《电磁场与电磁波》第一章.矢量分析解读

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电磁场与电磁波
遥感、遥测
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电磁场与电磁波
磁悬浮列车
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电磁场与电磁波
医疗
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电磁场与电磁波
食品加工
电磁炉
微波炉
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A A e A e Az ez A e A
• 线元矢量
变矢量
dl d e de dzez dl el
• 面元矢量 ds ds e ds e dsz ez ds n • 体积元
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ds ddz ds ddz dsz dd
• 本课程的主要任务：在大学物理（电磁学）的基 础上，进一步论述宏观电磁场的基本概念和基本特 性，要求学生建立场的观念，学会运用场的观点对 宏观电磁现象进行分析和求解。为进一步学习有关 专业课程奠定必要的理论基础。
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电磁场与电磁波
二、电磁场理论的发展简史 • 静电学、静磁学的建立阶段（19世纪前）
电磁学是研究电、磁和电磁的相互作用现象， 及其规律和应用的物理学分支。 电磁学的建立，实际上是人类对早期发现的 一些电磁现象进行的物理解释。如静电吸物、摩 擦生电、磁石相吸、库仑实验等。
电磁作用的机制或本质是什么？即电磁力 是怎么传递的？
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电磁场与电磁波
前言
其中
dsx dydz dsy dxdz dsz dxdy
ex ey ez
• 体积元
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dv dxdydz
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二、柱 坐 标 系 • 坐标变量
0 0 2 z
• 坐标表示
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前言 安培 1820年安培发现放在磁铁附近的载流 导线会受到力的作用，其后又发现载流导线 之间也有相互作用，并提出了著名的Ampere 定律，为电动力学的产生奠定了基础。
法拉第 奥斯特 1820 年发现电流的磁效应 后，法拉第敏锐地意识到，电可以对磁产生 作用，磁也一定能够对电产生影响。1831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，电与磁之间存在着密 切的联系（Faraday定律） 。
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三种常用坐标系 矢量代数 标量场的梯度 矢量场的散度 矢量场的旋度 亥姆霍兹定理
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电磁场与电磁波
1.1
三种常用坐标系
A
一、直 角 坐 标 系
• 坐标变量（x ，y，z） • 坐标表示
A Ax ex Ay e y Az ez A eA
Ax
其中：Ax , Ay , Az 分别是矢量 A 在 ex , ey , ez 方向的投影，称 为矢量 A 的三个相应的坐标分量。 ex , ey , ez 分别表示坐 标轴的三个方向，称为坐标单位矢量。
电磁场与电磁波
电磁场与电磁波
Electromagnetic Fields & Magnetic Wave
韦康 范之国
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电磁场与电磁波
前 言 一
二 三
本课程的地位与主要任务
电磁场理论的发展简史 电磁场理论的主要应用领域
四
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本课程的基本内容与要求
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电磁场与电磁波
前言
• 发现电与磁的联系
18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 是宇宙的活力，是宇宙的灵魂；电、磁、 光、热是相互联系的。 奥斯特是谢林的信徒，他从1807年开始研 究电磁之间的关系。1820年，他发现电流 以力作用于磁针（电流的磁效应）。
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电磁场与电磁波
三种坐标系坐标变量之间的关系
• 柱坐标系与球坐标系的关系
r sin z r cos
z

r

y
z
( x, y , z ) M ( , , z ) (r , , )
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电磁场与电磁波
三、电磁场理论的ຫໍສະໝຸດ Baidu要应用领域
电磁 场的 主要 研究 领域
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作为理论物理学的一个 重要研究分支，主要致 力于统一场理论和微观 量子电动力学的研究。
作为无线电技术的理论 基础，集中于三大类应 用问题的研究。
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电磁场与电磁波
三大类应用问题
♥ 电磁能量便于转换为其它形式的能量，便于远距离输送， 是当今世界最重要的能源，其研究领域涉及电磁能量 的产生、储存、变换、传输和综合利用。 ♥ 电磁波作为信息传输的载体，能在极短的时间内把信号 传送到远方，是当今人类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、传
输、储存、处理、再现和综合利用。 ♥ 电磁波是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互作用特性、目标特征的获取与
重建、探测新技术等。
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电磁场与电磁波
无线电通信
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电磁场与电磁波
雷达
气象雷达 军用雷达
y
x 2 2 2 r x y z x 2 2 x y z 1 sin 1 cos x2 y 2 z 2 x2 y 2 z 2 y y x tg 1 sin 1 cos 1 2 2 2 2 x x y x y
电磁场与电磁波
四、三种坐标系坐标变量之间的关系 • 直角坐标系与柱坐标系的关系
x cos y sin zz
2 2
z

o
r

y
z
( x, y , z ) M ( , , z ) (r , , )
y
x y x y x 1 y 1 1 sin cos tg 2 2 2 2 x x y x y zz
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电磁场与电磁波
电子对抗
美空军E-3“哨兵”预警飞机
中国空警2000预警机
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电磁场与电磁波
高能武器
高 能 微 波 武 器
电磁轨道炮
美机载激光武器
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电磁场与电磁波
原子核物理
y
r 2 z2 x z 1 1 cos sin 2 2 2 2 z z
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x
o
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电磁场与电磁波
五、三种坐标系坐标单位矢量之间的关系 • 直角坐标系与柱坐标系的关系
e cos sin 0 e x e sin cos 0 e y 0 1 ez 0 ez
教育出版社
【3】王家礼，电磁场与电磁波，西安电子科技大
学出版社
【4】王增和，电磁场与电磁波，电子工业出版社 【5】Fawwaz T.Ulaby著，尹华杰译，应用电磁 学基础（第4版），人民邮电出版社
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电磁场与电磁波
第一章
主 要
矢量分析
内 容
1. 2. 3. 4. 5. 6.
若矢量的大小和方向均与空间坐标无关，这种矢量称
为常矢量或常矢。否则称为变矢量。
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电磁场与电磁波
直角坐标系 • 线元矢量
dl dxex dyey dzez dlel
• 面元矢量
ds dsxex dsy ey dsz ez dsn
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电磁场与电磁波
四、对本课程的基本要求 掌握宏观电磁场的基本属性和规律 掌握宏观电磁场问题的基本求解方法 了解宏观电磁场的主要应用领域及其原理 掌握电磁波的概念及其传播特性 培养用场的观念分析问题、解决问题的能力
培养用数学方法解决实际问题的能力
独立完成作业，做好课堂笔记
精读一本教学参考书
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x
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电磁场与电磁波
三种坐标系坐标变量之间的关系
• 直角坐标系与球坐标系的关系
x r sin cos y r sin sin z r cos
z

o
r

y
z
( x, y , z ) M ( , , z ) (r , , )
e e ez
dv ρdρd dz
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电磁场与电磁波
三、球 坐 标 系
• 坐标变量
0 r 0θ π 0 2π
• 坐标表示
A Ar er Aθ eθ A e A e A
• 线元矢量
dl drer rdθeθ rsinθdeφ dl el
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电磁场与电磁波
• 宏观电磁场理论的建立
麦克斯韦 1865年，英国物理学家麦克斯 韦（ J.C.Maxwell 1831-1879) 在前人实践 和理论的基础上，总结出宏观电磁现象的 一般规律 —— 麦克斯韦方程组，并于 1873 年发表了详述该理论的《电磁学通论》。 其核心思想是：变化的电场能产生磁场， 与变化的磁场产生电场相对应。并预言了 电磁波的存在。 在 1888年赫兹用实验方法证实了电磁波的 存在后，麦克斯韦方程组成为经典电动力 学的公理，麦克斯韦成为宏观电磁场理论 的奠基人。
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电磁场与电磁波
本课程的学时安排
矢量分析 静态电场理论 恒定磁场理论 静态场边值问题 时变电磁场理论 电磁波基本理论
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6 学时 12 学时 8 学时 8 学时 10 学时 12 学时
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电磁场与电磁波
主要教学参考书
【1】 孙玉发等，电磁场与电磁波，合肥工业大学 出版社 【2】谢处方，电磁场与电磁波（第四版），高等
e x cos sin 0 e e sin cos 0 e y 0 1 ez 0 ez
欧洲大型强子对撞机
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电磁场与电磁波
受控热核聚变
中国自行研制的全超导托卡马克EAST核聚变实验装置
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电磁场与电磁波
射电天文学
北京天文台密云观测站
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电磁场与电磁波
航空、航天
• 面元矢量
ds dsr er dsθ eθ ds e ds n
• 体积元
dsr r 2 sinθdθd ds rsinθdrd ds rdrdθ
er eθ e
dv r 2 sin drd d
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超距作用

与
近距作用
近距作用：认为宇宙间充满着一种不可见 的流质“以太”，起着力的传递作用。 超距作用：认为电荷之间存在“超距力”， 这种力的传递不需时间，是一种能超越一无 所有空间的作用力。 这一阶段，电、磁现象是作为两个独立 的物理现象分别进行研究的，当时还没有发 现电与磁的联系。这些早期的研究为电磁学 理论的建立奠定了基础。
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电磁场与电磁波
一、本课程的地位与主要任务
• 《电磁场与电磁波》课程是电子信息类本科各专 业学生必修的一门核心基础课，它所涉及的内容是 电子信息类本科学生知识结构的必要组成部分。 • 电子信息类本科各专业许多主要课程的核心内容 都是宏观电磁现象在特定条件下的具体表现。同时， 电磁场理论也是一些交叉学科和边缘学科发展的理 论基础之一。