电磁场与波绪论电磁场与波 (1).pdf
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1、“电磁场与波”绪论“电磁场与波”绪论一发展简史一发展简史引言什么是“电磁场理论”?研究静止电荷和运动电荷效应的一门科学。它是在长期的实践中所得到的实验定律的基础上,经理论概括而成的,更是19世纪中经典物理学最伟大的两方面成就(电磁学和热力学)之一。一发展简史二麦克斯韦电磁理论三“电磁场与波”课程的特点四预备知识和浅显的学习方法建议一发展简史电磁现象有古老历史电磁现象有古老历史电磁现象的最初发现,都可以追溯到很古老的历史。公元前人们就已经知道,用毛皮摩擦过的琥珀会吸引头发、丝绒等;天然的磁石会相互吸引会相互排斥。我国的战国时代和欧洲的古希腊时代就有了关于自然的磁现象和静电现象的记载。例如,我国东
2、汉时代的王充在论衡 乱龙篇中有“顿牟缀芥,磁石引针”的记载,顿牟就是琥珀,它能吸引轻小的芥籽。王充把这种摩擦生电的静电吸引和磁石的相互吸引这两种现象相提并论,而又不相互混淆,反映他对电磁现象已有一定的认识,但在当时电与磁还似乎是两种完全不同的现象。图1-1 摩擦起电图1-2 司南一发展简史电磁现象有古老历史电磁现象有古老历史只是始自十八世纪末叶,人们才将电和磁作为一门科学来研究,至今只有200多年的历史。特别是十九世纪以后,经过大量的科学实践,才总结出一系列重要的规律,如库仑定律、安培定律、毕奥-萨伐尔定律和法拉第电磁感应定律。图1-3 毕奥-萨伐尔定律图1-4 电磁感应一发展简史库伦定律的建
3、立库伦定律的建立,标志着电学和磁学的定量研究的开始标志着电学和磁学的定量研究的开始中国指南针于12世纪由阿拉伯人传入欧洲后,英国人吉尔伯特(W.Gilbert,1544-1603)进一步进行了实验,另外也研究了摩擦生电。美国的富兰克林(B.Franklin,1706-1790)首次用风筝把“天电”引入实验室,英国的卡文迪许(H.Cavendish,1731-1810)于1772年或1773年精密地用实验证明静电力与距离的平方成反比,再经过法国人库伦(C.A.Coulomb,1736-1806)的研究,最后于1785年确立了库伦定律。图1-5 富兰克林风筝实验一发展简史电生磁使得电与磁开始结合起
4、来电生磁使得电与磁开始结合起来,从此有了从此有了“电磁学电磁学”意大利人伏打(C.A.Vota,1745-1827)于1800年发明了电池,电学研究从此进入动电阶段。图1-6 伏打电池与其原理一发展简史电生磁使得电与磁开始结合起来电生磁使得电与磁开始结合起来,从此有了从此有了“电磁学电磁学”1826年德国物理学家欧姆(G.S.Ohm,1784-1854)建立了 电 路 的 欧 姆 定 律。1820 年,丹 麦 物 理 学 家 奥 斯 特(H.C.Oersted,1777-1851)的发现第一次揭示了电流能够产生磁,立即在全世界引起了很大的轰动。这是将电现象与磁现象联系起来的开端,使人们开始认识
5、到电和磁之间的关系。不少科学家开始致力于这方面的研究。图1-7 奥斯特的电生磁实验一发展简史电生磁使得电与磁开始结合起来电生磁使得电与磁开始结合起来,从此有了从此有了“电磁学电磁学”其中,就有法国物理学家安培(A.M.Ampere,1775-1836)。还有一位学徒出身,后来为电磁学的发展作出伟大贡献的英国科学家法拉第(M.Faraday,1791-1867)。图1-8 安培图1-9 法拉第一发展简史电生磁使得电与磁开始结合起来电生磁使得电与磁开始结合起来,从此有了从此有了“电磁学电磁学”安培立即进一步研究,1825年确定了两电流之间的作用力及载流导体所受磁力的安培定律。同时,毕奥-萨伐尔确定
6、了磁场与电流之间的定量关系-毕奥-萨伐尔定律。到此为止,人们一直是在静止的或恒定的状态下研究电磁现象。l dL3i2i1iH图1-10 安培定律和毕奥-萨伐尔定律一发展简史从法拉第到麦克斯韦从法拉第到麦克斯韦1821年,即奥斯特关于电流磁效应的重要发现公布的第二年,英国化学家戴维(Sir H.Davy,1778-1829)受英国权威杂志哲学年鉴主编之约,撰写一篇介绍电流磁效应发现以来一年中电磁学研究进展的文章,他把此任务交给法拉第,促使法拉第把研究方向转到了电磁学领域。法拉第并不满足于重复奥斯特的实验。他逐渐地产生了一个想法:既然电能生磁,那么反过来,磁也能生电吗?于是他专心致志地透入到这方面
7、的研究中去,经历了10年之久的无数次失败之后,法拉第终于发现了电磁感应现象,认识到磁在发生某种“变化”的情况下会产生电,并于1831-1851年并总结和确立了电磁感应定律,其中俄国物理学家楞次(H.F.E.Lenz,1804-1865)也有重要贡献。有一次他在皇家学会演讲结束后,英国首相Glastone问他:“你的新发现有何用处?”他回答说:“先生,有一天你可能从它收税”。一发展简史从法拉第到麦克斯韦从法拉第到麦克斯韦电磁感应现象是电磁学中最重要的发现之一,它揭示了电与磁之间相互联系和转化的重要方面。它的发现在科学上和技术上都具有划时代的意义。它不仅推动了电磁学理论的发展,而且在实践上开拓了广
8、泛应用的前途。这一划时代的伟大发现是今天广泛应用电力和电讯的开端。图1-11 法拉第的电磁感应实验一发展简史从法拉第到麦克斯韦从法拉第到麦克斯韦在电工技术中,运用电磁感应原理制造的发电机、电动机、变压器等电气设备为充分而方便地利用自然界的能源提供了条件;图1-12 发电机原理图1-13 变压器和互感器一发展简史从法拉第到麦克斯韦从法拉第到麦克斯韦在电子技术中,广泛地采用电感元件来控制电压或电流的分配、发射、接收和传输电磁信号;在电磁测量中,除了电磁量的测量直接应用电磁感应原理外,一些非电磁量也可用之转换成电磁量来测量,从而发展出多种自动化仪表。图1-14 电感线圈一发展简史图1-15 涡流探伤
9、图1-16 感应加热其他应用:一发展简史从法拉第到麦克斯韦从法拉第到麦克斯韦法拉第的研究有极强的直观性和整体性,他引入“力线”的概念。图1-17“场”和“力线”的概念图1-18 磁感线一发展简史从法拉第到麦克斯韦从法拉第到麦克斯韦在法拉第发现电磁感应现象的那一年,英国诞生了另一位物理学家麦克斯韦(J.C.Maxwell,1831-1879)。麦克斯韦有很好的数学素养和高超的逻辑推理能力,也是一位富有想象力的科学家。图1-19 麦克斯韦一发展简史从法拉第到麦克斯韦从法拉第到麦克斯韦麦克斯韦抓住了电场理论的两根主线:其一是“变化的磁场产生电场”,这是法拉第发现电磁感应现象后提出的;另一则是“变化的
10、电场产生磁场”,这是麦克斯韦根据奥斯特发现电流的磁效应等加上他本人的创造后建立的。他认识到电场和磁场在“变化”的情况下,形成不可分割的和谐统一体电磁场。图1-20 电生磁-磁生电的过程一发展简史从法拉第到麦克斯韦从法拉第到麦克斯韦麦克斯韦用研究流体的数学方法来描写电场或磁场,把法拉第的物理“翻译”成数学,于1864年把法拉第的思想发展成完整的电磁场理论,建立了微分形式的“麦克斯韦方程”,被认为是19世纪物理学最辉煌的成就。图1-21 麦克斯韦和麦克斯韦方程一发展简史光就是一种电磁波光就是一种电磁波麦克斯韦方程的一个重要结果就是预言了电磁波的存在,解释了光就是一种电磁波。从而把表面上似乎毫不相干
11、的光现象与电磁现象统一了起来,为人类深刻认识光的本质树起了一座历史的丰碑。图1-22 电磁波和可见光谱一发展简史光就是一种电磁波光就是一种电磁波麦克斯韦方程是如此的深刻,完美和新颖,以致使它问世以后的相当长时间里并不为人们所接受。甚至像德国著名的物理学家亥姆霍兹(H.L.F.Helmhotz,1821-1894)这样有才能的人,为了理解它,也花费了好几年的时间。1878年,身为柏林大学教授的亥姆霍兹出了一个竞赛题,要学生用实验方法来检验麦克斯韦的电磁理论。他的一位学生,后来成为著名物理学家的赫兹(H.R.Hertz,1857-1894)从此开始了这方面的研究。1886年10月,赫兹在做一个放电
12、实验时,偶然发现在其近旁的一个线圈也发生火花,他敏锐地想到这可能是电磁共振。随后他有做了一系列实验,得到证实。接着赫兹又用类似实验证明电磁波具有类似光的特性,如反射、折射、衍射、偏振,证实了麦克斯韦方程的正确性。图1-23 赫兹的电火花实验圈应感发射利用电磁共振进行无线传能一发展简史图1-24 无线充电模块图1-25 无线传能原理图1-26 无线传能试验一发展简史电磁波具有类似光的特性,如反射、折射、衍射、偏振,动画为电磁波通过障碍物时的反射和透射一发展简史光就是一种电磁波光就是一种电磁波赫兹的实验轰动了当时整个物理学界,全世界许多实验室立即透入到对电磁波及其应用的研究。电磁振荡能够产生各种波
13、长的电磁波这一发现,直接导致了无线电通信的发明。在赫兹宣布他的发现后不到六年,意大利的马可尼与俄国的波波夫(A.C.,1859-1906)分别实现了无线电远距离传播,并很快投入实际应用。在以后的三四十年间,无线电报、无线电广播、无线电话、传真、电视及雷达等无线电技术像井喷式地涌现出来。近几十年来,又实现了无线电遥控、遥测、卫星通信等。可以说,麦克斯韦电磁理论和赫兹实验为人类开创了一个电子技术的新时代。图1-27 振荡电路产生不同频率的电磁波电压输出瞬时高导线电感输入电容一发展简史无线电远距离传播的应用图1-28 雷达天线图1-29 卫星和基站传递电磁波电磁理论统一过程中的先驱富兰克林库伦奥斯特
14、安培法拉第欧姆麦克斯韦二麦克斯韦电磁理论二麦克斯韦电磁理论1.1.产生的历史背景产生的历史背景到了十九世纪后半叶,工业的发展逐渐地由轻工业向重工业过渡。冶金与采矿、机器制造、化工、交通运输与通讯,以及动力等都经历着重大的技术革新。在这样一个历史时期里,电磁学和其它学科一样,在社会生产力发展的推动下,在当时的生产力水平所能提供的实验设备和保证下,得到了迅速的发展。另一方面,电磁学的发展反过来又对社会生产力的发展,特别是电工和通讯技术的发展,产生了巨大的影响。十九世纪上半叶,继奥斯特、安培、法拉第、楞次等许多人在电磁学领域的发现后,不少物理学家就已提出如何将这些物理学的新成就应用到生产实际的问题中
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