《電磁波基礎(chǔ)及應(yīng)用》沈建其講義 chapter 1introductory

1、1,《電磁波基礎(chǔ)及應(yīng)用》沈建其講義 Chapter 1.Introductory Electromagnetics電磁學(xué)導(dǎo)引(有關(guān)歷史、人物、應(yīng)用和方程),2,關(guān)于講義(教材)、教師與考試的交代,講義(教材)：本課程內(nèi)容（自編ppt講義）：圍繞Maxwell方程講解電磁波基本知識(shí)（沈建其）電磁波在波導(dǎo)中的應(yīng)用（馬云貴）電磁波的現(xiàn)代應(yīng)用與諸專題（何賽靈） 最近十年，根據(jù)課程最早開設(shè)者的意見，本課程《

2、電磁波基礎(chǔ)及應(yīng)用》配備有中文教材：謝處方、饒克謹(jǐn)《電磁場(chǎng)與電磁波》，高等教育出版社。由于十年來，課程《電磁波基礎(chǔ)及應(yīng)用》內(nèi)容一直在變革、任課老師也在不斷變更，且因?qū)W時(shí)關(guān)系及教材語言等因素，我們所講內(nèi)容不一定與謝處方、饒克謹(jǐn)《電磁場(chǎng)與電磁波》書一致，但此書亦可供平時(shí)參考。尤其是，該書內(nèi)容和公式齊備，將來在做研究工作時(shí)，可供案頭備查公式使用。請(qǐng)?jiān)诋厴I(yè)時(shí)不要當(dāng)廢紙賣掉，免暴殄天物、天公垂淚。,3,教師介紹,總設(shè)計(jì)師：何賽靈紫金港 光及電

3、磁波研究中心講授電磁波的現(xiàn)代應(yīng)用與諸專題,聯(lián)系方式：Email：salinghe.hz2@gmail.com,4,教師介紹,沈建其紫金港 光及電磁波研究中心,講授Maxwell方程基本知識(shí),聯(lián)系方式：紫金港東五221，Email：jqshencn@gmail.com電話：13575787091,5,教師介紹,馬云貴紫金港 光及電磁波研究中心講授波導(dǎo)理論等電磁波應(yīng)用,聯(lián)系方式：Email：mayungui@hot

4、mail.com 13906510840,6,關(guān)于本課程的考試,題型為：判斷題、選擇題、簡(jiǎn)答題、計(jì)算證明題。試卷為英文。要求用英文作答, 但用中文作答，不扣分?？傇u(píng)分：卷面分（占70%），平時(shí)分（作業(yè)+點(diǎn)名等，占30%）提醒：要注意平時(shí)分。如果平時(shí)分得滿分（不難），那么卷面分只要拿43即可及格。不及格者，實(shí)在無語……,7,About EM Theory,8,The relationship between th

5、e EM and circuit theories,Circuit theory is an approximate form of EM under the condition of steady and low frequencyCircuit theory: R, L, C, V, IEM theory: to solve the Maxwell equation set (with some boundary and ini

6、tial conditions)Circuit theory cannot be applied to antenna, waveguide, resonant cavity, optical fiber, etc.,,,,,,,,,,,,,,,,,,R,Oscilloscope,Switch,Vs,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,R,Oscilloscope,Metal Plates,Vs,(a),(b),9,The h

7、istory of the EM,In remote antiquity, Cang Jie(倉頡), invented the Chinese characters (see below), which reveal the meanings of electricity and magnetism.,雷擊是指一部分帶電的云層與另一部分帶異種電荷的云層，或者是帶電的云層對(duì)大地間迅猛的放電。,雷甩神鞭，打擊閃電。,10,遠(yuǎn)古倉頡造字，已

8、示電磁本義,：（yao）小也，象子初生之行,：（you）微也，幺之甚也，殆也，神妙也。,：（zi）此也，今也，用草木最精微的東西比喻現(xiàn)在，現(xiàn)在無法把握，瞬息即為過去也,：（ci）石中之精微難見者也，但見作用，不見其形。,,,The history of the EM,11,電磁理論的發(fā)展歷史,遠(yuǎn)古倉頡造字，已示電磁本義,：（chang）從土旦勿，旦為晝，勿為夜，塲為一晝夜之土也。一日浮壞也。與億萬年亙古不變的大地相比瞬息萬變也。電磁場(chǎng)者

9、，電磁之瞬息變化者也。,：（波）水之皮表也，相也，形式也，有水則必有波，電磁波者，電磁傳輸之表象也，依賴場(chǎng)而存在也。,12,In 600B.C, Greek philosopher and mathematician, Thales, discovered the electric phenomenon (amber rubs woolen cloth and can then pick up a piece of feather)A

10、.D.1600, Gilbert repeated Thales’ experiment and denominated it as electricity.A.D.1750, Franklin introduced the concept of positive and negative charges.A.D.1784, a French scientist, Coulomb, studied the electrical f

11、ield force systematically and discovered a law what we now call “Coulomb law”.Note: amber琥珀; woolen毛制的; feather羽毛,The history of the EM,13,電磁理論的發(fā)展歷史,A.D.1790, an Italian anatomist (解剖學(xué)家 ) and physicist, Galvani, discove

12、red the electric current. He placed the metal tweezers(鑷子) on the frog leg and noticed the twitch (抽搐; 痙攣 ) of the leg. A.D.1800, an Italian physicist, Volta, invented the first battery (utilizing the chemical energy to

13、 separate the charges and got the electric potential difference between electrodes).,A.D.1820, André Marie Ampère (1775—1836) discovered the Ampère force law, testifying that current can produce magnetic f

14、ield.,A.D.1831, Michael Faraday (1791—1867) discovered the electromagnetic induction law: the changing magnetic field can produce the electrical field. It is Faraday who invented the first generator in the world.,14,到目前

15、為止，對(duì)于電場(chǎng)而言，靜態(tài)場(chǎng)（static field）包括：靜電場(chǎng)（electrostatic field）與穩(wěn)恒電場(chǎng)（steady field）。靜電場(chǎng)（electrostatic field）與穩(wěn)恒電場(chǎng)（steady field）的區(qū)別在于：前者由靜止的電荷產(chǎn)生，使用Coulomb定律可以作計(jì)算；在金屬導(dǎo)體內(nèi)不存在靜電場(chǎng)（由于靜電屏蔽效應(yīng)，金屬導(dǎo)體是一個(gè)等勢(shì)體，內(nèi)部E=0）。后者可以由電池（如化學(xué)電池等）產(chǎn)生，可以在金屬導(dǎo)

16、體內(nèi)部存在，驅(qū)動(dòng)電荷運(yùn)動(dòng)形成電流，遵守Ohm定律，穩(wěn)恒的電場(chǎng)形成穩(wěn)恒的電流。,注意：靜態(tài)電場(chǎng)與靜態(tài)磁場(chǎng)是獨(dú)立的。靜態(tài)電場(chǎng)的源是靜止的電荷與穩(wěn)定的電壓；靜態(tài)磁場(chǎng)的源是穩(wěn)恒的電流。因?yàn)樗鼈兪歉髯元?dú)立的，所以我們就有靜電學(xué)（electrostatics）與靜磁學(xué)兩門分支學(xué)科。以上是不含時(shí)（time-independent）的理論，屬于庫侖，奧斯特，安培，歐姆等人的貢獻(xiàn)。以下我們將涉及含時(shí)（time-dependent）電場(chǎng)與含時(shí)磁場(chǎng)。

17、這就涉及另兩位人物：Faraday(1791-1867)與Maxwell(1831-1879)。(他們均是英國人，都葬在威斯敏斯特教堂，與牛頓比鄰)我們發(fā)現(xiàn)：含時(shí)的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生（感應(yīng)出）電場(chǎng)，含時(shí)的電場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。前者是Faraday的貢獻(xiàn)（電磁感應(yīng)定律），后者是Maxwell的貢獻(xiàn)（位移電流概念的提出）。變化的電場(chǎng)與變化的磁場(chǎng)互為感應(yīng)與傳播，這就形成了電磁波。,15,磁電統(tǒng)一(人類科學(xué)史第二次偉大的統(tǒng)一)：磁和電在本質(zhì)上是同一事

18、物的兩種體現(xiàn)。在一個(gè)參考系中觀察到的是磁現(xiàn)象，在另一個(gè)參考系中可能觀察到的是電現(xiàn)象。,Jack: fixed in the first coordinate. The current loop produces a steady magnetic field that leads to a magnetic force acting on the moving charge. If the charge stops, the force

19、 vanishes. Thus, Jack draws conclusions that the force results from the magnetic field and that there is no electric field in his system.,16,Jill: fixed in the second coordinate, which moves at velocity v relative to the

20、 first one. She also measures/detects a force (with magnitude being proportional to Q). Jill concludes that the force is electric (rather than magnetic) since the charge is at rest (not moving relative to her). She also

21、notices that in her coordinate system there is a time-dependent magnetic field (since the current loop is moving with respect to her coordinate). Thus Jill’s conclusion is that both electric and magnetic fields exist in

22、her coordinate system.,This, therefore, means that a time-dependent magnetic field is accompanied by an electric field, and vice versa.,17,附錄：人類科學(xué)史的幾次偉大的統(tǒng)一（綜合）,(1)1660年代，牛頓萬有引力定律把天上-人間統(tǒng)一起來。蘋果落地與月球繞地的力是同一種，人類有能力認(rèn)識(shí)宇宙天體。哈雷衛(wèi)

23、星、天王星與海王星的預(yù)言（“筆尖上的發(fā)現(xiàn)”）。(2) 1860年代，麥克斯韋將光、電、磁統(tǒng)一起來。光、電、磁有同一本質(zhì)，是同一事物的各個(gè)體現(xiàn)。蕩氣回腸。(3)19世紀(jì)，熱功當(dāng)量的發(fā)現(xiàn)、能量守恒定律的建立，以及熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)力學(xué)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)了熱的本質(zhì)即為運(yùn)動(dòng)。(4) 1905年，愛因斯坦相對(duì)論，將時(shí)間與空間、物質(zhì)與能量統(tǒng)一起來。重量級(jí)工作。(5)1925-26年，量子力學(xué)，將微觀與宏觀世界統(tǒng)一起來，徹底革新人類對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。(

24、6) 1967-68,溫伯格、薩拉姆弱電統(tǒng)一理論，將弱相互作用與電磁相互作用統(tǒng)一起來，堪與麥克斯韋工作媲美。1974年，大統(tǒng)一理論，將強(qiáng)、弱、電統(tǒng)一起來。超對(duì)稱、超大統(tǒng)一、超引力、超弦、M理論(“萬物的理論”，接近上帝的心靈了？！)……,18,Faraday’s law of electromagnetic induction,（Michael Faraday,1791-1867),19,20,◆Loop cuts the magnet

25、ic lines of force, while the magnetic field does not change 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)包含兩種：動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)和感生電動(dòng)勢(shì)。前者是磁場(chǎng)B不變，但導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)切割磁力線；后者是B本身隨時(shí)間變化。本質(zhì)均是磁通量發(fā)生變化。下圖是動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)示意圖。,Motional electromotive force 動(dòng)生電動(dòng)勢(shì),21,電磁理論的發(fā)展歷史,1865年，英國物理學(xué)家麥克斯韋在

26、電磁學(xué)的三大實(shí)驗(yàn)定律（庫侖定律、畢奧-沙伐定律和法拉第電磁感應(yīng)定律）基礎(chǔ)上，提出了位移電流的基本假設(shè)，歸納總結(jié)出麥克斯韋方程，奠定了宏觀電磁理論的基礎(chǔ)。麥克斯韋方程組給出了電磁場(chǎng)的空間分布和隨時(shí)間變化的全部規(guī)律，預(yù)言了電磁波的存在。,22,電磁理論的發(fā)展歷史,在他的同學(xué)路易斯-坎貝爾為他寫的傳記中如是描寫：“他中等身材，筋骨強(qiáng)壯，步態(tài)矯健，很有力量。穿著得并不幽雅，但使人感到舒適合體。神態(tài)睿智，談吐幽默，常常陷入深沉的思考。面容剛毅，召

27、人喜愛。大眼鏡黑亮，炯炯有神?,坎貝爾說：“他的人格的主要方面是偉大的簡(jiǎn)樸性，為了要認(rèn)識(shí)他，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一種綜合的素質(zhì)，它們獨(dú)立地存在。超凡的謙遜，驚人的深邃，神氣的創(chuàng)造性，這是他的特色。他對(duì)大自然的實(shí)在秩序抱有敬意。,麥克斯韋在彌留之際說的話：“部分與大全之間的關(guān)系在這個(gè)宇宙中無處不在，不論你看到他們還是沒有看到他們，都是一樣的，伴隨我們一生的。在我們個(gè)性后面是更深刻的共性，我們的情感，我們的行為都體現(xiàn)出這一點(diǎn)?！?23,電磁理論的發(fā)展

28、歷史,1888—1889年 Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894)通過實(shí)驗(yàn)證明電磁波的存在，證明了Maxwell理論的正確性。從而導(dǎo)致無線電通信的發(fā)明，展現(xiàn)了電磁場(chǎng)與電磁波應(yīng)用的廣闊前景。,24,電磁理論的發(fā)展歷史,無線電報(bào)（1894年），無線電廣播（1906年），無線電導(dǎo)航（1911年），無線電話（1916年），短波通訊（1921年），無線電傳真（1923年，）電視（1929年），微波通訊（1933年），雷

29、達(dá)（1935年），遙控、遙感、衛(wèi)星通訊、射電天文學(xué)……激光器（1960年）半導(dǎo)體激光器（1962年）光纖（1970年）光纖通信45Mbps（1977年），光纖傳感……,25,電磁理論的發(fā)展歷史,當(dāng)今世界，電子信息系統(tǒng)，不論是通信、雷達(dá)、廣播、電視，還是導(dǎo)航、遙控遙測(cè)，都是通過電磁波傳遞信息來進(jìn)行工作的。 大到宇宙空間的星體輻射，小到集成電路的布線位置都牽涉到電磁場(chǎng)理論的問題?！　】梢哉f，信息技術(shù)就是電磁波技術(shù)，是以它

30、為基礎(chǔ)的。 因此以宏觀電磁理論為基礎(chǔ)，電磁信息的傳輸和轉(zhuǎn)換為核心的電磁場(chǎng)與電磁波工程技術(shù)將充分發(fā)揮其重要作用。下面以無線電通信系統(tǒng)為例來說明。,26,發(fā)射機(jī)末級(jí)回路產(chǎn)生的高頻振蕩電流經(jīng)過饋線送到發(fā)射天線，通過發(fā)射天線將其轉(zhuǎn)換成電磁波輻射出去；到了接收端，電磁波在接收天線上感生高頻振蕩電流，再經(jīng)饋線將高頻振蕩電流送到接收機(jī)輸入回路，這就完成了信息的傳遞。在這個(gè)過程中，經(jīng)歷了電磁波的傳輸、發(fā)射、傳播、接收等過程。,傳輸—導(dǎo)行電