系统；超远程奥米加导航系统开始研制。70年代，微波着陆系统研制成功；同步测距全球定位系统开始研究。80年代初期建成奥米加地面系统。80年代后期同步测距全球定位系统进展顺利，已于建成并使用。,2、水上导航 沿海岸航行、驶向港口和离岸 300海里范围内的导航可使用台卡、罗兰、子午仪、雷达、差转奥米加等导航系统。海洋导航或超远程导航，可用远程罗兰C系统、超远程奥米加系统或“子午仪”系统。3、空中导航 国内飞行，航道用伏尔、地美依、伏尔塔克和塔康等系统，保持一定的航路宽度。国际飞行在途中使用惯性导

42、航设备、多普勒导航雷达或奥米加系统。,军用航空要求有任意飞行的灵活性，惯性导航和多普勒导航设备能适应这种要求，但在有条件的地区也可使用罗兰C、塔康等设备。军用航空还使用专用雷达导航，如地形跟随雷达和侧视雷达等。着陆系统民航多年来一直使用仪表着陆系统；微波着陆系统将取代仪表着陆系统的趋势军用飞机兼用雷达引导着陆和仪表着陆。机上装备数字计算机后可把多种导航系统组合，然后把输出送往飞行控制系统，执行自动飞行任务。,二、同步测距全球定位系统,一种正在趋于成熟的先进军用卫星导航定位系统，简称全球定位系统(GPS)。60年代“子午仪”卫星导航系统研制成功以后，美国继续研究更先进的军用卫星导航系统。1973

43、年开始研究全球定位系统，工程研究试制阶段接近结束，80年代后期开始部署使用，用以满足军事上的需要。原计划在3个轨道平面上共部署 24颗卫星，在最佳状态下可达到10米左右三维准确度（全球范围）。后来改为在6个轨道平面上共部署18颗卫星，定位能力有所降低。,“子午仪”卫星导航系统,2.4.6 电子对抗,电子对抗是为削弱、破坏敌方电子设备的使用效能和保障己方电子设备正常发挥效能而采用的综合技术措施，其实质是斗争双方利用电磁波的作用来争夺对电磁频谱的有效使用权。电子对抗分类：通信对抗、导航对抗、雷达对抗、制导对抗、光电对抗、敌我识别对抗、无线电引信对抗、遥控遥测对抗和C3I对抗等。随着电子技术应用的扩

44、展，新的对抗领域还会出现。电子对抗有时也称电磁对抗。,一、发展过程,初始阶段 电子对抗首先萌发于对通信的干扰。20世纪初，随着火花通信的应用就有了对军事通信的窃听和干扰。第一次世界大战期间，随着选频通信的出现,发展了相应的通信对抗。形成阶段 第二次世界大战期间和战后的50年代，通信、导航和雷达技术已相继成熟。电子对抗技术也获得了相应的发展。在雷达对抗方面，广泛使用了箔条和角反射器等无源干扰，以及噪声有源压制性干扰。50年代后期，由于功率行波管的出现，实现了欺骗性干扰。,在通信对抗方面，研究了对调频电话、移频电报和单边带通信进行干扰的最佳干扰样式，出现了专门用于通信对抗的设备。,超短波通信干扰机

45、,雷达欺骗式干扰吊舱剖面结构,全面发展阶段,60年代以来，通信、雷达和光电技术获得了飞跃的发展。火控系统、制导系统等大量应用并成为主要攻击手段，因而对角度、速度和距离跟踪系统的欺骗干扰技术也得到了相应发展。同时，出现了以噪声调频干扰为主的多种形式的压制性干扰。由于红外制导导弹、光电控制武器的应用，电子对抗向光电领域扩展。在此时期，开始将计算机用于电子对抗设备，改进了专用的电子对抗飞机，制成了投掷式干扰、反辐射武器和侦察站等多种电子对抗设备。各种电子设备也都改进了反干扰措施，研制了快速跳频通信、频率捷变雷达等反干扰能力强的电子设备。,舰载雷达对抗天线系统图,机身下的雷达压制式干扰吊舱,1.前方侦

46、察测向天线 2.接收、发射机 3.侦察全向天线 4.电源 5.辅助单元6.处理机 7.瞬时测频接收机 8.干扰发射天线 9.后方侦察测向天线 10.跟踪天线,电子对抗直升飞机,70年代以来，进入发展电子对抗系统的阶段。单一的电子对抗设备无法在任何情况下都能奏效，需要完备的电子对抗系统。随着数字技术、计算机科学、超大规模集成电路、宽带微波技术等的进步，电子对抗正向着数字化、自适应和多功能系统方向发展。自适应电子对抗系统将电子侦察和多种电子干扰设备在计算机控制下综合成一体，以求达到实时优化的能力。它可对复杂信号环境中的每一威胁信号自动搜索和实时处理，实现识别、告警和定位，并按威胁等级实时控制干扰系

47、统自动适应信号环境。使干扰种类和发射方向、频率、时间、功率和调制样式等参数与被干扰信号相匹配，以求干扰效果最佳。它能以一个干扰系统按威胁等级的顺序合理地分配干扰资源以压制多个威胁，对制导、火控、通信等系统同时实施干扰，并具有鉴定于扰效果的能力。,地对空电子对抗系统，用于侦察、干扰机载雷达和导弹末级制导雷达,三、主要内容,电子对抗主要包括电子侦察、电子干扰和电子防御。1、电子侦察是截获对方的电磁信号并进行分析、识别、定位和记录，以掌握辐射源的技术参数、威胁程度和部署情况的电子技术。电子侦察：电子情报侦察和电子支援侦察。电子情报侦察主要是预先进行的，有长远目的，要求准确、完整,以供上级决策,以及为

48、有针对性地使用和发展电子对抗技术提供依据；电子支援侦察主要是在战区实时侦察特定的威胁信号,要求反应速度快、识别可信度高,以便为引导干扰系统、引导摧毁武器和进行威胁告警、回避等提供支援1,2、电子干扰是依据侦察到的信息采取一定的信号形式和技术，通过电磁波的作用来阻碍敌方有效地使用电磁频谱的电子技术。电子干扰：有源干扰和无源干扰。有源干扰是向工作着的敌方电子系统的接收设备发射具有一定能量和一定频谱的噪声信号或各种假信号；无源干扰是在敌电子系统的发射与接收设备之间的电磁波传播路径上设置能扰乱电磁波正常传播、改变目标对电磁波的正常反射或形成假目标信息的各种干扰物。压制性干扰：干扰来降低敌方接收设备的信

49、噪比，使之难于检测有用信号或增加测量控制误差。欺骗性干扰：用各种假信息来诱骗敌方作出错误判断。,3、电子防御是为削弱敌方的电子侦察、电子干扰以保障已方对电磁频谱的有效使用而在通信、雷达等电子系统中采用的电子技术措施。它包含电子反侦察、电子反干扰两个方面。通常采取的技术措施是：在频率域采用新频段、扩展信号频谱、频率捷变；在空间域采用窄波束、波束零点自适应对向干扰源、极化捷变；在时间域采用快速发射电磁信号和管制电磁辐射；在功率上增大有效辐射功率，以提高接收机的信噪比；采用编码技术使敌方虽收到信号但得不到有用信息；采用新体制的电子系统、反干扰电路等。,C3I系统全称为指挥、控制、通信与情报系统。它是由各种设施、器材、通信和人员构成的组织体，是高度自动化的计划、指挥和控制系统，在技术上依赖于先进的计算机和通信的结合。C3I对抗：采用电子对抗与数据传输相结合而形成电子对抗网，对敌方C3I系统进行削弱、瓦解的技术。平时，主要是对己方电磁辐射进行管制、伪装，以欺骗敌方C3I系统的侦察和监视；战时，主要是干扰其通信联络，使其自动化指挥中断，对敌方C3I系统的数据传输网大量输入虚假信号，以使计算机输出无用的结果或使之饱和而失去处理数据的时机。资料片：未来战争、数码战争,