電磁場與電磁波任課教師：陳其科1聯系方式：E_mail：qkchen@電話：61830311總學時:80課時（課堂：68，課程設計：6，實驗：6）教材：《電磁場與電磁波》（第四版）成績構成：平時（10％）＋階段考試（10%）＋期中考試（10％）＋實驗（10％）＋

期末（60％）/

暫定

2一、課程的性質和任務二、電磁場理論的發展

三、電磁場理論的應用四、內容安排五、學習的目的、方法及其要求六、主要參考書3?電磁波作為信息傳輸的載體，成為當今人類社會發布和獲取信息、探測未知世界的重要手段?電磁場（或電磁波）作為能量的一種形式，是當今世界最重要的能量形式之一一、課程的性質和任務?是電磁理論的重要組成部分?電類專業學生必修的技術基礎課?是電氣工程師的必備知識4一、課程的性質和任務近代科學的發展表明，電磁場與電磁波基本理論又是一些交叉學科的生長點和新興邊緣學科發展的基礎，而且對完善科學素養，增強適應能力和創造能力長遠地發揮作用。本課程在“大學物理（電磁學）”的基礎上，進一步研究宏觀電磁現象和電磁過程的基本規律及其分析計算方法。通過本課程的學習，掌握基本的宏觀電磁理論，具備分析和解決基本的電磁場工程問題的能力。5一、課程的性質和任務本課程知識體系地位：承上啟下：大學物理電磁學←本課程→微波技術、高等電磁場邊緣學科：電磁兼容性（ElectromagneticCompatibility—EMC）生物電磁學61．電磁場理論的早期研究

電、磁現象是大自然最重要的現象，也是最早被科學家們關心和研究的物理現象，其中貢獻最大的有賴頓、富蘭克林、伏打等科學家。19世紀以前，電、磁現象一直作為兩個獨立的物理現象，沒有人發現它們之間的相互聯系。但是這些研究（特別是伏打1799年發明了電池）為電磁學理論的建立奠定了基礎。二、電磁場理論的發展72．電磁場理論的建立

18世紀末期，德國哲學家謝林認為，宇宙是有活力的，而不是僵死的。他認為電就是宇宙的活力，是宇宙的靈魂，電、磁、光、熱是相互聯系的。

奧斯特是謝林的信徒，他從1807年開始研究電、磁之間的關系。1820年，他發現電流以力作用于磁針（電流的磁效應）。

安培發現作用力的方向、電流的方向、磁針到通電導線的垂直方向是相互垂直的，并定量建立了若干數學公式（安培力定律）。8

法拉第

在謝林的影響下，相信電、磁、光、熱是相互聯系的。奧斯特1820年發現電流以力作用于磁針后，法拉第敏銳地意識到，電可以對磁產生作用，磁也一定能夠對電產生影響。1821年他開始探索磁生電的實驗。1831年他發現，當磁棒插入導體線圈時，線圈中就會產生電流（法拉第電磁感應定律）。這表明，電與磁之間存在著密切的聯系。

麥克斯韋

深入研究并探討了電與磁之間發生作用的問題，發展了場的概念。在法拉第實驗的基礎上，總結了宏觀電磁現象的規律，引入位移電流的概念。在此基礎上提出了一套偏微分方程來表述電磁現象的基本規律，稱為麥克斯韋方程組，預言了電磁波的存在，麥克斯韋方程組是經典電磁學的基本方程。9

3．電磁場理論的發展

在麥克斯韋方程建立后的一百多年里,隨著科學技術的發展，電磁理論得到了廣泛的應用和發展，尤其近40年來，無線電電子學、計算機和網絡技術的飛速發展，生物電磁學、環境電磁學和電磁兼容等學科的建立，向電磁理論提出了許多新的研究課題，使現代電磁理論得到了迅速的發展。10

三、電磁場理論的工程應用

（1）靜電場的應用靜電放電、靜電感應、靜電屏蔽、電場力（2）恒定電流場的應用

電鍍工藝、電力工程、地質勘探、油井測量、超導技術（3）恒定磁場的應用發電機、電動機、電氣儀表、電磁鐵、示波管、顯像管、磁控管、質譜儀、電子計算機、電子顯微鏡、回旋加速器、磁懸浮列車和磁懸浮軸承11

三、電磁場理論的工程應用

（4）平面波反射與折射定律的應用性能優越的隱形飛行器的設計必須依靠空氣動力學家和電磁學家的共同合作才能完成（5）平面波極化特性的應用圓極化雷達、無線通信中的極化問題、微波器件（6）縮波、透波、和吸波效應的應用縮短效應：電磁波在媒質中的波長比真空中的波長短的現象透波效應：電磁波穿透媒質的能力吸波效應：媒質吸收電磁波的能力12

三、電磁場理論的工程應用

（7）導行波的應用雙導線傳輸系統、同軸線、微帶傳、金屬波導、光纖（8）電磁輻射的應用天線、無線通信系統、無線局域網(藍牙技術)、全球衛星定位系統GPS(GlobalPositioningSystem)軍工、農業、醫療、地質勘探以及天文地理等領域（9）電磁兼容的應用

所謂電磁兼容是指：電子和電氣設備在一定的電磁環境下，能夠正常工作的能力。同時各種電子和電氣設備本身產生的電磁輻射不允許超過一定的限度。這就是所謂電子和電氣設備的抗擾和電磁干擾的性能。13

電磁場最重要的應用方向——信息傳遞媒介。1887年，德國科學家赫茲用火花隙激勵一個環狀天線，用另一個帶隙的環狀天線接收，證實了麥克斯韋關于電磁波存在的預言，這一重要的實驗導致了后來無線電報的發明。從此開始了電磁場理論應用與發展時代，并且發展成為當代最引人注目的學科之一。

三、電磁場理論的工程應用

14無線電報:

1895年，意大利馬可尼成功地進行了2.5km距離的無線電報傳送實驗；1896年，波波夫進行了約250m米距離的類似試驗；1899年,無線電報跨越英吉利海峽的試驗成功；1901年，跨越大西洋的3200km距離的試驗成功。馬可尼以其在無線電報等領域的成就，獲得了1909年的諾貝爾物理學獎。無線電報的發明，開始了利用電磁波時期。有線電話:

1876年，美國A.G.貝爾在美國建國100周年博覽會上展示了他所發明的有線電話。此后，有線電話便迅速普及開來。15

電視:

1884年，德國尼普科夫提出機械掃描電視的設想；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年相繼發明了攝像管和顯像管；1931年，他組裝成世界上第一個全電子電視系統。

廣播:

1906年，美國費森登用50kHz頻率發電機作發射機，用微音器接入天線實現調制，使大西洋航船上的報務員聽到了他從波士頓播出的音樂；1919年，第一個定時播發語言和音樂的無線電廣播電臺在英國建成；次年，在美國的匹茲堡城又建成一座無線電廣播電臺。16雷達:

第二次世界大戰前夕，飛機成為主要進攻武器。英、美、德、法等國競相研制一類能夠早期警戒飛機的裝置。1936年：英國的瓦特設計的警戒雷達最先投入了運行，有效地警戒了來自德國的轟炸機；1938年：美國研制成第一部火炮控制雷達；1940年：多腔磁控管發明成功，微波雷達研制成為可能；1944年：能夠自動跟蹤飛機的雷達研制成功。1945年：能消除背景干擾、顯示運動目標的顯示技術的發明，使雷達更加完善。在整個第二次世界大戰期間，雷達成了電磁場理論最活躍的部分。17衛星通信技術:

1958年，美國發射低軌道“斯科爾”衛星成功，這是第一顆用于通信的試驗衛星。1964年，借助定點同步通信衛星首次實現了美、歐、非三大洲的通信和電視轉播。1965年，第一顆商用定點同步衛星投入運行。1969年，大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定點同步通信衛星。衛星地球站已遍布世界各國，這些衛星地球站又和本國或本地區的通信網接通。衛星通信經歷10年的發展，終趨于成熟。18衛星定位技術:

1957年衛星發射成功后，人們試圖將雷達引入衛星，實現以衛星為基地對地球表面及近地空間目標的定位和導航。1958年底，美國開始研究實施這一計劃，于1964年研究成功子午儀衛星導航系統。1973年美國提出了由24顆衛星組成的實用系統新方案，即GPS計劃。1990年最終的GPS方案是由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成。中國的北斗，歐洲的伽利略計劃都是未來可能出現的衛星定位系統。19矢量分析(7學時)電磁場的基本規律（12學時）靜態電磁場及其邊值問題的解(15學時)時變電磁場(5學時)均勻平面波在無界空間中的傳播（8學時)均勻平面波的反射和透射(11學時）導行電磁波（5學時）電磁輻射（3學時）四、內容安排根據紙質主教材，本教案也分八章：20五、學習的目的、方法及其要求

掌握宏觀電磁場的基本屬性和運動規律掌握宏觀電磁波的傳播規律了解電磁波的輻射原理掌握靜態場問題的基本求解方法訓練分析問題、歸納問題的科學方法培養用數學方法解決實際問題的能力獨立完成作業

21六、主要參考書【1】謝處方，饒克謹.電磁場與電磁波（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：清華大學出版社，2001【4】WilliamH.Hayt,Jr.JohnA.Buck著.工程電磁學（第六版）.徐安士,周樂柱譯.北京：電子工業出版社，2004【5】BhagSinghGuru,HüseyinR.Hiziroglu著.電磁場與電磁波.周克定等譯.北京：機械工業出版社，2002【6】楊儒貴.電磁場與電磁波.北京：高等教育出版社，2003【7】趙家升，楊顯清，王園.電磁場與波典型題解析及自測試題.西安：西北工業大學出版社，2002【8】馮林，楊顯清，王園等編著.電磁場與電磁波.北京：機械工業出版社，2004【9】楊顯清，王園，趙家升.電磁場與電磁波（第4版）教學指導書.北京：高等教育出版社，200622難點分析和處理問題的方法——數學門檻