标量场的梯度.ppt
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1、 电 磁 场 理 论 Electromagnetic Theory 武汉大学 柯亨玉第一讲序序 论论 一、电磁场理论的主要研究领域一、电磁场理论的主要研究领域 二、电磁场理论的发展简史二、电磁场理论的发展简史 三、电磁场理论的主要研究对象三、电磁场理论的主要研究对象四、学习的目的、方法及要求四、学习的目的、方法及要求 理论物理论物理学的理学的分支分支电磁电磁场理场理论的论的主要主要研究研究领域领域 无线电无线电技术理技术理论基础论基础一、电磁场理论的主要研究领域一、电磁场理论的主要研究领域致力于电磁场的物理属致力于电磁场的物理属性、统一场理论、微观性、统一场理论、微观量子电动力学等的研究量子电
2、动力学等的研究致力于电磁场与物质的致力于电磁场与物质的相互作用,新的信息传相互作用,新的信息传输系统、器件和信息处输系统、器件和信息处理与利用的新技术研究理与利用的新技术研究电气工电气工程学科程学科的核心的核心致力于电磁场能量的产致力于电磁场能量的产生、传输、转换、储存生、传输、转换、储存和应用的研究和应用的研究 三大类应用问题三大类应用问题 电磁场(或电磁波)作为能量的一种形电磁场(或电磁波)作为能量的一种形 式,是当今世界最重要的能源,其研究式,是当今世界最重要的能源,其研究 领域涉及电磁能的产生、储存、变换、领域涉及电磁能的产生、储存、变换、传输和综合利用传输和综合利用 电磁波作为信息传
3、输的载体,成为当今电磁波作为信息传输的载体,成为当今 社会发布和获取信息的主要手段,主要社会发布和获取信息的主要手段,主要 研究领域为信息的产生、获取、交换、研究领域为信息的产生、获取、交换、传输、储存、处理、再现和综合利用传输、储存、处理、再现和综合利用 电磁波作为探测未知世界的一种重要手电磁波作为探测未知世界的一种重要手 段,主要研究领域为电磁波与目标的相段,主要研究领域为电磁波与目标的相 互作用特性、目标探测及其特征的获取互作用特性、目标探测及其特征的获取二、磁场理论发展简史二、磁场理论发展简史 1 1电磁场理论的早期研究电磁场理论的早期研究 电、磁现象是大自然最重要的物理现象,也最早电
4、、磁现象是大自然最重要的物理现象,也最早 被科学家们关心和研究的物理现象,其中贡献最被科学家们关心和研究的物理现象,其中贡献最 大的有来顿、富兰克林、伏打等科学家。大的有来顿、富兰克林、伏打等科学家。1919世纪以前,电、磁现象作为两个独立的物理现世纪以前,电、磁现象作为两个独立的物理现 象来研究,因而发现电与磁的联系。但是这些研象来研究,因而发现电与磁的联系。但是这些研究为电磁学理论的建立奠定了基础。究为电磁学理论的建立奠定了基础。2 2电磁场理论的建立电磁场理论的建立1818世纪末期,德国哲学家谢林认为,宇宙是世纪末期,德国哲学家谢林认为,宇宙是有活力的,而不是僵死的。他认为电就是宇有活力
5、的,而不是僵死的。他认为电就是宇宙的活力,是宇宙的灵魂;电、磁、光、热宙的活力,是宇宙的灵魂;电、磁、光、热是相互联系的。是相互联系的。奥斯特是谢林的信徒,他从奥斯特是谢林的信徒,他从18071807年开始研究年开始研究电磁之间的关系。电磁之间的关系。18201820年,他发现电流以力年,他发现电流以力作用于磁针。作用于磁针。安培发现作用力的方向和电流的方向以及磁针到通安培发现作用力的方向和电流的方向以及磁针到通过电流的导线的垂直线方向相互垂直,并定量建立过电流的导线的垂直线方向相互垂直,并定量建立了若干数学公式。了若干数学公式。法拉第相信电、磁、光、热是相互联系的。奥斯特法拉第相信电、磁、光
6、、热是相互联系的。奥斯特18201820年发现电流以力作用于磁针后,法拉第敏锐地年发现电流以力作用于磁针后,法拉第敏锐地意识到磁也一定能够对电产生影响。意识到磁也一定能够对电产生影响。18211821年他开始年他开始探索磁生电的实验。探索磁生电的实验。18311831年他发现,当磁捧插入导年他发现,当磁捧插入导体线圈时;导线圈中就产生电流。这表明,电与磁体线圈时;导线圈中就产生电流。这表明,电与磁之间存在着密切的联系。之间存在着密切的联系。麦克斯韦深入研究并探讨了电与磁之间发麦克斯韦深入研究并探讨了电与磁之间发 生作用的问题,发展了场的概念。在法拉生作用的问题,发展了场的概念。在法拉 第实验的
7、基础上,总结了宏观电磁现象的第实验的基础上,总结了宏观电磁现象的 规律,引进位移电流的概念,提出了一组规律,引进位移电流的概念,提出了一组 描述电磁现象规律的偏微分方程,即麦克描述电磁现象规律的偏微分方程,即麦克 斯韦方程组,是宏观电磁学的基本方程。斯韦方程组,是宏观电磁学的基本方程。3 3电磁场理论的应用和发展电磁场理论的应用和发展 18871887年,德国科学家赫兹用火花隙激励一年,德国科学家赫兹用火花隙激励一个环状天线,用另一个带隙的环状天线接个环状天线,用另一个带隙的环状天线接收,证实了麦克斯韦关于电磁波存在的预收,证实了麦克斯韦关于电磁波存在的预言,这一重要的实验导致了后来无线电报言
8、,这一重要的实验导致了后来无线电报的发明。从此开始了电磁场理论应用与发的发明。从此开始了电磁场理论应用与发展时代,成为当代最活跃的学科领域展时代,成为当代最活跃的学科领域无线电报无线电报 18951895年,意大利人马可尼成功地进行了年,意大利人马可尼成功地进行了2.52.5公里公里距离的无线电报传送实验。距离的无线电报传送实验。18961896年,波波夫进行年,波波夫进行了约了约250250米距离的类似试验米距离的类似试验,1899,1899年年,无线电报跨无线电报跨越英吉利海峡的试验成功;越英吉利海峡的试验成功;19011901年,跨越大西洋年,跨越大西洋的的32003200公里距离的试验
9、成功。开始了利用电磁波公里距离的试验成功。开始了利用电磁波进行信息传输的时代。马可尼以其在无线电报等进行信息传输的时代。马可尼以其在无线电报等领域的成就,获得领域的成就,获得19091909年的诺贝尔奖。年的诺贝尔奖。有线电话有线电话 18761876年年,美国科学家贝尔在美国建国美国科学家贝尔在美国建国100100 周年博览会上展示了他所发明周年博览会上展示了他所发明 的有线电的有线电 话。此后话。此后,有线电话便迅速普及开来。有线电话便迅速普及开来。广播广播 19061906年,美国人费森登用年,美国人费森登用5050千赫频率发电机作发射千赫频率发电机作发射 机,用微音器接入天线实现调制,
10、使大西洋航船机,用微音器接入天线实现调制,使大西洋航船 上的报务员听到了他从波士顿播出的音乐。上的报务员听到了他从波士顿播出的音乐。19191919 年,第一个定时播发年,第一个定时播发 语言和音乐的无线电广播电语言和音乐的无线电广播电 台在英国建成。次年,在美国的匹兹堡城又建成台在英国建成。次年,在美国的匹兹堡城又建成 一座无线电广播电台。一座无线电广播电台。电视电视 18841884年,德国人尼普科夫提出机械扫描电视的设年,德国人尼普科夫提出机械扫描电视的设 想,想,19271927年,英国人贝尔德成功地用电话线路把年,英国人贝尔德成功地用电话线路把 图像从伦敦传至大西图像从伦敦传至大西
11、洋中的船上。兹沃霄金在洋中的船上。兹沃霄金在 19231923年和年和19241924年相继发明了摄像管和显像管。年相继发明了摄像管和显像管。19311931年,世界上年,世界上 第一个全电子电视系统出现。第一个全电子电视系统出现。雷达(雷达(Radio Detection and RangingRadio Detection and Ranging)1922年,意大利科学家G马可尼发表了无 线电波能检测物体的论文,是雷达最早的 基本概念。雷达作为一种探测目标的电子 设备,产生于二次世界大战。雷达的英文 RADARRADAR是Radio Detection And Ranging的 缩写,意为
12、“无线电探测和测距”。19361936年,英国的瓦特设计的警戒雷达最先投入了运年,英国的瓦特设计的警戒雷达最先投入了运行。有效地警戒了来自德国的轰炸机。行。有效地警戒了来自德国的轰炸机。19381938年,美年,美国研制成第一部能指挥火炮射击的火炮控制雷达。国研制成第一部能指挥火炮射击的火炮控制雷达。19401940年,多腔磁控管的发明,微波雷达的研制成为年,多腔磁控管的发明,微波雷达的研制成为可能。可能。19441944年,自动跟踪飞机的雷达研制成功,年,自动跟踪飞机的雷达研制成功,19451945年,能消除背景干扰显示运动目标的显示技术年,能消除背景干扰显示运动目标的显示技术发明发明,使雷
13、达更加完善。在整个第二次世界大战期使雷达更加完善。在整个第二次世界大战期间间,雷达成了电磁场理论最活跃的部分。雷达成了电磁场理论最活跃的部分。卫星通信技术卫星通信技术 19581958年年,美国发射低轨的美国发射低轨的“斯科尔斯科尔”卫星成功卫星成功,这这是第一颗用于通信的试验卫星。是第一颗用于通信的试验卫星。19641964年年,借助定点借助定点的同步通信卫星首次实现了美、的同步通信卫星首次实现了美、欧、非三大洲的欧、非三大洲的通信和电视转播。通信和电视转播。19651965年年,第一颗商用定点同步卫第一颗商用定点同步卫星投入运行。星投入运行。19691969年年,大西洋、太平洋和印度洋上大
14、西洋、太平洋和印度洋上空均已有定点同步通信卫星空均已有定点同步通信卫星,卫星地球站已遍布世卫星地球站已遍布世界各国,这些卫星地球站又和本国或本地区的通信界各国,这些卫星地球站又和本国或本地区的通信 网接通。卫星通信经历网接通。卫星通信经历1010年的发展终趋于成熟年的发展终趋于成熟。卫星定位技术卫星定位技术 (Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System GPS 1957年卫星发射成功后,以卫星为基地对地球表 面及近地空间目标的定位和导航成为可能。1958 年底,美国开始研究实施这一计划,于1964年研 究成
15、功子午仪卫星导航系统。1973年美国提出了 由24颗卫星组成的实用系统新方案,即GPS计 划,1990年最终的GPS方案是由21颗工作卫星和 3颗在轨备用卫星组成。三、电磁场理论的主要研究对象三、电磁场理论的主要研究对象 电磁场的基本属性及其运动规律电磁场的基本属性及其运动规律 场与物质的相互作用及信息的提取场与物质的相互作用及信息的提取 电磁场系统的计算方法,仿真技术电磁场系统的计算方法,仿真技术 工程技术应用中的电磁场理论问题工程技术应用中的电磁场理论问题四、学习的目的、方法及其要求四、学习的目的、方法及其要求 掌握宏观电磁场的基本属性和运动规律掌握宏观电磁场问题的基本求解方法了解宏观电磁
16、场的主要应用领域及其原理训练分析问题、归纳问题的科学方法培养用数学解决实际问题的能力独立完成作业,做好课堂笔记精读一至二本教学参考书五、主要参考书五、主要参考书【1】J.D.Kraus,Electromagnetism with Application(Fifth Edition)【2】毕德显,电磁场理论,电子工业出版社【3】郭硕鸿,电动力学(第二版)【4】王蔷等,电磁场理论基础,清华大学出版社【5】谢处方,电磁场与电磁波,高等教育出版社第一章第一章 矢量分析与场论基础矢量分析与场论基础主要内容主要内容:矢量的基本概念、代数运算、矢量分析基础、场论基础(梯度、矢量场的散度和旋度)、矢量场的He
17、lmholtz定理第二讲1.1 1.1 正交曲线坐标系正交曲线坐标系1.1.正交曲线坐标正交曲线坐标 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。该三条正交曲线组成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 1.1 1.1 正交曲线坐标系正交曲线坐标系2.2.正交曲线坐标变换正交曲线坐标变换 三维空间中同一位置三维空间中同一位置 可以用不同的正交曲可以用不同的正交曲 线坐标系描述。因此线坐标系描述。因此 不同坐标系之间存在不同坐标系之间存在 相互变换的关系,且相互变换的关系,且 这种变换关系只能是这种变换关系只能是 一一对
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