电磁场与电磁波 Field and Wave Electromagnetics

1. 电磁场与电磁波 Field and Wave Electromagnetics 吴 边副教授 西安电子科技大学 电信工程系 E-mail: bwu@mail.xidian.edu.cn

2. 课程简介 • 课程作用 通信工程、电子信息工程专业基础课 掌握电磁场与电磁波相关概念、基本定理和基本方法 学会用“场”的方法分析和解决工程问题 • 先修课程 《普通物理学》、《高等数学》、《工程数学》 • 后续课程 • 《微波技术基础》、《天线原理》、《电磁兼容》等

3. 主要内容 •1 矢量分析——电磁场是矢量场 矢量、标量定义，场的概念 标量的方向导数和梯度 矢量的通量、散度、高斯定理 矢量的环量、旋度、斯托克斯定理 亥姆霍兹定理 曲线坐标系中的梯度、散度、旋度 •2 电磁场中基本物理量 静电场、静态场、恒定电场、恒定磁场

4. •3 场源关系——场方程 电磁波的存在和传播不依赖于任何媒质。 真空、介质 物质属性：能量、质量——“场”有能量 电磁场“力”的表现——电场力、磁场力 •4电磁场问题的解决方法——边值解，镜像法，分离变量法 •5 时变场——随时间变化的电磁场 时变电磁场的产生、特点、方程 有界空间：反射、折射——“平面波”的产生 受限空间(波导、同轴)——导行电磁波 •6天线的方向性、功率、效率——波的辐射—能量的辐射

5. 推荐教材 （1）路宏敏 赵永久 朱满座 编著 《电磁场与电磁波基础》，北京，科学出版社，2006年； （2）王家礼 朱满座 路宏敏 编著 《电磁场与电磁波》（第二版），西安：西安电子科技大学出版社，2004年； （3）牛中奇 朱满座 卢智远 路宏敏 编著 《电磁场理论基础》，北京：电子工业出版社，2001年。

6. 参考教材 （1）王家礼 朱满座 路宏敏 王新稳 编著 《电磁场与电磁波学习指导》,西安电子科技大学出版社, 2002； （2）杨儒贵《电磁场与电磁波》，高等教育出版社，2003. （3）王蔷 李国定 龚克 编著 《电磁场理论基础》，清华大学出版社，2001。 （4）John D. Kraus, Daniel A. Fleisch. Electromagnetics with Applications. Tsinghua University Press, and McGraw-Hill Companies, Inc., 2001. （5）L. C. Shen, J. A. Kong, Applied Electromagnetism, PWS Engineering, 1987. （6）S. Ramo, J. R. Whinnery, T van, Duzer. Fields and Waves in Communication Electronics.John Wiley & Sons. 1984.

7. 前 言 一、基本概念 （1）电场和磁场 静止电荷产生的场表现为对于带电体有力的作用，这种场称为电场。不随时间变化的电场称为静电场。 运动电荷或电流产生的场表现为对于磁铁和载流导体有力的作用，这种物质称为磁场。不随时间变化的磁场称为恒定磁场。

8. （2）电磁波 如果电荷及电流均随时间改变，它们产生的电场及磁场也是随时变化的，时变的电场与时变的磁场可以相互转化，两者不可分割，它们构成统一的时变电磁场。时变电场与时变磁场之间的相互转化作用，在空间形成了电磁波。静电场与恒定磁场相互无关、彼此独立，可以分别进行研究。因此，我们先讨论静电场和恒定磁场，再讨论时变电磁场。

9. （3）物质属性 电磁场与电磁波虽然不能亲眼所见，但是客观存在的一种物质，因为它具有物质的两种重要属性：能量和质量。但是，电磁场与电磁波的质量极其微小，因此，通常仅研究电磁场与电磁波的能量特性。 电磁场与电磁波既然是一种物质，它的存在和传播无需依赖于任何媒质。在没有物质存在的真空环境中，电磁场与电磁波的存在和传播会感到更加“自由”。因此对于电磁场与电磁波来说，真空环境通常被称为“自由空间”。

10. （4）场与媒质 当空间存在媒质时，在电磁场的作用下媒质中会发生极化与磁化现象，结果在媒质中又产生二次电场及磁场，从而改变了媒质中原先的场分布，这就是场与媒质的相互作用现象。为了研究方便起见，我们先介绍真空中的电磁场，然后再讨论媒质中的电磁场。

11. （5）场与源 电荷及电流是产生电磁场惟一的源。至今，人们尚未发现自然界中存在磁荷及磁流。然而，有时引入磁荷及磁流的概念是十分有益的，但是，它们仅是假想的。研究场与源的关系是电磁理论的基本问题之一。我们将要详述场与源，以及场与媒质之间的关系，并且给予严格的数学描述。

12. 二、历史回顾 •公元前600年 希腊——摩擦后的琥珀可吸引微小物体 •公元前300年 中国——磁石吸铁 •公元初中国——世界上第一个指南针——地球磁场 •1785年法国——库仑(1736-1806)定律 •1820年丹麦——奥斯特(1777-1851)发现电流的磁场 •1820年法国——安培(1775-1836)电流回路间作用力

13. •1831年英国——法拉第电磁感应定律 变化的磁场产生电场 •1873年英国——麦克斯韦(1831-1879) 位移电流时变电场产生时变磁场——麦氏方程组 •1887年德国——赫兹(1857-1894) 实验证实麦氏方程组—电磁波的存在 •近代俄国的波波夫和意大利的马可尼—电磁波传输信息 无线电 当今电信时代——“电”、“光”通信

14. 三、电磁场与波应用 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。 电磁铁、磁悬浮轴承以及磁悬浮列车等，都是利用磁场力的作用。 当今的无线通信、广播、雷达、遥控遥测、微波遥感、无线因特网、无线局域网、卫星定位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。

15. 世界首辆载人高温超导磁悬浮试验车 磁 场 力 的 应 用 Stable! Stable! 西南交通大学应用超导研究所研制

16.  i  r B2 隐形轰炸机 反 射 定 律 的 应 用

17. 立 体 电 影 电 磁 波 极 化 特 性 的 应 用

18. 全 球 定 位 系 统 Global Positioning System(GPS) 信 息 载 体 的 应 用

19. 四、学科发展 • 计算电磁学 微分方程法：时域有限差分法FDTD、有限元法FEM等 积分方程法 ：矩量法MOM、快速多极子方法MLFMA等 高频方法：几何绕射法GTD、物理光学法PO等 • 电磁新材料 电子带隙材料EBG、左手材料LHM、电磁隐身材料等 • 电磁商业软件 Ansoft系列、CST系列、FEKO、EMC2000、ADF等

20. 五、电磁单位 本书采用国际单位制（SI）。在电磁学中，这种单位制的四个基本单位是长度、质量、时间和电流强度。长度单位为m（米），质量单位为kg（千克），时间单位为s（秒），电流强度单位为A（安培）。 对于正弦电磁场使用的时间因子为 。

21. 谢 谢！