第二章 自由空间中的电磁波

电磁场与电磁波教案第一章：电磁场的基本概念1.1 电荷与电场介绍电荷的性质和分类解释电场的概念和电场线电场的叠加原理1.2 磁场与磁力介绍磁铁和磁性的概念解释磁场的概念和磁场线磁场的叠加原理和磁力计算1.3 电磁感应介绍法拉第电磁感应定律解释电磁感应现象的应用第二章：电磁波的基本性质2.1 电磁波的产生与传播介绍麦克斯韦方程组解释电磁波的产生和传播过程电磁波的波动方程和相位2.2 电磁波的波动性质介绍电磁波的波长、频率和波速波动方程的解和电磁波的波动性质2.3 电磁波的能量与辐射解释电磁波的能量和辐射机制介绍电磁波的辐射压和光电效应第三章：电磁波的传播与应用3.1 电磁波在自由空间的传播自由空间中电磁波的传播方程电磁波的传播速度和天线原理3.2 电磁波在介质中的传播介绍电磁波在介质中的传播方程介质的折射率和反射、透射现象3.3 电磁波的应用介绍电磁波在通信、雷达和医学等领域的应用第四章：电磁波的辐射与接收4.1 电磁波的辐射介绍电磁波的辐射机制和天线理论电磁波的辐射强度和辐射功率4.2 电磁波的接收介绍电磁波接收原理和接收器设计调制和解调技术在电磁波接收中的应用4.3 电磁波的辐射与接收实验设计实验来观察和测量电磁波的辐射和接收现象第五章：电磁波的传播特性与调控5.1 电磁波的传播特性介绍电磁波的传播损耗和传播距离电磁波的多径传播和散射现象5.2 电磁波的调控技术介绍电磁波的调制技术和幅度、频率和相位的调控方法5.3 电磁波的传播调控应用介绍电磁波在无线通信和雷达系统中的应用和调控技术第六章：电磁波的波动方程与电磁波谱6.1 电磁波的波动方程推导电磁波在均匀介质中的波动方程讨论电磁波的横向和纵向波动特性6.2 电磁波谱介绍电磁波谱的分类和各频段的特征讨论电磁波谱中常见的波段，如射频、微波、红外、可见光、紫外、X射线和γ射线等6.3 电磁波谱的应用分析电磁波谱在不同领域的应用，如通信、医学、材料科学等第七章：电磁波的传播环境与传播效应7.1 电磁波的传播环境分析不同传播环境对电磁波传播的影响，如自由空间、大气层、陆地、海洋等讨论传播环境中的衰减、延迟和散射等效应7.2 电磁波的传播效应介绍电磁波的折射、反射、透射、绕射和干涉等传播效应分析这些效应在实际应用中的影响和应对措施7.3 电磁波的传播环境与效应应用探讨电磁波传播环境与效应在通信、雷达、遥感等领域的应用和解决方案第八章：电磁波的辐射与天线技术8.1 电磁波的辐射原理分析电磁波辐射的物理机制，如开放电极、偶极子、天线阵列等讨论电磁波辐射的方向性和极化特性8.2 天线的基本理论介绍天线的基本参数，如阻抗、辐射效率、增益等分析天线的设计方法和性能优化策略8.3 电磁波的辐射与天线技术应用探讨天线技术在无线通信、广播、雷达等领域的应用和实例第九章：电磁波的接收与信号处理9.1 电磁波的接收原理介绍电磁波接收的基本过程，如放大、滤波、解调等分析接收机的性能指标，如灵敏度、选择性、稳定性等9.2 信号处理技术介绍信号处理的基本方法，如采样、量化、编码、调制等讨论数字信号处理技术在电磁波接收中的应用9.3 电磁波的接收与信号处理应用探讨电磁波接收与信号处理技术在通信、雷达、遥感等领域的应用和实例第十章：电磁波的测量与实验技术10.1 电磁波的测量原理分析电磁波测量的基本方法，如直接测量、间接测量、网络分析等讨论测量仪器和设备的选择与使用10.2 实验技术介绍电磁波实验的基本步骤和方法，如实验设计、数据采集、结果分析等分析实验中可能遇到的问题和解决策略10.3 电磁波的测量与实验技术应用探讨电磁波测量与实验技术在科研、工程、教学等领域的应用和实例重点解析第一章：电磁场的基本概念重点：电荷与电场的性质，电场的概念和电场线，电场的叠加原理。

电磁波是一种以电场和磁场相互作用产生的波动现象。

在自由空间中，电磁波的传播遵循着一定的规律，其电场和磁场的变化满足一系列的方程。

本文将从电场和磁场的方程入手，探讨电磁波在自由空间中的传播规律。

一、麦克斯韦方程组在自由空间中，电磁波的传播遵循麦克斯韦方程组，该方程组共包括四个方程，分别描述了电场和磁场的变化规律。

方程组如下：1. 麦克斯韦第一方程（高斯定理）该方程描述了电场的发散性质，表达式如下：∇·E = ρ/ε₀其中，∇·E表示电场的发散，ρ为电荷密度，ε₀为真空介电常数。

2. 麦克斯韦第二方程（高斯安培定理）该方程描述了磁场的闭合性质，表达式如下：∇·B = 0该方程表明，在无电流的情况下，磁场的发散为0。

3. 麦克斯韦第三方程（法拉第电磁感应定律）该方程描述了电场的旋度与磁场的变化关系，表达式如下：∇×E = -∂B/∂t其中，∇×E表示电场的旋度，-∂B/∂t表示磁场随时间的变化率。

4. 麦克斯韦第四方程（安培环路定理）该方程描述了磁场的旋度与电场的变化关系，表达式如下：∇×B = μ₀J + μ₀ε₀∂E/∂t其中，∇×B表示磁场的旋度，μ₀为真空磁导率，J为电流密度。

二、电磁波的传播方程根据麦克斯韦方程组，可以推导出电磁波在自由空间中的传播方程。

考虑在真空中没有任何电荷和电流的情况下，高斯定理和法拉第电磁感应定律可以简化为：∇·E = 0∇×E = -∂B/∂t考虑真空中没有自由磁荷，高斯安培定理简化为：∇·B = 0∇×B = μ₀ε₀∂E/∂t结合以上简化后的方程，可以得到电磁波在自由空间中的传播方程：∇²E = μ₀ε₀∂²E/∂t²∇²B = μ₀ε₀∂²B/∂t²这两个方程描述了电场和磁场在自由空间中的传播特性，其中∇²表示拉普拉斯算子，μ₀和ε₀分别为真空磁导率和真空介电常数。

电磁波传播模式及概念
电磁波传播是指电磁场在空间中的传递过程。

电磁波是由电场和磁场交替变化的波动组成，其传播方式主要有以下几种：
1、空间传播：电磁波在自由空间（无介质）中传播，如无线通信、雷达、光通信等应用中的电磁波传播。

2、导播传播：电磁波在特定介质中传播，如光纤通信中的光波、无线电波在空气、水等介质中的传播。

3、折射：电磁波从一种介质进入另一种介质时，由于介质密度、电导率等特性不同，传播速度发生变化，导致传播方向改变。

4、反射：电磁波遇到物体表面时，部分能量被反射，形成反射波。

如雷达探测、无线通信中的信号反射等。

5、衍射：电磁波遇到障碍物或通过狭缝时，波前发生弯曲，形成衍射现象。

衍射分为菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射两类。

6、干涉：当两个或多个电磁波在同一空间叠加时，根据波的相位差产生干涉现象，表现为亮暗相间的干涉条纹。

电磁波的概念：
电磁波是由电场和磁场交替变化的波动组成，二者互相垂直。

在任何介质中，电磁波的传播速度都与该介质的性质有关。

在真空中，电磁波的传播速度等于光速（约为3×10^8 米/秒）。

根据波长的不同，电磁波可分为无线电波、微波、红外光、可见光、紫外光、X射线、γ射线等。

我们日常生活中遇到的无线通信、广播电视、光通信等均依
赖于电磁波的传播。

电磁波传播过程中可能受到环境、介质、设备等因素的影响，如衰减、反射、折射等。

为了实现高效、稳定的电磁波传播，科学家和工程师们进行了大量研究和实践。

在自由空间传播的均匀平面电磁波（空间中没有自由电荷，没有传导电流），电场和磁场都没有和波传播方向平行的分量，都和传播方向垂直。

此时，电矢量E，磁矢量H和传播方向k两两垂直。

只是在这种情况下，才可以说电磁波是横波。

沿一定途径（比如说波导）传播的电磁波为导行电磁波。

根据麦克斯韦方程，导行电磁波在传播方向上一般是有E和H分量的。

光的传播形态分类：根据传播方向上有无电场分量或磁场分量，可分为如下三类，任何光都可以这三种波的合成形式表示出来。

1、TEM波：在传播方向上没有电场和磁场分量，称为横电磁波。

若激光在谐振腔中的传播方向为z方向，那么激光的电场和磁场将没有ｚ方向的分量！实际的激光模式是准TEM模，即允许Ez、Hz分量的存在，但它们必须<<横向分量，因为较大的Ez意味着波矢方向偏离光轴较大，容易溢出腔外，所以损耗大，难于形成振荡。

2、TE波(即是物光里的s波)：在传播方向上有磁场分量但无电场分量，称为横电波。

在平面光波导(封闭腔结构)中，电磁场分量有Ey, Hx, Hz，传播方向为ｚ方向。

3、TM波(即是物光里的p波)：在传播方向上有电场分量而无磁场分量，称为横磁波。

在平面光波导(封闭腔结构)中，电磁场分量有Hy, Ex, Ez，传播方向为ｚ方向。

微波工程、电磁场理论等课程中有关于TEM、TE、TM模的更为详细的描述。

电磁场与电磁波电子教案第一章：电磁场的基本概念1.1 电荷和电场介绍电荷的性质和分类解释电场的概念和电场线电场强度的定义和计算电场的叠加原理1.2 磁场和磁力介绍磁铁和磁性的概念解释磁场的概念和磁感线磁感应强度的定义和计算磁场的叠加原理1.3 电磁感应介绍法拉第电磁感应定律解释感应电动势和感应电流的产生电磁感应的实验现象和应用第二章：电磁波的基本性质2.1 电磁波的产生和传播介绍麦克斯韦方程组和电磁波的理论基础解释电磁波的产生和传播过程电磁波的波动方程和波长、频率、速度的关系2.2 电磁波的能量和动量介绍电磁波的能量密度和能量传递解释电磁波的动量和动量传递电磁波的辐射压和辐射阻力的概念2.3 电磁波的偏振和反射、折射介绍电磁波的偏振现象和偏振光的性质解释电磁波在介质中的反射和折射现象反射定律和折射定律的原理及应用第三章：电磁波的传播和辐射3.1 电磁波在自由空间中的传播介绍自由空间中电磁波的传播特性解释电磁波的辐射和天线原理电磁波的辐射强度和辐射功率的概念3.2 电磁波在介质中的传播介绍电磁波在介质中的传播规律解释介质的折射率和介电常数的概念电磁波在介质中的衰减和色散现象3.3 电磁波的辐射和天线原理介绍天线的分类和基本原理解释天线的辐射特性和发展电磁波的辐射模式和天线的设计方法第四章：电磁波的应用4.1 电磁波在通信技术中的应用介绍电磁波在无线通信中的应用解释无线电波的传播和传播损耗电磁波在移动通信和卫星通信中的应用4.2 电磁波在雷达技术中的应用介绍雷达技术的基本原理和组成解释雷达方程和雷达的探测距离电磁波在雷达系统和雷达导航中的应用4.3 电磁波在医疗技术中的应用介绍电磁波在医学影像诊断中的应用解释磁共振成像（MRI）的原理和应用电磁波在放射治疗和电磁热疗中的应用第五章：电磁波的防护和辐射安全5.1 电磁波的辐射和防护原理介绍电磁波的辐射对人体健康的影响解释电磁波的防护原理和防护措施电磁屏蔽和电磁兼容的概念5.2 电磁波的辐射标准和法规介绍国际和国内电磁波辐射的标准和法规解释电磁波辐射的限制和测量方法电磁波辐射管理的政策和监管措施5.3 电磁波的辐射安全和防护措施介绍电磁波辐射的安全距离和防护措施解释电磁波辐射的个人防护和公共场所的防护措施电磁波辐射的环保意识和公众宣传的重要性第六章：电磁波在电力系统中的应用6.1 电磁波在电力传输中的应用介绍高压输电线路中的电磁干扰问题解释输电线路的屏蔽和接地措施电磁波在特高压输电技术中的应用6.2 电磁波在电力系统监测与控制中的应用介绍电力系统中的电磁场监测和测量技术解释电磁波在电力系统状态监测和故障诊断中的应用电磁波在智能电网和分布式发电系统中的应用6.3 电磁波在电力设备中的影响及防护分析电磁波对电力设备的干扰和影响解释电磁兼容性设计在电力设备中的应用电磁波防护措施在电力设备中的实施方法第七章：电磁波在交通领域的应用7.1 电磁波在铁路交通中的应用介绍铁路信号系统和电磁波在信号传输中的应用解释铁路通信和列车无线通信系统中电磁波的应用电磁波在铁路自动控制系统中的应用7.2 电磁波在汽车交通中的应用介绍汽车电子设备和电磁波的应用解释车载通信系统和电磁波在车辆导航中的应用电磁波在智能交通系统中的应用7.3 电磁波在航空和航天领域的应用介绍电磁波在航空通信和导航中的应用解释电磁波在卫星通信和航天器通信中的应用电磁波在航空航天器中的其他应用，如雷达和遥感技术第八章：电磁波在工科领域的应用8.1 电磁波在电子工程中的应用介绍电磁波在无线电发射和接收中的应用解释电磁波在微波器件和天线技术中的应用电磁波在射频识别（RFID）技术中的应用8.2 电磁波在光电子学中的应用介绍电磁波在光纤通信中的应用解释电磁波在激光器和光电器件中的应用电磁波在光电探测和成像技术中的应用8.3 电磁波在生物医学领域的应用介绍电磁波在医学诊断和治疗中的应用解释电磁波在磁共振成像（MRI）和微波热疗中的应用电磁波在其他生物医学技术中的应用，如电疗和电磁屏蔽第九章：电磁波的环境影响和政策法规9.1 电磁波的环境影响分析电磁波对环境和生物的影响，如电磁辐射污染解释电磁波的环境监测和评估方法电磁波环境保护措施和可持续发展策略9.2 电磁波的政策法规介绍国际和国内关于电磁波辐射的政策法规解释电磁波辐射的标准和限制条件电磁波辐射管理的政策和监管措施9.3 电磁波的公众宣传和教育分析电磁波辐射的公众认知和误解解释电磁波辐射的安全性和健康影响电磁波辐射的公众宣传和教育方法第十章：电磁波的未来发展趋势10.1 新型电磁波技术和材料的研究介绍新型电磁波发射和接收技术的研究解释新型电磁波传输材料和超材料的研究进展电磁波技术在未来的应用前景10.2 电磁波在新型能源领域的应用介绍电磁波在太阳能和风能等新型能源领域的应用解释电磁波在智能电网和能源互联网中的应用电磁波在未来能源系统中的作用和挑战10.3 电磁波与物联网和大数据的结合分析电磁波在物联网通信中的应用解释电磁波在大数据传输和处理中的作用电磁波在未来物联网和大数据技术中的挑战和发展趋势重点和难点解析一、电磁场的基本概念：理解电荷、电场、磁场和磁力的基本性质，以及电磁感应的原理。

1.1自由空间的传播：简单解释处于“自由空间”的电磁波通过介质以光速（大约每秒3.0 ·108）传播到周围的空间。

确实，“自由空间”应该是指真空，但是对此清新的空气是一个近似的解释。

我们对能使一个天线透射到另一个天线的能量很感兴趣。

因为有许多不同的天线，这对精确地解释涉及到的和其他可比较的东西很有必要。

这个投射性功率能均等地辐射向各个方向的天线，通常被用作一种参考。

去测定接受功率之间的比率和线性单位的透射光线很重要，但是用分贝引用它更普遍。

书后面的附录里给出了分贝范围的详细信息。

如果我们有一个全线天线作为发射者和接收者那么分贝的损耗就可以用公式：loss = 32:4 t 20 log d t 20 log fd 是光程长，单位千米，f 是振动频率，单位赫兹。

在两个参考等方性和天线之间的自由空间损耗叫作“自由空间损耗”或者“基本传输损耗”。

任何一个系统（熔丝损耗）里传输功率和接收功率之间的区别都是自由空间损耗少于任何一个天线接收的加上各种各样损耗的。

为了保持一致，任意天线接收都与提到的等方性天线相联系。

再者用分贝范围和在“数据库索引”里的数据很正常，“i”表明我们正在引用等方性作为天线的参考。

熔丝损耗=32:4 t 20 log d t 20 log f _ G t _ G r t L m,Gt 和Gr 是传输和接收天线的数据，依次地，在数据库中，Lm代表系统里的各种各样的损耗（比如馈电线和连接器损耗）。

1.2开口天线：简单解释天线在导波(比如一个同轴电缆)和在自由空间里传播的电磁波之间形成分界面。

天线以一种相似的不管他们是否作为运输者和接收者运行的形式来发挥作用，而且天线可以同时传输和接收。

最简单的方式让天线可视就是这种开口天线。

被用作微波通信或者卫星导航地面站的圆盘是解释开口天线的好例子。

开口天线接收的东西随着不断增大的天线尺寸而增多而且也随着振动频率而增加。

这种开口天线类型的圆盘的接收信息粗略估计为gain e dBi T _ 18 t 20 log D t 20 log fD 是圆盘的直径，单位米，f是运动的频率，单位赫兹。

工程电磁场基础目录引言一、电磁学发展简史二、电磁场理论课程的特点第一章自由空间中的电磁场定律1.1基本定义1.1.1电荷密度一、体电荷密度ρ二、面电荷密度η三、线电荷密度λ四、点电荷q1.1.2电流密度一、体电流密度J二、面电流密度K三、线电流I1.1.3基本场量一、洛仑兹力公式二、电场强度E三、磁场强度H1.2自由空间中的电磁场定律1.2.1场定律中符号的意义1.2.2各电磁场定律的数学物理意义一、法拉第电磁感应定律的意义二、修正的安培环路定律的意义三、电场高斯定律的意义四、磁场高斯定律的意义五、电荷守恒定律的意义1.2.3电磁场定律整体的物理意义1.3积分形式场定律的应用习题第二章矢量分析2.1标量场的梯度2.1.1标量场的等值面2.1.2标量场的梯度一、位移的方向余弦和单位矢量二、方向导数三、标量场的梯度2.1.3梯度的性质2.1.4标量场梯度的物理意义2.1.5例题2.2矢量场的散度和高斯定理2.2.1矢量场的场流图2.2.2矢量场的散度一、散度的定义二、散度的数学计算式2.2.3矢量场散度的性质2.2.4矢量场散度的物理意义2.2.5高斯定理一、高斯定理二、高斯定理的证明2.2.6自由空间中微分形式场定律的散度关系式2.2.7拉普拉斯运算符2.2.8例题2.3矢量场的旋度和斯托克斯定理2.3.1保守场和非保守场2.3.2矢量场的旋度一、旋度的定义二、旋度的数学计算式2.3.3矢量场的旋度的性质2.3.4矢量场旋度的物理意义2.3.5斯托克斯定理一、斯托克斯定理二、定理证明三、保守场的判据2.3.6自由空间微分场定律中的旋度关系式2.3.7例题习题第三章自由空间的微分场定律3.1微分场定律3.1.1微分场定律的数学物理意义一、法拉第电磁感应定律的意义二、修正的安培定律的意义三、电场高斯定律的意义四、磁场高斯定律的意义五、电荷守恒定律的意义3.1.2微分场定律整体的意义3.1.3例题3.2边界条件3.2.1电磁场中的不连续界面3.2.2边界条件一、边界法线方向上的关系式（法向边界条件）二、边界切线方向上的关系式（切向边界条件）3.2.3边界条件的物理意义一、电场强度切向边界条件的意义二、磁场强度切向边界条件的意义三、电场法向边界条件的意义四、磁场法向边界条件的意义五、电场和磁场边界条件的物理解释六、电流边界条件的意义七、边界条件所含的方向关系3.2.4微分场定律与边界条件的形式对应关系3.3微分场定律（含边界条件）的应用3.3.1已知场分布求源分布3.3.2已知源分布求场分布习题第四章静电场的标量位4.1静电场的标量位4.1.1静电场标量位的引入一、在原点的点电荷电场的标量位二、在空间某点的点电荷电场的标量位三、点电荷系电场的标量位四、分布在有限区域的带电系统的标量位4.1.2标量位（电位）的物理意义4.1.3电偶极子的电场和电位一、直接计算电场二、使用标量位计算电场4.1.4标量位的微分方程和边界条件一、微分方程二、一般边界条件三、边界为偶极层时的条件四、导体表面的边界条件4.1.5泊松方程的解4.2标量位的性质4.2.1极值定理4.2.2平均值定理一、格林定理二、平均值定理的证明三、平均值定理的应用4.2.3唯一性定理一、定理内容二、唯一性定理的证明4.3唯一性定理的应用4.3.1静电镜象法一、在无限大接地导体平板上方放置一个点电荷的系统二、接地导体角域内放置点电荷的系统三、接地导体球外放置一个点电荷的系统四、不接地不带电的导体球外放置一个点电荷的系统五、不接地、带电量为Q的导体球外放置一个点电荷的系统六、在一个接地的无限大导电平面上方放置一个偶极子的系统4.3.2电轴法一、两根相互平行且带等量异号电荷的无限长直导线的场二、两个等截面导体圆柱系统三、两个截面不相等的导体圆柱系统4.4复变函数在静电场问题中的应用4.4.1复电位（复位函数）4.4.2保角变换（保角映射）4.4.3许瓦兹－克瑞斯托弗尔变换4.5静电场示意场图的画法4.5.1静电场示意场图的作用4.5.2绘制静电场示意场图的基本法则4.5.3静电场示意场图实例一、在球形接地导体空腔内有一个点电荷二、两个不等量的异号电荷三、接地导体上的矩形空气槽四、矩形空气域五、两个同轴圆柱面间的空气域习题第五章静电场的分离变量法求解5.1拉普拉斯方程的变量可分离解5.1.1在直角坐标系中一、平凡解（明显解）二、一般解5.1.2在柱坐标系中一、平凡解二、与z变量无关的二维一般解三、柱坐标中拉普拉斯方程解的物理意义5.1.3在球坐标系中一、平凡解二、一般解三、球坐标中拉普拉斯方程解的物理意义5.2静电场问题求解实例5.2.1边界电位值已知的静电系统例1（上下为导体板，左右为源的矩形二维空气域）例2（扇形域）例3（锥面间域）例4（导体块上的空气槽）例5（有导体角的矩形域，迭加原理）例6（立方域）5.2.2带有自然边界条件的静电系统例1（导体上的半无界缝）例2（已知电位分布的圆柱面）例3（已知电位分布的球面）5.2.3带有电位导数边界条件的静电系统例1（平板电容器）例2（长方体形电阻器）例3（矩形导体片）例4（内有面电荷的二维矩形空腔）例5（带面电荷的圆柱面）例6（带面电荷的球面）例7（两种导体构成的半圆形电阻）5.2.4带有趋势性边界条件的静电系统例1（中心放置电偶极子的导体球壳）例2（中心放置点电荷的导体球壳）例3（上下异号的线电荷）例4（均匀电流场中的导体球）例5（均匀电场中的导体圆柱）5.3柱坐标系中三维拉普拉斯方程的分离变量解习题第六章静磁场与位函数的远区多极子展开式6.1静磁场的矢量位6.1.1毕奥－沙瓦定律一、电流元产生的磁场二、闭合电流线产生的磁场三、分布电流产生的磁场6.1.2磁场的矢量位一、静磁场方程二、磁场的矢量位三、磁矢位的方程四、磁矢位方程的解五、磁矢位的物理意义六、边界条件6.1.3例题6.2静磁场的标量位6.2.1磁标位一、磁标位的定义二、一个电流环的磁标位三、磁标位的方程和方程解族四、边界条件6.2.2例题6.3位函数在远区的多极子展开式6.3.1静电标量位Φ（r）的多极子展开式一、1/RQP的级数展开式二、Φ（r）的展开式三、电位Φ（r）多极子展开式的物理意义四、多极子展开式的应用6.3.2磁矢位A（r）的远区多极子展开式习题第七章有物质存在时的宏观场定律7.1物质极化的宏观模型7.1.1极化的概念7.1.2极化强度P7.1.3极化电荷与电场高斯定律一、极化电荷二、宏观极化模型下的电场高斯定律7.1.4极化电流与修正的安培定律一、极化电流二、宏观极化模型下的修正安培定律7.2极化问题举例7.2.1永久极化物体一、永久极化板二、永久极化球7.2.2非永久极化物体一、均匀电场中的电介质球二、填充均匀∈材料的平行板电容器三、填充非均匀∈材料的电容器四、空心介质球心放置一个电偶极子7.3物质磁化的安培电流模型7.3.1物质磁化的机理7.3.2磁化强度M7.3.3磁化电流密度7.3.4安培电流模型下的场定律7.3.5永久磁化圆柱的磁场7.4物质磁化的磁荷模型7.4.1物质磁化的机理7.4.2磁荷模型下的磁化强度7.4.3物质中的磁场高斯定律7.4.4物质中的法拉第电磁感应定律7.4.5永久磁化圆柱的磁场7.4.6有均匀磁介质的磁场系统一、均匀磁场中的磁介质球二、空心磁介质球心放置一个磁偶极子7.5物质中的场量组成关系和场定律7.5.1物质中的场量组成关系一、单值关系二、多值关系三、各向同性和各向异性7.5.2物质中的电磁场定律一、B－D形式的场定律二、E－H形式的场定律三、对称形式的场定律习题第八章电磁场的能量和功率8.1静电场和静磁场的能量8.1.1静电场的能量8.1.2静电场能计算举例8.1.3静磁场能量8.1.4静磁场能计算举例8.2坡印廷定理8.2.1电磁场供给运动电磁荷的功率一、电磁场对运动电磁荷的电磁力二、电磁场供给运动电磁荷的功率8.2.2坡印廷定理一、微分形式的坡印廷定理二、积分形式的坡印廷定理8.2.3坡印廷定理的量纲单位分析8.2.4坡印廷定理的物理解释一、对微分形式坡印廷定理的物理解释二、对积分形式坡印廷定理的物理解释三、在解释坡印廷定理上的假说性8.2.5对S和w的补充规定8.2.6坡印廷定理在物质中的应用8.3静态功率流与损耗8.4物质中的极化能和磁化能8.4.1极化能和电能8.4.2磁化能和磁能8.4.3磁能计算举例8.4.4物质宏观模型与坡印廷定理的关系8.5小结习题第九章时变场的低频特性9.1平行板系统中的交变电磁场9.1.1交变电磁场的严格解9.1.2平行板系统的低频响应9.2时变场的幂级数解法9.3低频系统中的场9.3.1平行板系统一、参考点的选取二、零阶场三、一阶场四、高阶场五、场分布和等效电路9.3.2单匝电感器一、系统的参考点二、零级近似场三、一级近似场四、二级近似场五、高阶场9.3.3多匝线圈一、不考虑线圈存在时的一阶电场二、放入线圈后的一阶电场三、计算a、b两点间的端电压9.4电路理论与电磁场理论的关系习题第十章平面电磁波10.1自由空间中均匀平面波的时域解10.1.1均匀平面波的电场和磁场时域解10.1.2均匀平面波的传播特性10.2正弦律时变场10.2.1复矢量10.2.2复数形式的场定律10.2.3复矢量乘积的物理意义10.3正弦律均匀平面波10.3.1均匀平面波的频域解10.3.2复数形式的坡印廷定理10.3.3复数坡印廷定理与微波网络的关系10.4平面波在有耗媒质中的传播10.4.1有耗媒质中的均匀平面波解10.4.2半导电媒质中均匀平面波的传播10.4.3良导体的趋肤效应10.4.4相速、群速和色散10.5电磁波的极化状态10.5.1电场极化状态的概念10.5.2极化方向的工程判断法一、瞬时场极化方向的判断二、复数场极化方向的判断10.5.3波的分解与合成一、线极化波的分解二、椭圆极化波的分解三、圆极化波的分解10.6沿任意方向传播的均匀平面波10.6.1波的数学表达式一、一般形式二、在直角坐标系中的表达式三、在柱坐标系和球坐标系中的表达式10.6.2波的特性10.7无耗媒质中的非均匀平面波10.8频率极高时媒质中的波10.8.1电介质中的波10.8.2金属中的波10.8.3电离层和等离子体中的波习题第十一章平面波的反射与折射11.1在自由空间与理想导体分界面处的反射现象11.1.1正入射11.1.2斜入射一、垂直极化二、平行极化11.2在两种介质分界面处的反射和折射现象11.2.1垂直极化一、入射角θi＝0二、入射角θi＞011.2.2平行极化11.3导电媒质表面的反射和折射11.3.1导电媒质中的实数折射角一、媒质Ⅱ是良导体二、媒质Ⅱ是不良导体11.3.2良导体中的透射功率11.3.3导电表面的反射一、媒质Ⅱ是良导体二、媒质Ⅱ是不良导体11.4透波和吸波现象11.4.1透波现象一、电磁波正入射二、电磁波斜入射三、多层介质板的透波现象11.4.2吸波现象一、干涉型吸收材料二、宽带吸收材料习题第十二章电磁波的辐射12.1时变场的位函数12.1.1标量位和矢量位12.1.2赫兹电矢量Ⅱ12.2时变场位函数方程的解12.2.1克希荷夫积分12.2.2达朗贝尔公式12.3交变电偶极子的辐射12.3.1交变电偶极子的电磁场量一、矢量位二、磁场强度三、电场强度12.3.2交变电偶极子场的分析一、近区场二、远区场三、辐射场的方向性四、辐射功率五、辐射电阻12.4交变磁偶极子的辐射12.4.1通过复数矢量位求电磁场12.4.2使用电磁对偶原理求电磁场12.5缝隙元的辐射12.6半波天线12.7天线阵12.8线天线电磁场的精确计算12.9天线的输入功率和输入阻抗习题第十三章电磁场的基本定理13.1格林定理13.1.1标量格林定理13.1.2广义格林定理13.1.3矢量格林定理13.2亥姆霍尔兹定理13.3静态场的几个定理13.3.1标量位Φ的唯一性定理13.3.2平均值定理13.3.3无极值定理13.3.4汤姆生定理13.3.5恩绍定理13.3.6矢量位A的唯一性定理13.4坡印廷定理13.5电磁力的定理――麦克斯韦定理13.6时变场的唯一性定理13.7相似原理13.8二重性原理和电磁对偶原理13.9等效原理13.10感应定理13.11互易定理13.12天线远场定理13.13克希荷夫－惠更斯原理13.14费马原理附录A 矢量的代数运算附录B 坐标系的有关概念附录C 立体角的有关概念。

§6-3 自由空间中的电磁波1894年12月8日，麦克斯韦在英国皇家学会报告了他的论文《电磁场的动力学原理》，他从方程组出发，导出了电磁场的波动方程，于是他预言了迅变电磁场互相激发并以波的形式在空间传播，并得到电磁波的传播速度与当时已知的真空中的光速相等，于是他预言了：光是按照电磁定律经过场传播的电磁扰动——即光就是电磁波。

、一、自由空间中的电磁波假设在空间中000==J q 这时麦克斯韦方程组变为：因为在真空中，所以考虑到得0=⋅∇E同理对于磁场有：由微分方程理论我们知道，上式关于E 和B 的方程是典型的波动方程。

它表明脱离了场源的电磁志场是以波的形式在无界自由空间中传播的，它们的传播速度为：00/1με=v利用已知的真空介电常数和磁导率的数值，代入上式得：c s m v =×=/1038这说明电磁波和光波是性质相同的波，因此麦克斯韦预言了电磁波的存在，预言了光就是电磁波。

麦克斯把表面上似乎不相干的光现象和电磁现象统一了起来，为人类深刻认识光的本质树起了一座历史的丰碑。

从下一节电磁波谱中可看到，可见光只是其中一小部分。

平面电磁波在空间的传播·对于电场和磁场满足的波动微分方程，它们的一种最基本的解是存在于自由空间中的平面电磁波的解，复数表达式为：式中K r 是沿电磁波传播方向的一个常是矢量，称为波矢，其大小为·平面电磁波的复数形式只是为了运算方便实际存在的电场应理解为只取其实部，即：二、电磁波谱1886年，赫兹运用电磁振荡的方法产生了电磁波，从而证明了麦克斯韦理论的正确性，自此后，人们进行了许多实验，不仅进一步证明了光是一种电磁波，光在真空中的传播速度C 就是电磁波在真空中的传播速度；而且发现了不同频率和波长的电磁波，如无线电波、红外光、可见光、紫外光、X 射线和Y 射线等，这些电磁波按频率和波长的顺序排列起来构成电磁波谱。

下图给出了各种电磁波的名称和近似的波长范围，真空中的波长A 和频率，（这里采用光学中常用的符号v 代表频率0的关系为vc=λ已知的电磁波谱从很高的γ射线的频率（）下降到长无线电波的频率（）。

自由空间电磁波波长
自由空间电磁波是一种在真空中传播的电磁辐射，其波长可以通过以下公式计算：
λ = c / f
其中，λ为波长，c为光速，f为频率。

在自由空间中，电磁波的波长与频率成反比，即频率越高，波长越短。

电磁波是由电场和磁场交替变化产生的波动，其频率可以范围从极低频（ELF）到极高频（EHF）。

一般情况下，电磁波频率越高，其能量越大，穿透力也越强。

以下是一些常见的自由空间电磁波的波长和频率：
- 无线电波：波长范围从1mm到100km，频率范围从3kHz到300GHz。

在这个频率范围内，无线电波可用于广播、通讯、雷达等方面。

- 可见光波：波长范围从400nm到700nm，频率范围从430THz到770THz。

可见光波是一种可见的电磁波，被用于照明、沟通、娱乐等方面。

- 红外线波：波长范围从750nm到1mm，频率范围从300GHz到400THz。

红外线波被用于热成像、红外线夜视、通讯等方面。

- 嫩绿线波：波长为546.1nm，频率为548THz。

嫩绿线是可见光谱中的一条谱线，用
于测量距离、温度和密度等方面。

- 紫外线波：波长范围从10nm到400nm，频率范围从750THz到30PHz。

紫外线波被用于荧光检测、杀菌等方面。

- X射线波：波长范围从0.01nm到10nm，频率范围从30PHz到30EHZ。

X射线波被用
于医疗、材料检测等方面。

总之，自由空间电磁波具有不同的波长和频率，这也决定了它们在各个方面的应用。

电磁波的传播与传输电磁波是一种由振荡的电场和磁场组成的波动现象，它在空间中传播并传递能量。

在不同频率范围内，电磁波有着不同的传播方式和应用领域。

本文将探讨电磁波的传播与传输过程，并分析其在通讯、雷达和无线电等领域的应用。

一、电磁波的传播方式电磁波的传播方式主要包括自由空间传播、地面传播和电离层传播。

1. 自由空间传播自由空间传播是指电磁波在无障碍物的开放空间中传播。

在自由空间中，电磁波的传播速度与真空中的光速相同，即约为3×10^8米/秒。

自由空间传播是无线通信中最常见的传播方式，例如无线电、电视、卫星通信等都是利用自由空间传播电磁波来实现信息的传递。

2. 地面传播地面传播是指电磁波在地面附近的大气中通过地面反射、散射和绕射等方式传播。

当电磁波遇到建筑物、山脉等障碍物时，会出现多径传播现象，即电磁波以不同路径传播到达接收端，导致信号的衰减和多普勒频移。

地面传播广泛应用于雷达、无线局域网和移动通信等领域。

3. 电离层传播电离层是地球大气圈中的一个电离状态的区域，位于距离地面约60-1000千米的高度上。

电磁波在电离层中会发生层流、反射和透射等现象，使得电磁波能够远距离传播。

电离层传播主要应用于短波广播、天线电视和卫星通信等领域。

二、电磁波的传输特性电磁波的传输特性包括传输介质、传输距离和信号衰减等因素。

1. 传输介质电磁波的传输介质可以是真空、空气、水、金属或其他固体物质。

不同介质对电磁波的传播速度和传播损耗有着不同的影响。

例如，在真空中电磁波的传播速度最快，在金属中电磁波容易被吸收和衰减。

2. 传输距离电磁波的传输距离取决于传输频率和传输介质。

一般情况下，高频率的电磁波传输距离较短，低频率的电磁波传输距离较远。

此外，不同介质对电磁波的衰减程度也会影响传输距离。

在实际应用中，我们需要根据具体需求选择合适的传输距离和频率。

3. 信号衰减信号衰减是指电磁波在传输过程中由于各种因素导致信号强度的减小。

《电动力学电子教案》课件第一章：电磁场基本概念1.1 电磁场的定义与特性电磁场的概念电磁场的分类：静态电磁场和动态电磁场电磁场的特性：保守场与非保守场1.2 电磁场的基本方程高斯定律法拉第电磁感应定律安培环路定律麦克斯韦方程组1.3 电磁波的产生与传播电磁波的产生：麦克斯韦方程组的波动解电磁波的传播：波动方程和解电磁波的频率、波长和速度第二章：电磁波的波动方程及其解2.1 电磁波的波动方程电磁波的波动方程推导波动方程的边界条件2.2 电磁波的解平面电磁波的解球面电磁波的解2.3 电磁波的极化线极化圆极化椭圆极化第三章：电磁波的反射与折射3.1 电磁波在介质边界上的反射反射定律反射波的性质3.2 电磁波在介质边界上的折射折射定律折射波的性质3.3 电磁波的全反射全反射的条件全反射的物理意义第四章：电磁波的传播与应用4.1 电磁波在自由空间中的传播自由空间中的电磁波传播特性电磁波的传播速度和波长4.2 电磁波在大气中的传播大气对电磁波传播的影响大气层对电磁波的吸收和散射无线通信雷达微波炉第五章：电磁波的辐射与吸收5.1 电磁波的辐射电磁波的辐射机制天线辐射特性5.2 电磁波的吸收电磁波被物质吸收的机制吸收系数和损耗5.3 电磁波的辐射与吸收的应用无线通信设备的设计电磁兼容性分析电磁波探测与成像第六章：电磁波的量子电动力学基础6.1 量子力学与经典电磁学的对比经典电磁学的基本原理量子力学的基本原理6.2 量子电动力学的基本概念费米子的电磁相互作用光子与物质的相互作用6.3 量子电动力学的应用激光的原理与应用电子加速器与粒子物理实验第七章：相对论性电子学7.1 狭义相对论与电子学狭义相对论的基本原理狭义相对论对电子学的影响7.2 洛伦兹变换与电子学洛伦兹变换的定义与性质洛伦兹变换在电子学中的应用7.3 相对论性效应的应用高速电子设备的相对论性效应分析粒子加速器中的相对论性效应第八章：电子加速器与辐射效应8.1 电子加速器的基本原理电子加速器的工作原理电子束的特性和应用8.2 辐射效应的基本概念辐射对物质的影响辐射防护的基本原则8.3 辐射效应的应用医学影像学中的辐射效应无线电通信中的辐射效应第九章：电磁波探测器与测量9.1 电磁波探测器的原理与分类光电探测器微波探测器射线探测器9.2 电磁波测量技术直接测量法与间接测量法频率测量与功率测量9.3 电磁波探测与测量的应用无线电通信系统的性能评估地球物理勘探第十章：电磁波在现代科技中的应用10.1 电磁波在信息技术中的应用光纤通信技术无线通信技术10.2 电磁波在医学中的应用磁共振成像（MRI）射频消融技术10.3 电磁波在其他领域的应用雷达与遥感技术电磁兼容性与电磁防护重点和难点解析重点环节：1. 电磁场的定义与特性：电磁场的分类、电磁场的特性。

自由空间波长是一种概念，用来描述聚变能、电磁辐射、穿透物质和空间等多种物理现象。

它定义了能量的传播，是描述物理现象的重要参数。

下面将从理论和实践两方面进行介绍。

一、理论层面
1、定义：自由空间波长是从一个物体到另一个物体传播的电磁波的频率，它没有受到任何物
理结构的影响，可以被视为在真空中传播的电磁波。

2、性质：自由空间波长是波长固定的，它具有周期性和平稳性，可以指定振荡频率的大小，
从而指定电磁辐射的频率。

3、应用：自由空间波长在许多领域有着广泛的应用，如电磁辐射的传播和传感等。

它可以用
来定量衡量物体之间的距离，甚至可以用来测量宇宙的膨胀速度。

二、实践层面
1、无线传输：自由空间波长在无线传输中有着重要作用，它可以用来传播无线信号，如Wi-
Fi和蓝牙等。

它们可以通过不同的频率来传输数据，甚至可以在空间中发射信号，从而实现
多种功能。

2、激光技术：激光技术是一种用来传输光子的技术，它可以用来发射自由空间波长的激光束，从而实现投影显示、打印机扫描等功能。

3、通信系统：自由空间波长在通信系统中也有重要作用，它可以用来传输语音、视频和数据
等信息，从而实现远距离通信。

4、医疗：自由空间波长还可以用来进行医疗检查，如超声检查和核磁共振检查等，可以帮助
医生发现疾病的早期症状，进行准确的诊断。

总之，自由空间波长是物理现象中一个重要的参数，它可以用来描述物体之间的距离，也可以用来传播电磁辐射，它在无线传输、激光技术、通信系统和医疗检查等领域有着广泛的应用。

电磁波自由空间中,电场和磁场的方程电磁波在自由空间中传播，其电场和磁场的方程是描述电磁波特性的基本方程。

电场和磁场是电磁波的两个基本要素，它们相互作用、相互转换，共同构成了电磁波的传播过程。

我们来看电场方程。

电场是由电荷所产生的，其强度和方向决定了电场的特性。

在自由空间中，电场遵循麦克斯韦方程组中的法拉第电磁感应定律和电场高斯定律。

法拉第电磁感应定律描述了磁场的变化如何引起电场的变化。

它表明，变化的磁场会在空间中产生电场环路，这个电场环路的方向与磁场变化的方向相反。

这一定律揭示了电磁感应现象的本质，也是电磁波传播的基础。

电场高斯定律则描述了电荷如何产生电场，以及电场如何与电荷分布相关。

它表明，电场的源是电荷，电场的强度与电荷的数量和分布有关。

电场会从正电荷流向负电荷，形成电场线，电场线的密度表示了电场的强弱。

接下来，我们来看磁场方程。

磁场也是由电荷所产生的，其强度和方向决定了磁场的特性。

在自由空间中，磁场遵循麦克斯韦方程组中的安培环路定律和磁场高斯定律。

安培环路定律描述了电场的变化如何引起磁场的变化。

它表明，变化的电场会在空间中产生磁场环路，这个磁场环路的方向与电场变化的方向相反。

这一定律揭示了电磁感应现象的本质，也是电磁波传播的基础。

磁场高斯定律则描述了磁荷如何产生磁场，以及磁场如何与磁荷分布相关。

它表明，磁场的源是磁荷，磁场的强度与磁荷的数量和分布有关。

磁场线是闭合的环路，磁场线的密度表示了磁场的强弱。

电场和磁场的方程是描述电磁波传播的基本规律，它们相互作用、相互转换，共同构成了电磁波的传播过程。

电磁波的传播速度是光速，它在自由空间中以波的形式传播。

电磁波的频率和波长决定了它的性质和应用。

电磁波在通信、雷达、医学等领域有着广泛的应用，对人类的生活产生了巨大的影响。

通过深入理解电场和磁场的方程，我们能够更好地理解和应用电磁波。

电磁波传播特性理论与模拟研究第一章电磁波传播基础电磁波是指在空间中传播的电场和磁场的振荡，常见的电磁波有微波、射频波、无线电波等。

电磁波具有一系列的特性，其中最重要的特性是传播特性。

电磁波的传播是指愈变愈弱地向周围传播，传播距离和功率的关系是指数函数关系，即功率随距离的平方增长。

电磁波的传播特性与频率、传播介质等因素密切相关。

第二章电磁波传输模型为了更好地研究电磁波的传播特性，科学家们建立了一系列的电磁波传输模型。

这些模型主要包括自由空间传输模型、满空间传输模型、地面传输模型、衰减模型等。

其中自由空间传输模型是最基本的模型，指的是在没有遇到任何障碍物的情况下，电磁波在空气中传播的模型。

满空间传输模型则是在介质中传播的模型，主要应用于射频和微波领域，其计算方法和自由空间传输模型相似。

地面传输模型主要应用于电台通信和雷达等领域，其计算方法不同于自由空间传输模型，需要考虑大地效应和建筑物等障碍物的影响。

衰减模型则是文献中颇为常见的一种模型，其主要用于计算信号的损耗，同时也是研究电磁波传播特性的一个重要模型。

第三章电磁波传输模拟随着在通信、雷达、无线电等领域的广泛应用，人们需要了解和模拟电磁波在特定环境下的传播特性。

为此，科学家们开发了一系列的电磁波传输模拟软件，涵盖多种模型和算法。

其中比较常见的电磁波传输模拟软件包括HFSS、CST、ADS等。

这些软件各自有其独特的特点和优势，可用于解决不同领域中的电磁波传输问题，如高频电路设计、天线设计、微波和毫米波电路等。

第四章电磁波传播仿真应用实例一些实际的应用案例可以帮助我们更好地理解电磁波传播特性的研究。

例如，在通信领域，考虑到城市建筑的影响，需要进行电磁波传播仿真，以研究无线电网络的性能。

在雷达领域，电磁波传播仿真可用于优化雷达天线方向图，提高雷达的探测距离和分辨率。

在高频电路设计中，模拟电磁波传输可以帮助设计师优化电路结构，提高电路的工作效率和稳定性。

第五章总结电磁波传播特性是电磁学中的核心问题之一，对研发新型电子元器件和无线通信技术具有重要的意义。