电磁场的定义

电磁场理论发展的历史回顾

第一部分 概述

人类对电磁现象的认识经历了相当长的时间。静电现象与磁现象很早就引起了人们的注意，公元前六七百年就发现了磁石吸铁，磁石指南和摩擦生电现象。真正对电磁现象进行研究是从英国御医吉尔伯特开始，1600年他发表了《论磁，磁体和地球作为一个巨大的磁体》，开创了电磁现象研究的新纪元。

关于电和磁现象的系统研究，始于18世纪。1750年米切尔提出磁极间的作用力服从平方反比定律。1785年公布了用扭秤实验得到了电力的平方反比定律，即著名的库伦定律，使电磁学进入了定量研究的阶段。

1780年伽伐尼研究电对动物机体的作用，做了有名的伽伐尼实验，1800年伏打发明电堆，获得产生稳定电流的手段，这导致1820年奥斯特发现了电流的磁效应，使电磁学的研究从电磁分离跃至电磁相互联系的研究阶段，开始了电磁学的新纪元。此后，19世纪二三十年代成了电磁学大发展的时期。1831年法拉第发现了电磁感应现象，证实了电与磁的统一性，而麦克斯韦从理论上总结了法拉第的物理观念，用一套方程组概括实验上发现的电磁规律，建立了电磁场理论，并将光与电磁现象统一起来，为利用电和磁开辟了广阔前景，实现了物理学史上第三次大综合。

第二部分 电磁场的早期研究

1. 中国古代的电磁学

a) 对磁现象的认识。

公元前4世纪左右成书的《管子》中有“上有磁石者，其下有黄金”，这是关于磁的最早记载。《吕氏春秋》中也曾写道“磁石召铁，或引之也”。磁石可以指南的性质是我国人民的重大的发现。北宋时期的政治家和科学家沈括，在《梦溪笔谈》中记有“方家以磁石磨针锋，则能指南”，此外，他还发现了地磁偏角。

b) 对于电现象的认识

从雷电和摩擦起电现象开始的。早在3000多年前的殷商时期，甲骨文中就有了 “雷”及“电”的形声字。王充在《论衡，雷虚篇》中写道：“云雨至则雷电击”，明确地提出云与雷电之间的关系。《淮南子，坠行训》中提到：“阴阳相薄为雷，激扬为电”，即雷电是阴阳两气对立的产物。明代刘基也说：“雷者，天气之郁而激而发也。阳气困于阴，必破，迫及而迸，迸而声为雷，光为电。我国古代电磁现象的记载虽多，却仅停留在现象的描述上。

 基本限值：基本限值是指直接根据已确定的健康效应而制定的暴露在时变电场、磁场和电磁场下的限值。根据场的频率的不同，用来表示此类限值的物理量有电流密度（J）、比吸收率（SAR）和功率密度（S）。只有被暴露者体外空气中的功率密度可以被迅速轻易地测量。

 导出限值：导出限值用来评估实际暴露以确定基本限值是否可能被超过。某些导出限值是根据相关的基本限值用测量和/或计算技术导出的，而某些导出限值是基于暴露在EMF下的感觉和不利的间接影响提出来的。导出的物理量是电场强度（E）、磁场强度（H）、磁通量密度（B）、功率密度（S）和流过肢体的电流（LI）。反映感觉和其他间接效应的物理量是接触电流（CI）和用于脉冲场的“比吸收能”（SA）。在任何特定的暴露情况下，这些物理量的测量或计算值都可以同相应的导出限值进行比较。遵守导出限值可以保证遵守对应的基本限值。如果测量或计算值超过导出限值，并不意味着基本限值一定被超过。但是，一旦超过导出限值，则必须检验其与基本限值的符合性，并决定是否有必要采取额外的保护措施。

目前有三种已经确立下来的基本耦合机制，时变电场和磁场通过这些机制直接与活性物质相互作用（UNEP/WHO/IRPA，1993年）：

 低频电场的耦合；

 低频磁场的耦合；

 从电磁场吸收能量。

低频电场的耦合

时变的电场与人体之间的相互作用可以导致电荷流动（电流）、束缚电荷极化（形成电偶极子）以及组织中的电偶极子重新定向。各种效果的相对强弱取决于人体的电特性，亦即导电率（控制着电流）和介电常数（控制着极化效果的大小）。导电率和介电常数随身体组织类型的变化而有所不同，此外还取决于相应场频率的高低。身体外部的电场可以在身体上感应出表面电荷，进而会在体内感应出电流，电流的分布则取决于暴露条件、人体的尺寸和形状以及身体位于场中的位置。

低频磁场的耦合

时变磁场与人体之间的相互作用可以产生感应电场以及循环电流。感应电场以及电流密度的大小与环路的半径、组织的导电率以及磁通量密度的变化率和大小成正比关系。如果磁场大小以及频率已经给定，最大的环路可以感应出最强的电场。 最终，人体内任何部位所产生的感应电流的实际路径和大小都取决于组织的导电率。

电 场

一、电荷：

1.带正负电的基本粒子，称为电荷。

2.带正电的粒子叫正电荷（+），带负电的粒子叫负电荷（“﹣”）。也是某些基本粒子(如电子和质子)的属性，它使基本粒子互相吸引或排斥。

3.元电荷：又称“基本电量”或“元电荷”。在各种带电微粒中，电子电荷量的大小是最小的，人们把最小电荷叫做元电荷，也是物理学的基本常数之一，常用符号e表示。基本电荷e=1.6021892×10^-19库仑，（通常取e=1.6×10^-19C）。是一个电子或一个质子所带的电荷量。任何带电体所带电荷都是e的整数倍。

4.点电荷：不考虑其尺寸、形状和电荷分布情况的带电体。是实际带电体的理想化模型。在研究带电体间的相互作用时，若带电体的尺寸远小于它们之间的距离时，就可把带电体看成点电荷。 点电荷是没有大小的带电体，是一种理想模型．实际的带电体(包括电子、质子等)都有一定大小，都不是点电荷．当电荷间距离大到可认为电荷大小、形状不起什么作用时，可把电荷看成点电荷．

5. 对非点电荷间的相互作用力，可看成许多点电荷间相互作用力的叠加．静止点电荷对运动点电荷的作用力可用库仑定律（F=k*(q1*q2)/r^2）计算，但运动点电荷对运动点电荷的作用力一般不能用库仑定律计算．（比例常数 k = 1/4pe0 (1-3)=9.0x10^9牛 ·米2/库2（N*m^2/C^2)）

6.获取电荷：摩擦起点，接触取电，感应起电。

二、电荷守恒定律：

1. 对于一个孤立系统，不论发生什么变化 ，其中所有电荷的代数和永远保持不变。（电荷守恒定律表明，如果某一区域中的电荷增加或减少了，那么必定有等量的电荷进入或离开该区域；如果在一个物理过程中产生或消失了某种电荷，那么必定有等量的异号电荷同时产生或消失。）

三、库仑定律：

1. F=k*(Q1*Q2)/r^2。

（静电力常量： k = 9.0x10^9牛 ·米2/库2（N*m^2/C^2)） 2.

《电磁场与电磁波》课程教学大纲

课程编号：210522

课程性质：学科专业基础课

课程组长：申勇/教授

总学分值：总学分：4学分，其中理论4学分，实验实践0学分。

总学时数：总学时：64学时，其中理论学时64，实验实践0学时。

适用专业：电子信息工程

先修课程：高等数学，大学物理

后续课程：电磁场与微波技术、天线理论与设计等

一、课程简介

1、课程性质与定位：（字数原则上控制在260字左右）

《电磁场与电磁波》是通信工程、电子信息工程等专业的专业基础课，是多个学科的理论基础，如微波、天线、电磁兼容等。课程理论性、系统性很强，逻辑严谨，学习它不仅可以获得场和波的理论，而且有助于培养正确的思维方法和分析问题的能力。各种现代通信方式，如光纤通信、移动通信、卫星通信，以及电视、雷达等各种专门学科，都是以电磁波携带信息的方式来实现的。广泛应用的超小超薄的大规模集成电路更是充满了电磁场的问题。因此，《电磁场与电磁波》是相关专业课程建设一个非常重要的环节。

2、教学目的与要求：（字数原则上控制在260字左右）

内容方面，学生应牢固掌握矢量运算，梯度、散度和旋度概念，高斯公式和斯托克司公式；掌握恒定和时变电磁场的麦克斯韦方程组、泊松方程、电磁波的波动方程等；掌握分离变量法、镜像法、有界空间中电磁波的求解方法等；理解电磁场的矢势¦和标势、规范变换、规范不变性、库仑规范、洛仑兹规范、时谐平面电磁波、推迟势、电磁辐射、截止频率和谐振频率等概念。

通过本课程的学习，使学生牢固掌握电磁场与电磁波方面的基本概念、基本理论及主要分析方法，具有基本的电磁问题解题能力，对天线理论也要有一定的了解。为以后现代通信技术的学习与应用打下良好的基础。

3、教学重点与难点： （字数原则上控制在260字左右） 电磁场与电磁波的最大特点数学要求高、公式多、物理概念抽象、理论难以掌握、学习易畏难。重难点如下：矢量运算，梯度、散度和旋度概念，高斯公式和斯托克司公式 ；恒定和时变电磁场的麦克斯韦方程组、泊松方程、电磁波的波动方程；分离变量法、镜像法；时谐平面电磁波、推迟势、电磁辐射、截止频率和谐振频率。