电磁场与电磁波讲义.doc

Lect.1 0 引言 课程简介 1) 课程内容 “电磁场与电磁波”或者叫电磁学，涉及到很多方面的内容。翻开书本的话，会看到有矢量分析，电磁学的学习的数学基础，有静态电磁场、时变电磁场、电磁波、波导、天线等很多方面的内容。但可以用一句话来概括：电磁学研究静止及运动电荷相关效应的一门学科，它是物理学的一个分支。 由基础物理学的知识可知，电荷产生电场。电荷的移动构成电流，而电流则会在空间中产生磁场。静止的电荷产生静电场。恒定电流产生静磁场。如果电荷或者电流随时间变化，则产生时变电场及时变磁场。时变电场和时变磁场还可以相互激发，形成在空间中独立传播的时变电磁场，即电磁波。所有的电磁场的唯一来源就是静止或者运动状态的电荷。所以我们说《电磁场及电磁波》或者《电磁学》这门课程，不干别的，就是研究静止及运动电荷所产生的效应。 2) 核心概念 这门课程的核心概念有两个，一个是场(field)，一个是波(wave)。那么，什么是场？场是一个数学概念，只某个量在空间中的分布。这个量可以不随时间变化，也可以随时间改变，前者称为静态场，后者称为时变场。例如，在地球表面或者附近，任意位置，任意一个有质量的物体都受到重力的吸引，我们说地球在其周围的空间中形成了重力场。例如，一个流体，流动的液体或者气体，每一个位置上流体的质点都对应一个速度，我们说，空间存在流体的一个速度场。对于物理学上的场而言，空间上，每个点都对应有某个物理量的一个值。这个物理学上的场，根据物理量本身的性质，有标量场和矢量场之分，我们之后会学到。 波(wave)的概念。振动在空间的传播，伴随能量的传播过程。举例：声波。 电磁波 电磁波相关内容：波的描述、界面上的反射与折射、波在开放及封闭空间中的传播等。 3) 电磁理论的发展 早期：电及磁现象被视为两种独立的不同的现象。 希腊人 琥珀 中国《吕氏春秋》 司南 富兰克林 正负电荷、电荷守恒。风筝实验 库伦 库伦定律 定量 电学 1820， Hans Christian Orsted: 电流可以造成磁针的偏转.即电流可以产生磁场。 1820-1827 Ampere的贡献：实验：两平行通电电线之间的吸引与排斥。安培定律 Farady的贡献：电磁感应：由磁产生电。 Maxwell：所有电磁现象用一组方程表示。光是一种电磁波。（对爱因斯坦的启发。） 1873 电磁通论。 量子化之后的量子电动力学(Quantum Electrodynamics)。 4) 麦克斯韦方程组 静电场与静磁场 时变电磁场 麦克斯韦方程+边界条件 电磁波传播、反射、折射(自由空间) 电磁波的辐射（天线） 电磁学的重要性 电磁作用是宇宙中四种基本相互作用之一。日常生活中绝大部分现象与电磁有关。包括各种化学现象。维系着生命现象。 增进文化修养：各种辐射谬论。 专业基础： 电磁学对于物理专业、电信专业、光电子专业或者光学工程专业都是一门重要的基础课程。无论是学电还是学光，尤其是光学的深入掌握离不开电磁理论知识。电磁学理论是我们理解对撞机、阴极射线管、雷达、卫星通信、遥感、微波器件等的基础。光波本身就是电磁波的一部分。对光波传播行为的理解，需要电磁学的支撑。无论是理解光波在空间中的传播行为，还是光波导中的传播，电磁学都是必备的基础。所以电磁学对光电子专业非常重要。需要认真对待。 课程特点 课程特点1：难。 课程特点2：抽象。 学习方法： 听课+自学+习题 习题时间+自学时间上课时间 反求诸己（孟子：行有不得者，皆反求诸己） 考试与成绩: 平时成绩： 30% （提问、讨论及鼓励性加分） 考试成绩： 70% 教材及主要参考书目: 教材： 电磁场与电磁波（第四版） 谢处方，饶克勤，高等教育出版社. 1 矢量分析 概述： 电磁理论主要研究包括电场强度、磁场强度、电位等在空间中的分布及变化规律。电磁理论主要使用场的语言。 场的概念：一个物理量在空间中每一点均有一个确定的值，称此空间确定了该物理量的场。（简单讲，场即物理量在空间中的分布。） 电磁场与电磁波所涉及的场 电磁场是分布在三维空间中的矢量场，因此矢量分析是研究电磁场空间分布及变化规律的基本工具。 本章主要内容：基本的矢量运算、两种场、三种度、四个定理 标量场和矢量场 梯度 散度 旋度 散度定理、旋度定理、格林定理及亥姆霍兹定理。 1.1矢量代数 1. 标量和矢量 标量和矢量的概念 Scalars: Quantities that have magnitude but no direction. 任意的代数量都可以称为标量。如果标量被赋予物理单位，则成为一个具有