电磁场与电磁波全套课件.ppt
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1、 高高 等等 教教 育育 出出 版版 社社高高 等等 教教 育育 电电 子子 音音 像像 出出 版版 社社1一、几点说明一、几点说明二、简介二、简介三、目录三、目录四、教学目的四、教学目的五、学时安排五、学时安排六、各章重点六、各章重点七、参考书目七、参考书目2几几 点点 说说 明明 本电子教案是根据作者撰写的本电子教案是根据作者撰写的电磁场与电磁波电磁场与电磁波(第第 2 版版)纸质教材编制的,其特色如下:纸质教材编制的,其特色如下:1.全教案包括全教案包括12个部分,除了对应纸质教材的个部分,除了对应纸质教材的10章内容,外加目录和前言。章内容,外加目录和前言。2.基于基于64学时课堂讲授
2、时间,结合自己的教学经学时课堂讲授时间,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。概念,减少数学推演。3 3.重要名词、定义及概念所用字体皆以红色显示。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。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。语言简练、重点突出。画面美观、文字醒目。6.本教案是在本教案是在Windows XP 环境下,利用环境下,利用 Office 2003 中中PowerPoint 软件和软件和Matht
3、ype5.2制作的。若用其他制作的。若用其他软件运行,可能会出现显示错误。软件运行,可能会出现显示错误。4课程名称:电磁场与电磁波课程名称:电磁场与电磁波课程性质:专业技术基础课课程性质:专业技术基础课使用教材:杨儒贵使用教材:杨儒贵 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 北京:高等教育出版社,北京:高等教育出版社,2007适用专业:电子信息类专业适用专业:电子信息类专业制制 作作 者:杨儒贵者:杨儒贵制作单位:西南交通大学理学院电磁所制作单位:西南交通大学理学院电磁所简简 介介5第一章第一章矢量分析矢量分析前前 言言第二章第二章静电场静电场第三章第三章静电场的边值问题静电场的边值问题第四章第四章恒定
4、电流场恒定电流场第五章第五章恒定磁场恒定磁场目目 录录6第八章第八章平面电磁波平面电磁波第九章第九章导行电磁波导行电磁波第十章第十章电磁辐射及原理电磁辐射及原理第六章第六章电磁感应电磁感应第七章第七章时变电磁场时变电磁场7电电 磁磁 场场 与与 电电 磁磁 波波学分学分:4 学时学时:64方式方式:讲授、讨论讲授、讨论教教 学学 目目 的的 通过课堂教学,介绍电磁场与电磁波的基本特性通过课堂教学,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。及规律,内容侧重时变电磁场。8大家有疑问的,可以询问和交流大家有疑问的,可以询问和交流可以互相讨论下,但要小声点可以互相讨论下,但要小声点可以互
5、相讨论下,但要小声点可以互相讨论下,但要小声点9学学 时时 安安 排排矢量分析:矢量分析:4静电场:静电场:7静电场边值问题:静电场边值问题:4恒定电流场:恒定电流场:3恒定磁场:恒定磁场:6电磁感应:电磁感应:3时变电磁场:时变电磁场:7平面电磁波:平面电磁波:10导行电磁波:导行电磁波:8电磁辐射:电磁辐射:8(总学时(总学时64:讲授:讲授60,机动,机动4)10各各 章章 重重 点点 1.矢量分析:梯度,散度,旋度,亥姆霍兹定理。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。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:
6、电位微分方程,镜像法,分离变量法。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。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。恒定磁场:磁通密度,场方程,边界条件。116.电磁感应电磁感应:电磁感应定律,自感与互感,能量与力。电磁感应定律,自感与互感,能量与力。7.时变电磁场时变电磁场:位移电流,麦克斯韦方程,边界条件,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。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,平平面
7、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。界上的斜投射。12 9.导行电磁波:矩形波导中的电磁波,矩形波导导行电磁波:矩形波导中的电磁波,矩形波导中的中的TE10波,圆波导中的电磁波,同轴线,谐振腔。波,圆波导中的电磁波,同轴线,谐振腔。10.电电磁磁辐辐射射:电电流流元元辐辐射射,天天线线方方向向性性,线线天天线线,天天线线阵阵,对对偶偶原原理理,镜镜像像原原理理,互互易易原原理理,惠惠更更斯斯原原理理,面天线辐射。面天线辐射。13参参 考考 书书 目目 一、基本参考书一、基本
8、参考书 1 杨儒贵杨儒贵.电磁场与电磁波电磁场与电磁波 M.2 版版.北京北京:高等教高等教育出版社育出版社,2007.2 谢处方谢处方,饶克谨饶克谨.电磁场与电磁波电磁场与电磁波M.4 版版.北京北京:高等教育出版社高等教育出版社,2006.3 倪光正倪光正.工程电磁场原理工程电磁场原理M.北京北京:高等教育出版高等教育出版社社,2002.4 赵克玉赵克玉,许福永许福永.微波原理与技术微波原理与技术M.北京北京:高等高等教育出版社教育出版社,2006.5 梁昌洪梁昌洪,谢拥军谢拥军,官伯然官伯然.简明微波简明微波M.北京北京:高等高等教育出版社教育出版社,2006.14 二、较深参考书二、较
9、深参考书 1 杨儒贵杨儒贵,陈达章陈达章,刘鹏程刘鹏程.电磁理论电磁理论M.西安西安:西安交西安交通大学出社通大学出社,1991 2 楼仁海楼仁海,符果行符果行,袁敬闳袁敬闳.电磁理论电磁理论M.成都成都:电子科电子科技大学出版社技大学出版社,1996 3 傅君眉傅君眉,冯恩信冯恩信.高等电磁理论高等电磁理论M.西安西安:西安交通西安交通大学出版社大学出版社,2000 4 杨儒贵杨儒贵.电磁理论中的辅助函数电磁理论中的辅助函数M.北京北京:高等教育高等教育出版社,出版社,1992 5 杨儒贵杨儒贵.电磁定理和原理及其应用电磁定理和原理及其应用M.成都成都:西南交西南交通大学出版社通大学出版社,
10、200215电场和磁场电场和磁场前前 言言 运动电荷或电流产生的场表现为对于磁铁和载流导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。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,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。这种场称为电场。不随时间变化的电场称为静电场。16 如果电荷及电流均随时间改变,它们产生的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及磁场也是随时间变化的。
11、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,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。在空间形成了电磁波。电电 磁磁 波波 静电场与恒定磁场相互无关、彼此独立,可以分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,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。然后再介绍时变电磁场。17物物 质质 属属 性性 电磁场与电磁波既然是一种物质,它的存在和传电磁场与电磁波既然是一种物质,它的存在和传播无
12、需依赖于任何介质。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具有物质的两种重要属性:能量和质量。但是,电磁能量和质量。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。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对于电磁场与电磁波来说,真空环境通常被称为“自由空间自由空间”。18 当空间存在介质时,在电磁场的作用下介质中会当空间存在介质时,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发生极化
13、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。与介质的相互作用现象。场场 与与 介介 质质 先介绍真空中的电磁场,然后再讨论介质中的电先介绍真空中的电磁场,然后再讨论介质中的电磁场。磁场。19电荷及电流是产生电磁场惟一的源。电荷及电流是产生电磁场惟一的源。场场 与与 源源研究场与源的关系是电磁理论的基本问题之一。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,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。它们仅是假想的。20历历 史史 的的 回回
14、 顾顾21 1873年英国科学家麦克斯韦(年英国科学家麦克斯韦(18311879)提出了)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建立了严格的数学方程麦克斯韦方程。麦克斯韦方程。重重 大大 突突 破破 麦克斯韦预言电磁波的存在,后来在麦克斯韦预言电磁波的存在,后来在1887年被德国年被德国物理学家赫兹(物理学家赫兹(18571894)的实验证实。)的实验证实。俄国的波波夫及意大利俄国的波波夫及意大利的马可尼于的马可尼于19世纪末先后发世纪末先后发明了使用电磁波作为信息载体的传输技术。明了使用电磁波作为信息载体的传
15、输技术。22电磁场与波的应用电磁场与波的应用 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。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。静电场对于带电粒子具有力的作用。电电磁磁铁铁、磁磁悬悬浮浮轴轴承承以以及及磁磁悬悬浮浮列列车车等等,都都是是利利用磁场力的作用。用磁场力的作用。23B2 隐形轰炸
16、机隐形轰炸机 i r反反 射射 定定 律律 的的 应应 用用24立立 体体 电电 影影 电电 磁磁 波波 极极 化化 特特 性性 的的 应应 用用25 全全 球球 定定 位位 系系 统统 Global Positioning System(GPS)信信 息息 载载 体体 的的 应应 用用 26*2004年无线上网的设备达到年无线上网的设备达到 15 亿部。亿部。*2004年年60%美国人在工作中使用无线设备。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年全世界无线上网的人数达到 4.8 亿。亿。*2007年美国无线商务用户超过年美国无线商务用户超过 1 亿亿。*目前中国的手
17、机用户已有目前中国的手机用户已有 5 亿多。亿多。无无 线线 用用 户户27 新技术的广泛应用促进了电磁理论的发展。由此创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建了很多分析电磁场与电磁电磁波的新方法,研制了很多电波的新方法,研制了很多电磁性能优越的新材料。磁性能优越的新材料。相互促进,共同发展相互促进,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与电磁电磁波的新方法,从而形成计算电磁学的新学科。波的新方法,从而
18、形成计算电磁学的新学科。28电电 磁磁 单单 位位 本书采用国际单位制(本书采用国际单位制(SI )。在电磁学中,这种)。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。单位制的四个基本单位是长度、质量、时间和电流。长长度单位为度单位为m(米),质量单位为(米),质量单位为kg(千克),时间单位(千克),时间单位为为s(秒),电流单位为(秒),电流单位为A(安培)。(安培)。对于正弦电磁场使用的时间因子为对于正弦电磁场使用的时间因子为 e j t 。29第一章第一章 矢量分析矢量分析主主 要要 内内 容容梯度、散度、旋度、梯度、散度、旋度、亥姆霍兹定理亥姆霍兹定理1.标量场的方向
19、导数与梯度标量场的方向导数与梯度2.矢量场的通量与散度矢量场的通量与散度3.矢量场的环量与旋度矢量场的环量与旋度4.无散场和无旋场无散场和无旋场5.格林定理格林定理 6.矢量场的惟一性定理矢量场的惟一性定理7.亥姆霍兹定理亥姆霍兹定理 8.正交曲面坐标系正交曲面坐标系30yx以浓度表示的标量场以浓度表示的标量场 以箭头表示的矢量场以箭头表示的矢量场A 标量场标量场()和矢量场和矢量场(A)yx311.1.标量场的方向导数与梯度标量场的方向导数与梯度 标量场在某点的方向标量场在某点的方向导数表示标量场自该点沿导数表示标量场自该点沿某一方向上的变化率。某一方向上的变化率。标量场标量场 在在 P 点
20、沿点沿 l 方向上的方向导数方向上的方向导数 定义为定义为Pl32梯度是一个矢量。梯度是一个矢量。在直角坐标系中,标量场在直角坐标系中,标量场 的梯度可表示为的梯度可表示为式中的式中的grad 是英文字是英文字 gradient 的缩写。的缩写。某点梯度的大小等于该点的最大方向导数,某点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。梯度的方向为该点具有最大方向导数的方向。33 若引入算符若引入算符,在直角坐标系中该,在直角坐标系中该算符算符 可表可表示为示为则梯度可以表示为则梯度可以表示为zxyr OP(x,y,z)r r r P(x,y,z)例例 计算计算
21、 及及 。表示对表示对 x,y,z 运算运算 表示对表示对 运算运算这里这里34解解表示源点,表示源点,P 表示场点。表示场点。zxyr OP(x,y,z)r r r P(x,y,z)35 矢量矢量 A 沿某一有向曲面沿某一有向曲面 S 的面积分称为矢量的面积分称为矢量 A 通过通过该有向曲面该有向曲面 S 的通量,以标量的通量,以标量 表示,即表示,即 2.矢量场的通量与散度矢量场的通量与散度通量可为正、负或零。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,认为该闭生该矢量场的源;当矢量进入
22、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)。合面中存在汇聚该矢量场的洞(或汇)。36 闭合的有向曲面的方向通常规定为闭合面的外闭合的有向曲面的方向通常规定为闭合面的外法线方向。法线方向。当闭合面中有源时,矢量通过该闭合面的通量当闭合面中有源时,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。闭合面的通量一定为负。前述的源称为正源,而洞称为负源。前述的源称为正源,而洞称为负源。S 37 已已知知真真空空中中的的电电场场强强度度 E 通通过过任任一一闭闭合合曲曲面面的的通通量量等等于于该该闭闭合合面面
23、包包围围的的自自由由电电荷荷的的电电荷荷量量 q 与与真真空介电常数空介电常数 0 之比,即,之比,即,当闭合面中存在正电荷时,通量为正。当闭合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。源区中,穿过任一闭合面的通量为零。38 但是,通量仅能表示闭合面中源的总量,它不能但是,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。显示源的分布特性。为此需要研究矢量场的散度。当闭合面当闭合面 S 向某点无限收缩时,矢量向某点无限收缩时,矢量 A 通过该闭通
24、过该闭合面合面 S 的通量与该闭合面包围的体积之比的极限称为的通量与该闭合面包围的体积之比的极限称为矢量场矢量场 A 在该点的散度,以在该点的散度,以 div A 表示,即表示,即式中,式中,div 是英文字是英文字divergence 的缩写;的缩写;V 为闭合面为闭合面 S 包围的体积。包围的体积。39上式表明,散度是一个标量,它可理解为通过包围上式表明,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。单位体积闭合面的通量。直角坐标系中散度可表示为直角坐标系中散度可表示为 因此散度可用算符因此散度可用算符 表示为表示为40散度定理散度定理或者写为或者写为 从数学角度可以认为散度定理
25、建立了面积分和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。体积分的关系。从物理角度可以理解为散度定理建从物理角度可以理解为散度定理建立了区域立了区域 V 中的场和包围区域中的场和包围区域 V 的边界的边界 S 上的场之上的场之间的关系。因此,如果已知区域间的关系。因此,如果已知区域 V 中的场,中的场,根据根据散散度度定理即可求出边界定理即可求出边界 S 上的场,反之亦然。上的场,反之亦然。41例例 求空间任一点位置矢量求空间任一点位置矢量 r 的散度的散度。求得求得已知已知解解rOxzyxzy42标量场的梯度标量场的梯度矢量场的散度矢量场的散度矢量场的旋度?矢量场的旋度?算子算子4
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