第一讲--电磁场基本问题及其应用发展介绍.ppt

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1、2023/3/3 1工程电磁场导论静电场恒定电场恒定磁场导 言矢量分析与场论基础时变电磁场、准静态场（介绍）2023/3/3 2课程导言二、电磁场理论发展三、电磁场理论应用一、电磁场（理论）科学内涵四、学习目的、要求和安排2023/3/3 3一一、电磁场理论的科学内涵、电磁场理论的科学内涵1.1 电气工程学科理论核心；电磁能量的生产及转换 电磁能量的传输与储存 电磁场能的开发和利用2023/3/3 4 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。电电磁磁场场理理论论 作为电类专业的理论基 础和专业技术，集中于三大类应用问题的研究。1.21.2 电磁场理

2、论的科学内涵电磁场理论的科学内涵工程电磁场电磁学2023/3/3 51.3 1.3 工程电磁场研究内容或应用问题工程电磁场研究内容或应用问题电电磁磁场场（或或电电磁磁波波）作作为为能能量量的的一一种种形形式式，是是当当今今世世界界最最重重要要的的能能源源，其其研研究究领领域域涉涉及及电电磁磁能能量量的的产产生生、储存、变换、传输和综合利用。储存、变换、传输和综合利用。电磁力悬浮系统电磁力悬浮系统EMSEMS系统（系统（Electromagnetic suspensionElectromagnetic suspension）电动力悬浮系统电动力悬浮系统EDSEDS系统（系统（Electrodyn

3、amic suspensionElectrodynamic suspension）电电磁磁波波作作为为信信息息传传输输的的载载体体，成成为为当当今今人人类类社社会会发发布布和和获获取取信信息息的的主主要要手手段段，主主要要研研究究领领域域为为信信息息的的产产生生、获取、交换、传输、储存、处理、再现和综合利用。获取、交换、传输、储存、处理、再现和综合利用。电电磁磁波波作作为为探探测测未未知知世世界界的的一一种种重重要要手手段段，主主要要研研究究领领域域为为电电磁磁波波与与目目标标的的相相互互作作用用特特性性、目目标标特特征征的的获获取取与与重重建建、探探测测新新技技术术等等。（世界最大的射电望远

4、镜，贵州，直径500米，2016年9月）2023/3/3 6什么是场？电磁场的实质是什么？载流线圈的磁场如何产生？电容器如何储能？一段导线如何发射或接收信号？电磁场在空间如何传播？能量如何沿导线传输和以波形式传输？电磁场理论学习除了回答这些简单问题外，对于理解电气工程中发生的许多现象也是极其重要的，比如集成电路、印制电路板的可靠性分析，电器设备绝缘可靠性试验分析，电（磁）能转换应用中的效能分析等。1.4 1.4 问题问题2023/3/3 7电磁场属性与运动规律场与媒质（物质）的相互作用电磁场系统的计算与仿真电磁能的开发与利用新器件与系统的开发电磁场与波的其它应用1.5 1.5 电磁场研究的对象

5、与内容电磁场研究的对象与内容2023/3/3 8理论体系严谨、科学理论内容抽象看不见，摸不着看不见，摸不着理论复杂时域、频域、空域、极化时域、频域、空域、极化要求有较强的逻辑推理能力立足于宏观电磁关系，场的积分形式为主应用非常广泛1.6 1.6 电磁场理论课特点电磁场理论课特点2023/3/3 9电类专业基础课以经典理论为主，结合电类工程问题，既是专业基础课，又是专业（技术）课突出专业基础课的基础性，强调基本概念、基本规律和电磁场的基本分析计算方法注重电磁场理论的应用性和实践性，重视工程问题的建模和定性分析以电磁场微分形式为主强调专业课的功能，加强计算能力的训练，以便妥善处理工程电磁场问题直接

6、为电气工程专业提供解决电磁场问题的方法1.7 1.7 电磁场专业课特点电磁场专业课特点2023/3/3 10 电、磁现象是大自然最重要的现象，也是最早被关注和研究的物理现象，其中贡献大的科学家有富兰克林富兰克林(避雷针)、伏打伏打（伏特）、沈括沈括、哥伦布哥伦布等。方家以磁石磨针锋，则能指南，然常偏东，不全南也。方家以磁石磨针锋，则能指南，然常偏东，不全南也。沈括沈括 梦溪笔谈梦溪笔谈 磁偏角现象，西方1492年哥伦布哥伦布发现，比沈括沈括晚了400多年。19世纪之前，电、磁为两个独立的物理现象被单独研究。二、二、电磁场理论的发展电磁场理论的发展2.1 电磁场理论的早期发展电磁场理论的早期发展

7、2023/3/3 11 18世纪末期，德国哲学家谢林谢林提出“电是宇宙的活力和灵魂”，“电、磁、光、热是相互联系的”观点。其信徒奥斯特奥斯特1807年开始研究电与磁之间的关系，1820年发现电流以力作用于磁针。安培安培发现作用力的方向和电流的方向以及磁针到通有电流的导线的垂直方向相互垂直，并建立了定量计算电流作用力的数学公式。揭示了电流与磁之间密切的联系。二、二、电磁场理论的发展电磁场理论的发展2.2 电磁场理论的建立电磁场理论的建立2023/3/3 12 法拉第法拉第相信“电、磁、光、热是相互联系的”观点。奥斯奥斯特特1820年发现电流以力作用于磁针后，法拉第法拉第敏锐地意识到磁也一定能对电

8、产生影响。1821年他开始探索研究磁生电的实验，经过十年研究，于1831年他发现：当磁棒插入导体线圈后，导体线圈中就产生电流。这表明：电和磁之间存在着密切的联系。一定质量物体之间具有吸引力称为万有引力万有引力。万有引力万有引力解释为带电粒子高速形成的磁场力。2016年2月11日，Ligo(激光干涉引力波天文台)探测到距离地球13亿光年的两个黑洞并合产生的引力波引力波二、二、电磁场理论的发展电磁场理论的发展2.2 电磁场理论的建立电磁场理论的建立2023/3/3 13 麦克斯韦麦克斯韦深入研究了电与磁之间相互联系问题。在法拉第实验的基础上，总结了宏观电磁现象的基本规律，引入位移电流的概念，提出了

9、描述电磁现象的规律的偏微分方程，即麦克斯韦方程组，建立了宏观经典的电磁场理论。麦克斯韦麦克斯韦研究电磁场重要时间表：1855年，开始致力于电磁学的研究 1864年，“电磁场的动力学理论”发表 1873年，“电磁通论”著作完成，经典宏观的电磁场理论建立。二、二、电磁场理论的发展电磁场理论的发展2023/3/3 14 电磁场理论电磁场理论光速不变原理光速不变原理 光速不变原理光速不变原理由联合求解麦克斯韦方程麦克斯韦方程得到，是爱因爱因斯坦斯坦创立狭义相对论的基本出发点：光速不变原理：光速不变原理：真空中的光速对任何惯性系中的观测者来说都相同，不随光源和观测者所在参考系的相对运动而改变。物体高速运

10、动时将发生尺短钟慢的现象，当物体速度达到光速时，物体沿空间方向的尺度会缩短为零，时间会慢到停止。二、二、电磁场理论的发展电磁场理论的发展2.3 电磁场理论的发展电磁场理论的发展2023/3/3 15 德国科学家赫兹赫兹1887年用火花隙激励一个环状天线，用另一个带隙的环状天线接收，证实了麦克斯韦麦克斯韦关于电磁波存在的预言。这一重要实验导致了后来无线电报的发明，从此开始了电磁场与电磁波理论的应用与发展时代。l无线电报（无线电报（telegraphtelegraph）：1895年，马可尼马可尼进行2.5公里无线 电报传送；1896年，波波夫波波夫进行250米无线电报传送试验；1899年，跨越英吉

11、利海峡的电报传送实验成功；1901年，跨越大西洋3200公里的电报传送实验成功。二、二、电磁场理论的发展电磁场理论的发展2.4 电磁场理论的发展与应用研究电磁场理论的发展与应用研究2023/3/3 16l有线电话（有线电话（telephonetelephone）：1876年,美国科学家贝尔贝尔在美国建国100周年博览会上展示了他所发明的有线电话。l广播（广播（broadcastingbroadcasting）;1906年,美国费森登费森登用50千赫的发电机作发射机，用微音器接入天线作为调制，使大西洋航船上的报务员听到了广播播出的音乐，1919年第一个无线广播电台在英国建立。l电视电视(tele

12、vision set(television set）：1884年，德国尼普科夫尼普科夫提出机械扫描电视；兹沃霄金兹沃霄金在1923年和1924年相继发明了摄像管和显像管；1931年，世界上第一个全电子电视系统出现。二、二、电磁场理论的发展电磁场理论的发展2.4 电磁场理论的发展与应用研究电磁场理论的发展与应用研究2023/3/3 17l雷达（雷达（RadarRadar）：雷达英文Radar是Radio Detection and Ranging 的缩写，意思是无线电探测和测距。1922年,马可尼发表无线电波能检测物体的论文，是雷达最早的概念。雷达作为一种探测目标的电子设备，产生于二次世界大战。

13、1936年，英国设计的警戒雷达投入运行；1938年，美国研制成第一部炮火控制雷达；1940年，微波雷达出现；1944年，自动跟踪飞机的雷达研制成功；1945年，显示运动目标的显示技术发明。二、二、电磁场理论的发展电磁场理论的发展2.4 电磁场理论的发展与应用研究电磁场理论的发展与应用研究2023/3/3 18l卫星通信（卫星通信（Satellite communicationSatellite communication）：1958年，美国低轨“探险者”卫星发射成功；1964年，同步卫星通信实现了三大洲的通信；1965年，第一颗商用定点同步卫星投入运行；1969年，卫星通信发展趋于成熟。l卫星

14、定位技术（卫星定位技术（Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System _GPSPositioning System _GPS）1957年，卫星发射成功后，以卫星为基地的对地球表面及近地空间目标的定位和导航成为可能。二、二、电磁场理论的发展电磁场理论的发展2.4 电磁场理论的发展与应用研究电磁场理论的发展与应用研究2023/3/3 19l卫星定位技术（卫星定位技术（Navigation Satellite Timing

15、 and Ranging/Global Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System _GPSPositioning System _GPS）1958年，美国开始研究实施这一计划，1964年研究成功子午仪卫星导航系统。1973年美国提出了由24颗星组成的GPS计划。l北斗定位系统：北斗定位系统：北斗系统是我国建立的区域导航定位系统。北斗一代以运行，北斗二代2011年完成系统组网，基本具备运行能力，2020年完成建设任务。二、二、电磁场理论的发展电磁场理论的发展2.4 电磁场理论的发展与应用研究电磁场理论的发展

16、与应用研究2023/3/3 20三、电磁场理论应用三、电磁场理论应用3.1 3.1 电磁场（与电磁波）的基本应用电磁场（与电磁波）的基本应用 当今的无线通信、广播、当今的无线通信、广播、雷达雷达、遥控遥测、微波遥、遥控遥测、微波遥感、无线因特网、无线局域网、感、无线因特网、无线局域网、卫星定位卫星定位以及光纤通信以及光纤通信等信息技术都是利用电磁波作为媒介传输信息的。等信息技术都是利用电磁波作为媒介传输信息的。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

17、以以及及磁磁悬悬浮浮列列车车等等，都都是是利利用用磁场力的作用。磁场力的作用。2023/3/3 213.2 电磁问题电磁问题静电干扰问题静电干扰问题(大气静电、高压静电、绝缘及绝缘材料）大气静电、高压静电、绝缘及绝缘材料）电磁辐射干扰问题（各种电气或无线电设备发射的辐射电磁辐射干扰问题（各种电气或无线电设备发射的辐射电磁场对处于场内其它电气和电子设备的干扰）电磁场对处于场内其它电气和电子设备的干扰）电磁环境问题（各种电磁场及波对环境和人体的影响）电磁环境问题（各种电磁场及波对环境和人体的影响）需要研究和发展各种电磁环境中的电磁兼容技术需要研究和发展各种电磁环境中的电磁兼容技术.2023/3/3

18、 223.3 电磁场与波应用研究热点电磁场与波应用研究热点l 电机技术电机技术 1870年比利时工程师格拉姆格拉姆发明了直流发电机。1 1888年南斯拉夫出生的美国发明家特斯拉特斯拉发明了交流电动机。1902年瑞典工程师丹尼尔森丹尼尔森首先提出同步电动机构想。就在法拉第法拉第发现电磁感应原理的第二年(1832年），法国人皮克希皮克希应用电磁感应原理制成了最初的发电机。1867 年，德国发明家韦纳韦纳冯冯西门子西门子对发电机提出了重大改进。他利用电磁铁替代永磁体产生磁场，使磁力增强，产生强大的电流。2023/3/3 23l雷达技术（雷达技术（Radio Detection and Ranging

19、Radio Detection and Ranging）在整个第二次世界大战期间,雷达成了电磁场理论最活跃的部分。l卫星定位技术卫星定位技术 （GPSGPS）l电磁兼容技术电磁兼容技术 （EMCEMC）EMC(electromagnetic compatibility)电磁兼容指的是一个产品和其它产品共存于特定的电磁环境中，而不会引起其它产品或者自身性能下降或损坏的能力。3.3 电磁场与波应用研究热点电磁场与波应用研究热点2023/3/3 243.4 3.4 电磁场理论的进一步发展电磁场理论的进一步发展 以上新技术的广泛应用又促进了电磁理论的发展。由此以上新技术的广泛应用又促进了电磁理论的发展

20、。由此创建了很多分析电磁场与波的新方法，研制了很多电磁性能创建了很多分析电磁场与波的新方法，研制了很多电磁性能优越的新材料。特别是随着大容量的高性能及高速度计算机优越的新材料。特别是随着大容量的高性能及高速度计算机出现，不但解决了很多电磁理论的计算问题，同时也萌生了出现，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与波的新方法，从而形成计算电磁场与波的新方法，从而形成计算电磁学（数值解）计算电磁学（数值解）的新学科，它是当今电磁学的重要分支。的新学科，它是当今电磁学的重要分支。如有限差分法、如有限差分法、有限元法、矩量法等有限元法、矩量法等 。另一个具有魅力的研究主题是被电磁场干扰

21、的气态另一个具有魅力的研究主题是被电磁场干扰的气态等离等离子体子体。2023/3/3 25四、学习目的、要求及学习安排四、学习目的、要求及学习安排4.1.4.1.学习目的与要求学习目的与要求掌握宏观电磁场的基本属性与运动规律掌握宏观电磁场的基本属性与运动规律掌握宏观电磁场问题的基本分析方法掌握宏观电磁场问题的基本分析方法了解宏观电磁场的主要应用领域及原理了解宏观电磁场的主要应用领域及原理训练分析、归纳和提炼工程电磁问题的方法训练分析、归纳和提炼工程电磁问题的方法训练用数学工具解决工程电磁问题的能力训练用数学工具解决工程电磁问题的能力独立认真完成作业。上课不缺课，不迟到不早退，独立认真完成作业。

22、上课不缺课，不迟到不早退，不玩手机，上课不走动，做好课堂记录不玩手机，上课不走动，做好课堂记录2023/3/3 26四、学习目的、要求及安排四、学习目的、要求及安排4.2 4.2 学习安排学习安排 讲解矢量分析及书本前三章内容，讲到恒定磁场一章，讲解矢量分析及书本前三章内容，讲到恒定磁场一章，介绍时变电磁场和与工程联系的准静态场。课程采取考介绍时变电磁场和与工程联系的准静态场。课程采取考试形式，成绩为试卷和平时成绩分别为试形式，成绩为试卷和平时成绩分别为70%70%和和30%30%。4.3.4.3.参考书目参考书目 冯慈璋、马西奎，工程电磁场导论，高等教育出版社冯慈璋、马西奎，工程电磁场导论，高等教育出版社 2023/3/3 27B2 隐形轰炸机隐形轰炸机 i r反 射 定 律 的 应 用2023/3/3 28 全全 球球 定定 位位 系系 统统 Global Positioning System(GPS)信 息 载 体 的 应 用 人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。