杨瑞贵-电磁场与电磁波第二版课件教案杨儒贵高等教育

电磁场与电磁波电子教案第2版杨儒贵高等教育出版社高等教育电子音像出版社一、几点说明二、简介三、目录四、教学目的五、学时安排六、各章重点七、参考书目几点说明本电子教案是根据作者撰写的《电磁场与电磁波》(第2版)纸质教材编制的，其特色如下：1.全教案包括12个部分，除了对应纸质教材的10章内容，外加目录和前言。2.基于64学时课堂讲授时间，结合自己的教学经验，对于纸质教材的内容进行了适当的取舍。突出物理概念，减少数学推演。3.重要名词、定义及概念所用字体皆以红色显示。4.图表尽量使用彩色绘制，且充分利用动画功能。5.语言简练、重点突出。画面美观、文字醒目。6.本教案是在WindowsXP环境下，利用Office2003中PowerPoint软件和Mathtype5.2制作的。若用其他软件运行，可能会出现显示错误。课程名称：电磁场与电磁波课程性质：专业技术基础课使用教材：杨儒贵《电磁场与电磁波》北京：高等教育出版社，2007适用专业：电子信息类专业制作者：杨儒贵制作单位：西南交通大学理学院电磁所简介第一章矢量分析前言第二章静电场第三章静电场的边值问题第四章恒定电流场第五章恒定磁场目录第八章平面电磁波第九章导行电磁波第十章电磁辐射及原理第六章电磁感应第七章时变电磁场电磁场与电磁波学分:4学时:64方式:讲授、讨论教学目的通过课堂教学，介绍电磁场与电磁波的基本特性及规律，内容侧重时变电磁场。学时安排矢量分析：4静电场：7静电场边值问题：4恒定电流场：3恒定磁场：6电磁感应：3时变电磁场：7平面电磁波：10导行电磁波：8电磁辐射：8（总学时64：讲授60，机动4）各章重点1.矢量分析：梯度，散度，旋度，亥姆霍兹定理。2.静电场：电场强度，场方程，边界条件，能量与力。3.静电场边值问题：电位微分方程，镜像法，分离变量法。4.恒定电流场：电流，电流连续性原理，能量损耗。5.恒定磁场：磁通密度，场方程，边界条件。6.电磁感应:电磁感应定律，自感与互感，能量与力。7.时变电磁场:位移电流，麦克斯韦方程，边界条件，位函数，能流密度矢量，正弦电磁场，复能流密度矢量。8.平面电磁波：理想介质中的平面波，极化特性，平面边界上的正投射，任意方向传播的平面波的表示，平面边界上的斜投射。9.导行电磁波：矩形波导中的电磁波，矩形波导中的TE10波，圆波导中的电磁波，同轴线，谐振腔。10.电磁辐射：电流元辐射，天线方向性，线天线，天线阵，对偶原理，镜像原理，互易原理，惠更斯原理，面天线辐射。参考书目一、基本参考书[1]杨儒贵.电磁场与电磁波[M].2版.北京:高等教育出版社,2007.[2]谢处方,饶克谨.电磁场与电磁波[M].4版.北京:高等教育出版社,2006.[3]倪光正.工程电磁场原理[M].北京:高等教育出版社,2002.[4]赵克玉,许福永.微波原理与技术[M].北京:高等教育出版社,2006.[5]梁昌洪,谢拥军,官伯然.简明微波[M].北京:高等教育出版社,2006.二、较深参考书[1]杨儒贵,陈达章,刘鹏程.电磁理论[M].西安:西安交通大学出社,1991[2]楼仁海,符果行,袁敬闳.电磁理论[M].成都:电子科技大学出版社,1996[3]傅君眉,冯恩信.高等电磁理论[M].西安:西安交通大学出版社,2000[4]杨儒贵.电磁理论中的辅助函数[M].北京:高等教育出版社，1992[5]杨儒贵.电磁定理和原理及其应用[M].成都:西南交通大学出版社,2002电场和磁场前言运动电荷或电流产生的场表现为对于磁铁和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间变化的。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。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。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介质。电磁场与电磁波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。对于电磁场与电磁波来说，真空环境通常被称为“自由空间”。当空间存在介质时，在电磁场的作用下介质中会发生极化与磁化现象，结果在介质中又产生二次电场及磁场，从而改变了介质中原先的场分布，这就是场与介质的相互作用现象。场与介质先介绍真空中的电磁场，然后再讨论介质中的电磁场。电荷及电流是产生电磁场惟一的源。场与源研究场与源的关系是电磁理论的基本问题之一。引入磁荷及磁流的概念是十分有益的，但是，它们仅是假想的。时代发明者现象公元前600年希腊人摩擦后琥珀吸引微物体公元前300年中国人磁石吸铁1785年法国库仑(1736—1806)电荷之间的作用力库仑定律1820年丹麦奥斯特(1777—1851)电流产生磁场1820年法国安培(1775—1836)电流之间的作用力安培定律1831年英国法拉第(1791—1867)时变磁场产生时变电场电磁感应定律历史的回顾1873年英国科学家麦克斯韦（1831—1879）提出了位移电流的假设，认为时变电场可以产生时变磁场，并建立了严格的数学方程——麦克斯韦方程。重大突破麦克斯韦预言电磁波的存在，后来在1887年被德国物理学家赫兹（1857—1894）的实验证实。俄国的波波夫及意大利的马可尼于19世纪末先后发明了使用电磁波作为信息载体的传输技术。电磁场与波的应用当今的无线通信、广播、雷达、遥控遥测、微波遥感、无线广域网、无线局域网、卫星定位以及光纤通信等信息技术都是利用电磁波作为载体传输信息的。静电复印、静电除尘以及静电喷漆等技术都是基于静电场对于带电粒子具有力的作用。电磁铁、磁悬浮轴承以及磁悬浮列车等，都是利用磁场力的作用。世界首辆载人高温超导磁悬浮试验车西南交通大学应用超导研究所研制Stable!Stable!磁场力的应用B2隐形轰炸机irir反射定律的应用立体电影电磁波极化特性的应用全球定位系统GlobalPositioningSystem(GPS)信息载体的应用*2004年无线上网的设备达到15亿部。*2004年60%美国人在工作中使用无线设备。*2005年全世界无线上网的人数达到4.8亿。*2007年美国无线商务用户超过1亿。*目前中国的手机用户已有5亿多。无线用户新技术的广泛应用促进了电磁理论的发展。由此创建了很多分析电磁场与电磁波的新方法，研制了很多电磁性能优越的新材料。相互促进，共同发展随着大容量的高性能及高速度计算机的出现，不但解决了很多电磁理论的计算问题，同时也萌生了计算电磁场与电磁波的新方法，从而形成计算电磁学的新学科。电磁单位本书采用国际单位制（SI）。在电磁学中，这种单位制的四个基本单位是长度、质量、时间和电流。长度单位为m（米），质量单位为kg（千克），时间单位为s（秒），电流单位为A（安培）。对于正弦电磁场使用的时间因子为ejt。第一章矢量分析主要内容梯度、散度、旋度、亥姆霍兹定理1.标量场的方向导数与梯度2.矢量场的通量与散度3.矢量场的环量与旋度4.无散场和无旋场5.格林定理6.矢量场的惟一性定理7.亥姆霍兹定理8.正交曲面坐标系yx以浓度表示的标量场以箭头表示的矢量场A标量场（）和矢量场（A）yx1.标量场的方向导数与梯度标量场在某点的方向导数表示标量场自该点沿某一方向上的变化率。Δ0()()limΔlPPPll标量场在P点沿l方向上的方向导数定义为PlPllΔP梯度是一个矢量。gradxyzxyzeee在直角坐标系中，标量场的梯度可表示为式中的grad是英文字gradient的缩写。某点梯度的大小等于该点的最大方向导数，某点梯度的方向为该点具有最大方向导数的方向。zyxzyxeee若引入算符，在直角坐标系中该算符可表示为grad则梯度可以表示为zxyrOP(x,y,z)r'r–r'P'(x',y',z')例计算及。R1R1表示对x,y,z运算表示对运算zyx,,0Rrr这里zyxzyxeeerzyxzyxeeer解zyxzzyyxxeeeR)()()(222)()()(zzyyxxRzyxzyxeeezyxzyxeee31RRRRR1131RRR表示源点，P表示场点。PzxyrOP(x,y,z)r'r–r'P'(x',y',z')矢量A沿某一有向曲面S的面积分称为矢量A通过该有向曲面S的通量，以标量表示，即2.矢量场的通量与散度SdSA通量可为正、负或零。当矢量穿出某个闭合面时，认为该闭合面中存在产生该矢量场的源；当矢量进入这个闭合面时，认为该闭合面中存在汇聚该矢量场的洞（或汇）。闭合的有向曲面的方向通常规定为闭合面的外法线方向。当闭合面中有源时，矢量通过该闭合面的通量一定为正；反之，当闭合面中有洞时，矢量通过该闭合面的通量一定为负。前述的源称为正源，而洞称为负源。SdSAS已知真空中的电场强度E通过任一闭合曲面的通量等于该闭合面包围的自由电荷的电荷量q与真空介电常数0之比，即，当闭合面中存在正电荷时，通量为正。当闭合面中存在负电荷时，通量为负。在电荷不存在的无源区中，穿过任一闭合面的通量为零。0dSqES㊉㊀但是，通量仅能表示闭合面中源的总量，它不能显示源的分布特性。为此需要研究矢量场的散度。当闭合面S向某点无限收缩时，矢量A通过该闭合面S的通量与该闭合面包围的体积之比的极限称为矢量场A在该点的散度，以divA表示，即Δ0ddivlimΔSVVASA式中，div是英文字divergence的缩写；V为闭合面S包围的体积。Δ0ddivlimΔSVVASA上式表明，散度是一个标量，它可理解为通过包围单位体积闭合面的通量。直角坐标系中散度可表示为divyxzAAAxyzA因此散度可用算符表示为divAAdivddVSVAAS散度定理ddVSVAAS或者写为从数学角度可以认为散度定理建立了面积分和体积分的关系。从物理角度可以理解为散度定理建立了区域V中的场和包围区域V的边界S上的场之间的关系。因此，如果已知区域V中的场，根据散度定理即可求出边界S上的场，反之亦然。例求空间任一点位置矢量r的散度。3zzyyxxr求得zyxzyxeeer已知解rOxzyxzyzyxzyxeee标量场的梯度Δ0ddivlimΔSVVASAzAyAxAzyxA矢量场的散度矢量场的旋度？zyxzyxeee算子矢量场A沿一条有向曲线l的线积分称为矢量场A沿该曲线的环量，以表示，即3.矢量场的环量与旋度dlAl可见，若在闭合有向曲线l上，矢量场A的方向处处与线元dl的方向保持一致，则环量0；若处处相反，则0。可见，环量可以用来描述矢量场的旋涡特性。l已知真空中磁通密度B沿任一闭合有向曲线l的环量等于该闭合曲线包围的传导电流强度I与真空磁导率0的乘积。即式中，电流I的正方向与dl的方向构成右旋关系。0dlIBl环量可以表示产生具有旋涡特性的源的强度，但是环量代表的是闭合曲线包围的总的源强度，它不能显示源的分布特性。为此，需要研究矢量场的旋度。⊙I1I2旋度是一个矢量。以符号curlA表示矢量A的旋度，其方向是使矢量A具有最大环量强度的方向，其大小等于对该矢量方