电磁场与电磁波绪论和第1章.

1ElectromagneticFieldsandElectromagneticWaves电磁场与电磁波崔光亮凝聚态物理研究所[e-mail]2一、课程的性质和任务“电磁场与电磁波”是高等学校电子信息类及电气信息类专业本科生必修的一门专业基础课，课程涵盖的内容是合格的电子、电气信息类专业本科学生所应具备的知识结构的重要组成部分。本课程将在“大学物理（电磁学）”的基础上，进一步研究宏观电磁现象和电磁过程的基本规律及其分析计算方法。通过课程的学习，掌握基本的宏观电磁理论，具备分析和解决基本的电磁场工程问题的能力。先修课程：大学物理、高等数学、数学物理方法3二、课程的专业地位1、电子信息类专业的一门专业基础必修课2、电子学的理论基础：建立“路”“场”关系3、“电磁波”----无线信号传输的理论基础三、课程的研究对象1、电磁场基本理论与分析方法2、电磁波及其传播特性3、导波系统与天线理论基础4四、电磁场理论发展历史最初，人们只能定性观察电现象、磁现象电磁场理论发展中的重大事件：1785：库仑定律（电荷相互作用力规律）1820：电流磁效应（奥斯特）安培力定律（安培）1831：电磁感应（法拉第）1864：位移电流假说，麦克斯韦方程组(麦克斯韦)1888：试验证明电磁波存在（赫兹）1895年，意大利的马可尼发明了第一台电报机，实现了用电磁波作为媒体传输信息的技术。5五、电磁场、电磁波与工程应用当今世界，电子信息系统，不论是通信、雷达、广播电视，还是导航、遥感探测，都是通过电磁波传递信息来进行工作的。因此以宏观电磁理论为基础，电磁信息的传输和转换为核心的电磁场与电磁波工程技术将充分发挥其重要作用。下面以无线通信系统为例来说明。6发射机末级回路产生的高频振荡电流经过馈线送到发射天线，通过发射天线将其转换成电磁波辐射出去；到了接收端，电磁波在接收天线上感生高频振荡电流，再经馈线将高频振荡电流送到接收机输入回路，这就完成了信息的传递。在这个过程中，经历了电磁波的传输、发射、传播、接收等过程。接收机接收天线馈线下行波发射机发射天线馈线导行波传输——导行电磁波（导波理论）发射和接收——天线（天线理论）传播——入射、反射、透射、绕射（电波传播）7中、短波发射天线微波接力天线天线8卡塞格伦天线卡赛格伦天线是从卡赛格伦光学望远镜发展起来的一种微波天线,它由反射面系统和一个照射器组成，反射面系统包括一个旋转抛物面.这种天线是把照射器辐射的球面波，经副面和主面两次反射后，最终以平面波沿天线轴辐射出去。天线的结构较为紧凑，制作比较方便，空间衰耗对馈电器辐射的影响小，所以效率比标准抛物面天线要高。9蜂窝移动电话内置小型微带天线微带天线已在100兆赫至50G赫的宽广频域上获得多方面应用。其主要特点是剖面低、体积小、重量轻、造价低,可与微波集成电路一起集成,且易于制成共形天线等。从电性能上来说，它有便于获得圆极化、容易实现多频段工作等优点。主要缺点是频带窄、辐射效率较低及功率容量有限。10PCMCIA卡式天线该类型微带天线还被用来集成PCMCIA卡、无线MODEM和LAN。PCMCIA卡尺寸形同信用卡，15•15•1mm11天线在无线网络技术中的应用无线路由器和无线网卡台式机专用的PCI接口无线网卡笔记本电脑专用的PCMCIA接口网卡USB无线网卡12B2隐形轰炸机irri反射定律的应用13信息载体的应用14随着现代科学技术的发展，电子、电气系统获得越来越广泛的应用。运行中的电子、电气设备大多伴随着电磁能量的转换，使得高密度、宽频谱的电磁信息充满整个人类的生存空间，构成极其复杂的电磁环境，出现了电磁干扰和电磁污染。使电子系统受到严峻的挑战，人类生存受到威胁。人们面临的一个新问题就是如何提高电子系统在复杂电磁环境下正常运行的能力，如何改善人类生存环境。在这样的背景下提出了电磁兼容的概念，逐渐形成了一门新学科——电磁兼容性（ElectromagneticCompatibility,简写为EMC）。电子系统的电磁兼容性的分析、计算、试验都要用到大量的电磁场理论知识，应用到电路的基础知识，甚至生物医学知识。可以说，电磁兼容学科是电磁场学科和其他相关学科相结合而形成的新学科。电磁场理论的工程应用——电磁兼容15生物电磁学也是与电磁场相关联的一门新学科，它研究电磁场与生物系统的相互作用、相互影响的关系，电磁场与电磁波无疑是其讨论的理论依据。生物电磁学是生物医学工程的一个分支。电磁场理论的工程应用——生物电磁学16六、教学内容矢量分析——电磁场的基本规律-MAXWELL方程静态电磁场分析边值问题的解时变电磁场均匀平面波在无界空间中的传播均匀平面波的反射与透射导行电磁波---微波技术电磁辐射------天线原理理论基础工程应用专业工具17参考书杨儒贵.电磁场与电磁波（中文版&英文版）.高等教育出版社，2003杨儒贵.电磁场与电磁波教学指导书.高等教育出版社，2003毕德显、林为干院士的电磁场理论更经典。麻省理工的网络课程本章内容1.1矢量代数1.2常用正交曲线坐标系1.3标量场的梯度1.4矢量场的通量与散度1.5矢量场的环流和旋度1.6无旋场与无散场1.7拉普拉斯运算与格林定理1.8亥姆霍兹定理20在电磁理论中，要研究某些物理量（如电位、电场强度、磁场强度等）在空间的分布和变化规律，为此引入了场的概念。一个确定区域中的场被定义为：物理系统中某物理量在该区域的一种分布。如果被描述的物理量是标量，则定义的场被称为标量场；如果被描述的物理量是矢量，则定义的场被称为矢量场。比如，某一区域中各点的温度分布是一个标量场，密度分布是一个标量场；而某一区域中各点流体的流速构成一个矢量场，各点流体的压力分布也构成一个矢量场。场的概念和表示法21物理系统的状态可用某个或某些物理量在确定区域中的分布来描述，因此，物理系统的状态可用某个或某些场来描述。场的一个重要属性是它占有一个空间。研究一个场，首先要明确此场的分布空间，再看场代表一个什么样的物理量，在此空间中怎样分布。对于给定的场，任何时刻在所研究空间中的每一点它有一个定值，这个值叫该点的场量。因此，一个场可用一个定义在相同区域中的一个函数来描述。一个标量场可用一个标量函数来描述；一个矢量场可用一个矢量函数来描述。描述场的函数被称为场函数。场的概念和表示法22标量场在空间的变化规律由其梯度来描述，而矢量场在空间的变化规律则通过场的散度和旋度来描述。场不仅具有空间属性，还具有时间属性。描述物理系统状态的物理量不仅按空间分布，一般还随时间变化。因此，场可能是随时间变化的。如果一个物理系统的状态只按空间分布，不随时间变化，也就是说，物理系统的状态是静态的，由此定义的场也是静态的，这样的场称为静态场；如果一个场的场量不仅按空间分布，还随时间变化，这样的场分布是动态的，这样的场称为动态场或时变场。本章首先介绍标量场和矢量场的概念，然后着重讨论标量场的梯度、矢量场的散度和旋度的概念及其运算规律，在此基础上介绍亥姆霍兹定律。场的概念和表示法1.1矢量代数231.标量和矢量矢量的大小或模：AA矢量的单位矢量：标量：一个只用大小描述的物理量。（温度、高度、电压、质量等）AAeA矢量的代数表示：AeAeAAA矢量：一个既有大小又有方向特性的物理量，常用黑体字母或带箭头的字母表示。（力，电、磁场强度）矢量的几何表示：一个矢量可用一条有方向的线段来表示注意：矢量书写时，印刷体为场量符号加粗，如D。教材上符号即为印刷体。A矢量的几何表示常矢量：大小和方向均不变的矢量。24（1）矢量的加减法两矢量的加减在几何上表示是以这两矢量为邻边的平行四边形的对角线,如图所示。2.矢量的代数运算矢量的加法BAAB矢量的减法BAABB矢量的加减符合交换律和结合律结合律交换律矢量的减法：-ABABABBA()()ABCABC25（2）标量乘矢量（3）矢量的标积（点积）——矢量的标积符合交换律AB矢量与的夹角AB标量k与矢量A的乘积仍为一个矢量，大小为，方向与k的正负有关。特殊情况：kAcosABABABBA1zzyyxxeeeeee0xzzyyxeeeeeeABAB0BA//ABAB26（4）矢量的矢积（叉积）sinABBABA矢量与的叉积ABBAABBA若，则BA//0BA若，则矢量的叉积不符合交换律那么,,xyzyzxzxyeeeeeeeeeABBAsinABeBAn27（5）矢量的混合运算CBCACBA)(CBCACBA)()()()(BACACBCBACBABCACBA)()()(——分配律——分配律——标量三重积——矢量三重积1.2三种常用的正交曲线坐标系28三维空间任意一点的位置可通过三条相互正交曲线的交点来确定。在电磁场与波理论中，三种常用的正交曲线坐标系为：直角坐标系、圆柱坐标系和球面坐标系。三条正交曲线组成的确定三维空间任意点位置的体系，称为正交曲线坐标系；三条正交曲线称为坐标轴；描述坐标轴的量称为坐标变量。1、直角坐标系29坐标变量,,xyz坐标单位矢量zyxeee,,点P(x0,y0,z0)0yy（平面）oxyz0xx（平面）0zz（平面）P直角坐标系xezeye,,xyz它们分别沿x,y,z增加的方向，相互正交，而且遵循右手法则。它们的方向不随点位置的变化而变化，这是直角坐标系的一个重要的特征。30zzyyxxeAeAeAAcoscoscosAAAAAAzyx)coscoscos(zyxeeeAAcoscoscoszyxAeeee矢量用坐标分量表示zAxAAyAzxy31zzyyxxeAeAeAA对于两个矢量xxyyzzBBeBeBexxyyzzABABABABA与B的点积：A与B的加减法：()()()xxxyyyzzzABeABeABeAB()()()xyzzyyzxxzzxyyxABeABABeABABeABABA与B的叉积：xyzxyzxyzeeeABAAABBB写成行列式形式为32xyzrexeyez位置矢量微分形式drdddxyzexeyez体积元ddddVxyz面元矢量dddddxxyzxSerreyzdddddzzxyzSerrexydddddyyxzySerrexzxyz直角坐标系的长度元、面积元、体积元odzdydxzyeSxxdddyxeSzzdddzxeSyyddd2、圆柱坐标系33,,z坐标变量0,02,z变化范围分别是：圆柱坐标系与直角坐标系之间的变换关系为：22,arctan(/),xyyxzz或cos,sin,xyzz2、圆柱面坐标系34zeee,,坐标单位矢量注意：圆柱坐标系中的坐标单位矢量都不是常矢量，因为它们的方向是随空间坐标变化的。ee和,,zzzeeeeeeeee,,zeee分别是z、和增加的方向，且遵循右手螺旋法则，即2、圆柱面坐标系35oxy单位圆直角坐标系与柱坐标系之间坐标单位矢量的关系xeyeee坐标变换圆柱坐标系与直角坐标系间单位矢量变换关系cossinsincosxyxyzzeeeeeeee或cossinsincosxyzzeeee