《电磁波基础及应用》沈建其讲义 Chapter 1. Introductory Electromagnetics 电磁学导引 ( 有关历史、人物、应用和方程 )

《电磁波基础及应用》沈建其讲义 Chapter 1. Introductory Electromagnetics 电磁学导引 (有关历史、人物、应用和方程)

关于讲义(教材)、教师与考试的交代 讲义(教材)：本课程内容（自编ppt讲义）：围绕Maxwell方程讲解电磁波基本知识（沈建其）电磁波在波导中的应用（马云贵）电磁波的现代应用与诸专题（何赛灵）最近十年，根据课程最早开设者的意见，本课程《电磁波基础及应用》配备有中文教材：谢处方、饶克谨《电磁场与电磁波》，高等教育出版社。由于十年来，课程《电磁波基础及应用》内容一直在变革、任课老师也在不断变更，且因学时关系及教材语言等因素，我们所讲内容不一定与谢处方、饶克谨《电磁场与电磁波》书一致，但此书亦可供平时参考。尤其是，该书内容和公式齐备，将来在做研究工作时，可供案头备查公式使用。请在毕业时不要当废纸卖掉，免暴殄天物、天公垂泪。

教师介绍 总设计师：何赛灵紫金港光及电磁波研究中心讲授电磁波的现代应用与诸专题联系方式： Email：salinghe.hz2@gmail.com

教师介绍 沈建其紫金港光及电磁波研究中心讲授Maxwell方程基本知识联系方式：紫金港东五221，Email：jqshencn@gmail.com 电话：13575787091

教师介绍 马云贵紫金港光及电磁波研究中心讲授波导理论等电磁波应用联系方式： Email：mayungui@hotmail.com 13906510840

关于本课程的考试 题型为：判断题、选择题、简答题、计算证明题。试卷为英文。要求用英文作答, 但用中文作答，不扣分。总评分：卷面分（占70%），平时分（作业+点名等，占30%）提醒：要注意平时分。如果平时分得满分（不难），那么卷面分只要拿43即可及格。不及格者，实在无语……

概述 About EM Theory

概述 The relationship between the EM and circuit theories Circuit theory is an approximate form of EM under the condition of steady and low frequency • Circuit theory: R, L, C, V, I • EM theory: to solve the Maxwell equation set (with some boundary and initial conditions) • Circuit theory cannot be applied to antenna, waveguide, resonant cavity, optical fiber, etc. Metal Plates Switch R Vs R Vs Oscilloscope Oscilloscope (b) (a)

概述 The history of the EM • In remote antiquity, Cang Jie(仓颉), invented the Chinese characters (see below), which reveal the meanings of electricity and magnetism. 雷击是指一部分带电的云层与另一部分带异种电荷的云层，或者是带电的云层对大地间迅猛的放电。雷甩神鞭，打击闪电。

概述 The history of the EM • 远古仓颉造字，已示电磁本义：（yao）小也，象子初生之行：（you）微也，幺之甚也，殆也，神妙也。：（ci）石中之精微难见者也，但见作用，不见其形。：（zi）此也，今也，用草木最精微的东西比喻现在，现在无法把握，瞬息即为过去也

概述电磁理论的发展历史 • 远古仓颉造字，已示电磁本义：（chang）从土旦勿，旦为昼，勿为夜，塲为一昼夜之土也。一日浮坏也。与亿万年亘古不变的大地相比瞬息万变也。电磁场者，电磁之瞬息变化者也。：（波）水之皮表也，相也，形式也，有水则必有波，电磁波者，电磁传输之表象也，依赖场而存在也。

概述 The history of the EM • 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.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 field force systematically and discovered a law what we now call “Coulomb law”. Note: amber琥珀; woolen毛制的; feather羽毛

概述电磁理论的发展历史 • A.D.1790, an Italian anatomist (解剖学家) and physicist, Galvani, discovered the electric current. He placed the metal tweezers(镊子) on the frog leg and noticed the twitch (抽搐; 痉挛 ) of the leg. • A.D.1800, an Italian physicist, Volta, invented the first battery (utilizing the chemical energy to 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 field. • 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.

到目前为止，对于电场而言，静态场（static field）包括：静电场（electrostatic field）与稳恒电场（steady field）。静电场（electrostatic field）与稳恒电场（steady field）的区别在于：前者由静止的电荷产生，使用Coulomb定律可以作计算；在金属导体内不存在静电场（由于静电屏蔽效应，金属导体是一个等势体，内部E=0）。后者可以由电池（如化学电池等）产生，可以在金属导体内部存在，驱动电荷运动形成电流，遵守Ohm定律，稳恒的电场形成稳恒的电流。 • 注意：静态电场与静态磁场是独立的。静态电场的源是静止的电荷与稳定的电压； • 静态磁场的源是稳恒的电流。因为它们是各自独立的，所以我们就有静电学（electrostatics）与静磁学两门分支学科。 • 以上是不含时（time-independent）的理论，属于库仑，奥斯特，安培，欧姆等人的贡献。 • 以下我们将涉及含时（time-dependent）电场与含时磁场。这就涉及另两位人物：Faraday(1791-1867)与Maxwell(1831-1879)。(他们均是英国人，都葬在威斯敏斯特教堂，与牛顿比邻) • 我们发现：含时的磁场会产生（感应出）电场，含时的电场也会产生磁场。前者是Faraday的贡献（电磁感应定律），后者是Maxwell的贡献（位移电流概念的提出）。 • 变化的电场与变化的磁场互为感应与传播，这就形成了电磁波。

z z Jack Jill v C y y Q I x x 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 vanishes. Thus, Jack draws conclusions that the force results from the magnetic field and that there is no electric field in his system. 磁电统一(人类科学史第二次伟大的统一)：磁和电在本质上是同一事物的两种体现。在一个参考系中观察到的是磁现象，在另一个参考系中可能观察到的是电现象。

z z Jack Jill v C y y Q I x x Jill: fixed in the second coordinate, which moves at velocity v relative to the 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 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 her coordinate system. This, therefore, means that a time-dependent magnetic field is accompanied by an electric field, and vice versa.

附录：人类科学史的几次伟大的统一（综合） (1)1660年代，牛顿万有引力定律把天上-人间统一起来。苹果落地与月球绕地的力是同一种，人类有能力认识宇宙天体。哈雷卫星、天王星与海王星的预言（“笔尖上的发现”）。 (2) 1860年代，麦克斯韦将光、电、磁统一起来。光、电、磁有同一本质，是同一事物的各个体现。荡气回肠。 (3)19世纪，热功当量的发现、能量守恒定律的建立，以及热力学与统计力学的发展，发现了热的本质即为运动。 (4) 1905年，爱因斯坦相对论，将时间与空间、物质与能量统一起来。重量级工作。 (5)1925-26年，量子力学，将微观与宏观世界统一起来，彻底革新人类对物质世界的认识。 (6) 1967-68,温伯格、萨拉姆弱电统一理论，将弱相互作用与电磁相互作用统一起来，堪与麦克斯韦工作媲美。1974年，大统一理论，将强、弱、电统一起来。超对称、超大统一、超引力、超弦、M理论(“万物的理论”，接近上帝的心灵了？！)……

Faraday’s law of electromagnetic induction （Michael Faraday,1791-1867)

Motional electromotive force 动生电动势 ◆Loop cuts the magnetic lines of force, while the magnetic field does not change 感应电动势包含两种：动生电动势和感生电动势。前者是磁场B不变，但导线运动切割磁力线；后者是B本身随时间变化。本质均是磁通量发生变化。下图是动生电动势示意图。

概述电磁理论的发展历史 1865年，英国物理学家麦克斯韦在电磁学的三大实验定律（库仑定律、毕奥-沙伐定律和法拉第电磁感应定律）基础上，提出了位移电流的基本假设，归纳总结出麦克斯韦方程，奠定了宏观电磁理论的基础。麦克斯韦方程组给出了电磁场的空间分布和随时间变化的全部规律，预言了电磁波的存在。

概述电磁理论的发展历史在他的同学路易斯-坎贝尔为他写的传记中如是描写：“他中等身材，筋骨强壮，步态矫健，很有力量。穿着得并不幽雅，但使人感到舒适合体。神态睿智，谈吐幽默，常常陷入深沉的思考。面容刚毅，召人喜爱。大眼镜黑亮，炯炯有神 坎贝尔说：“他的人格的主要方面是伟大的简朴性，为了要认识他，我们会发现一种综合的素质，它们独立地存在。超凡的谦逊，惊人的深邃，神气的创造性，这是他的特色。他对大自然的实在秩序抱有敬意。麦克斯韦在弥留之际说的话：“部分与大全之间的关系在这个宇宙中无处不在，不论你看到他们还是没有看到他们，都是一样的，伴随我们一生的。在我们个性后面是更深刻的共性，我们的情感，我们的行为都体现出这一点。”

概述电磁理论的发展历史 • 1888—1889年 Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894)通过实验证明电磁波的存在，证明了Maxwell理论的正确性。从而导致无线电通信的发明，展现了电磁场与电磁波应用的广阔前景。

概述电磁理论的发展历史 • 无线电报（1894年），无线电广播（1906年），无线电导航（1911年），无线电话（1916年），短波通讯（1921年），无线电传真（1923年，）电视（1929年），微波通讯（1933年），雷达（1935年），遥控、遥感、卫星通讯、射电天文学…… • 激光器（1960年）半导体激光器（1962年）光纤（1970年）光纤通信45Mbps（1977年），光纤传感……

概述电磁理论的发展历史当今世界，电子信息系统，不论是通信、雷达、广播、电视，还是导航、遥控遥测，都是通过电磁波传递信息来进行工作的。大到宇宙空间的星体辐射，小到集成电路的布线位置都牵涉到电磁场理论的问题。　　可以说，信息技术就是电磁波技术，是以它为基础的。因此以宏观电磁理论为基础，电磁信息的传输和转换为核心的电磁场与电磁波工程技术将充分发挥其重要作用。下面以无线电通信系统为例来说明。

概述发射天线接收天线发射机馈线馈线导行波导行波导行波导行波导行波导行波接收机发射机末级回路产生的高频振荡电流经过馈线送到发射天线，通过发射天线将其转换成电磁波辐射出去；到了接收端，电磁波在接收天线上感生高频振荡电流，再经馈线将高频振荡电流送到接收机输入回路，这就完成了信息的传递。在这个过程中，经历了电磁波的传输、发射、传播、接收等过程。传输—导行电磁波发射和接收—天线传播—入射、反射、透射、绕射

概述宏蜂窝低速率服务 (<12KB/s) 低速率服务 (<32KB/s) 微蜂窝微蜂窝微蜂窝宽带主干网高速数据 (>10MB/s) 光纤主干网宽带主干网宽带主干网陆上微波中继通信网系统

概述磁场的涡源是传导电流和位移电流 Ampère law 电场的涡源是随时间变化的磁场 Faraday electromagnetic induction law 自然界中没有自由的磁荷或者说磁场没有磁源 Principle of continuity of magnetic flux 一个电场的源就是自由电荷高斯定律 Maxwell equation set Differential form Integration form 介质本构方程（constitutive relation)：

概述概述 Maxwell equation set

《电磁波基础及应用》沈建其讲义 Chapter 1. Introductory Electromagnetics 电磁学导引 ( 有关历史、人物、应用和方程 )