电磁场与电磁波课件下载1

分析和处理电磁场问题的方法 —— 数学处理过程
矢量分析
本课程约定
? 物理量符号上方用“ ? ”或粗斜? 印刷体代表矢量 ，例如电场强度矢量E
? 物理量符号上方用“ ? ”代表单
位矢量，例如e?x,e?y,e?z 分别代表 x，
y，z 方?向的单位矢量， r? 代表位置 矢量 r 的单位矢量
第一章 矢量分析
e??
?
单位圆
x
?e??
??
?
? e?xcos?
? e?ysin?
?
? e?ρ
xy 平面上的投影图
?
矢量表示： A ? e?? A? ? e?? A? ? e?z Az
z
e?z
位置矢
r ? e?? ? ? e??? ? e?z z ???
?
位置矢量 ： r ? e?? ? ? e?zz
? P(?, ?, z) r
场物理量随时间变化。本课程主要讨论随 时间正弦或余弦变化的时变场，称时谐场
标量场（ Scalar Field ）
场物理量是标量，如温度场，电位场等
场矢物量理场量（是矢Ve量c，to如r F电ie场ldE??）r?,t?
2. 三种常用的坐标系
直角坐标系 基本变量： x, y, z
z
? P(x,y,z) r
e?x ? e?x ? e?y ? e?y ? e?z ? e?z ? 0
e?z e?y
e?x ?e?y ? e?y ?e?z ? e?z ?e?x ? 0
e?x
e?x ?e?x ? e?y ?e?y ? e?z ?e?z ? 1
??
? ? e?x e?x e?x
A?B ? AxBx ? AyBy ? Az Bz A ? B ? Ax Ay Az

第1章 矢量分析基础
第1章 矢量分析基础
1.1 矢量分析 1.2 场论 1.3 标量场的方向导数和梯度 1.4 矢量场的通量及散度 1.5 矢量场的环量和旋度 1.6 亥姆霍兹定理 1.7 圆柱坐标系和球坐标系
第1章 矢量分析基础 1.1 矢量分析 矢量分析讨论矢性函数的求导、积分等内容，它是矢量代 数的继续，也是场论的基础。在物理学和工程实际中，许多物 理量本身就是矢量，如电场强度、磁场强度、流体的流动速度、 物质的质量扩散速度及引力等。采用矢量分析研究这些量是很 方便的。有些物理量本身是标量，但是描述它们的空间变化特 性用矢量较为方便。如物体的引力势，描述它的空间变化就需 要用引力。再比如，空间的电位分布，描述其变化采用电场强 度较为方便。
记为
，u 即
l M0
u lim u(M ) u(M0 )
l M0 M M0
M0M
(1-7)
第1章 矢量分析基础 图1-6 梯度和方向导数
第1章 矢量分析基础
2. 方向导数的计算公式
设有向线段l的单位矢量为l°=l/l，这个单位矢量的方
向余弦为(cosα, cosβ, cosγ)，则标量场在某点的方向导
第1章 矢量分析基础
例1-1 若两个点电荷产生的电位 u(x, y, z) kq kAq r r1
为 r x2 y2 z2 r1 ,其(x a)2 y2 z2
中
，
，A、q和k是常数。求
电位等于零的等位面方程。
解 令u＝0，则有1/r=A/r1，即Ar=r1, 左右同时平方, 得
(xA2(x2a+y2+)z22)=(yx2+a)z22+y2+z2A2a 2
若问题的本身就是两个变量的函数，这种情形叫做平面标 量场。此时，标量场一般可以写为u(x，y)。标量场具有相同 数值的点，就组成标量场的等值线，等值线方程为

PART 03
电磁场与电磁波的应用
无线通信
无线通信是利用电磁波在空间传输信息的通信方式，包括移动通信、无线局域网、 卫星通信等。
无线通信技术不断发展，从2G到5G，传输速度和可靠性不断提高，覆盖范围也不断 扩大。
无线通信在现代社会中发挥着重要作用，是人们获取信息、交流沟通的主要方式之 一。
雷达探测
详细描述
磁测法使用磁通量探头或磁力计来测量磁场 强度或磁通量密度，通过测量磁力或磁通量 变化来推算电场强度。这种方法在磁场测量 和磁力应用中较为常见，具有较高的灵敏度 和分辨率。
光测法
总结词
光测法是一种通过测量光的干涉、衍射和偏 振等特性来研究电磁场的方法。
详细描述
光测法利用光的干涉、衍射和偏振等特性与 电磁场相互作用的原理，通过测量光的变化 来推算电磁场的分布和性质。这种方法在光 学和光谱学领域中较为常见，具有较高的空
总结词
电磁波的电场矢量方向称为极化方向， 极化是电磁波的一个重要特性。
VS
详细描述
在空间中传播的电磁波，其电场矢量的方 向称为极化方向。由于电场和磁场相互垂 直，因此极化方向与传播方向构成一个平 面。不同的极化方向可以影响电磁波的传 播方式和性质，如折射、反射等。极化是 研究电磁波传播和应用的重要参数之一。
雷达探测是利用电磁波探测目标 并获取其位置、速度、形状等信
息的探测方式。
雷达广泛应用于军事、航空、气 象等领域，对于监测和预警具有
重要意义。
雷达探测技术不断发展，探测精 度和抗干扰能力不断提高，能够
更好地满足各种应用需求。
医学成像
医学成像是指利用电磁波对生 物体进行无损检测和成像的技 术。
医学成像技术包括X射线、超 声、核磁共振等，能够提供人 体内部结构和病变的详细信息 。

(z)Ur(z)Ir(z) Ui(z) Ii(z)
▪ 对无耗传输线γ=jβ，终端负载为Zl，得 (z ) A A 2 1 e e j j z z Z Z L L Z Z 0 0 e j2 z L e j2 z
▪ 其中
LZ ZL L Z Z0 0Lejl
称为终端反射系数
7.1 均匀传输线的分析
U min
A1[1
l
]
I
max
A1 Z0
[1
l
]
▪ 电压波节点阻抗也为纯电阻， 其值为
Rmin
Z011 ll
Z0
7.2 传输线的等效
❖ 行驻波状态
▪ 可见电压波腹点和波节点相距λ/4，且两点阻抗有如下 关系： Rm axRm inZ0 2
7.2 传输线的等效
❖ 传输线的等效
▪ 终端短路的无耗传输线的等效
前向波与后向波的叠加
U(z)A1ez A2ez
I(z) 1 Z0
(A1ez
A2ez)
7.1 均匀传输线的分析
❖ 传输线的重要参量
▪ 特性阻抗Z0
Z0
R jL C jC
▪ 对于均匀无耗传输线， R=G=0， 因此均匀无耗传输
线的特性阻抗为
Z0
L C
▪ 此时， 特性阻抗Z0为实数， 且与频率无关。
7.1 均匀传输线的分析
❖ 传输线中的重要参量
▪ 传播常数γ
( R jL )G ( jC ) j
▪ 对于均匀无耗传输线，R=G=0，有jLCj ▪ 对于损耗很小的传输线， 即满足R<<ωL, G<<ωC时：
(R j L )(G j C )
j L (1 j R ) j C (1 j G )

三、安培定则
右手螺旋定则
定义:用 右手 握住通电导线,让伸直的拇指所指的方向与 电流 方向
一致,则弯曲的四指所指的方向就是 磁感线
环绕的方向;如果右手弯
曲的四指与 环形电流 的方向一致,伸直的拇指所指的方向就是环形 导线 轴线 上磁感线的方向,如图所示。
【问题思考】 通电螺线管相当于一个条形磁铁,一端是N极,另一端是S极, 把一个小磁针放入螺线管内部,小磁针的N极指向螺线管的哪端? 提示 指向N极。小磁针N极的指向是N极受到磁场力的方向,N极受力的方 向是该位置的磁感线的方向,在螺线管内部,磁感线方向由S极指向N极。 所以小磁针的N极指向螺线管的N极。
要点提示 不对。不管是磁铁的磁场,还是电流的磁场,磁感线都是闭合的。
知识归纳
1.磁感线的特点 (1)磁感线上任一点的切线方向表示该点的磁场方向,即小磁针N极受力的 方向。 (2)磁铁外部的磁感线从N极指向S极,内部从S极指向N极,磁感线是闭合曲 线。 (3)磁感线的疏密表示磁场强弱,磁感线密集处磁场强,磁感线稀疏处磁场 弱。 (4)磁感线在空间不相交。
规律方法 本题考查磁场与电场的有关理解,在处理这类题目时要注意理 解概念。 (1)注意磁场与电场的区别; (2)理解磁体与磁体、通电导体与通电导体、磁体与通电导体之间的作用 都是通过磁场产生的。不要将通电导体与通电导体之间的相互作用理解 成是通过电场产生的。
针对训练1 下列关于磁场的说法正确的是( ) A.磁场和电场一样,是客观存在的特殊物质 B.磁场是为了解释磁极间相互作用而人为规定的,是不存在的 C.磁极与磁极之间的相互作用是直接发生作用的 D.磁场只有在磁极与磁极、磁极与电流发生作用时才产生
答案 C
解析 小磁针静止时N极的指向与该点磁感线的方向相同,如果a、b、c三 处磁感线的方向确定,那么三枚小磁针静止时N极的指向也就确定。所以, 只要画出通电螺线管的磁感线(如图所示),即可知a磁针的N极指向左边,b 磁针的N极指向右边,c磁针的N极指向右边。

探究一
探究二
随堂检测
画龙点睛变化的磁场周围产生电场,与是否有闭合电路存在无关。
2.对麦克斯韦电磁场理论的理解
探究一
探究二
随堂检测
实例引导例1根据麦克斯韦电磁场理论,下列说法正确的是( )A.有电场的空间一定存在磁场,有磁场的空间也一定能产生电场B.在变化的电场周围一定产生变化的磁场,在变化的磁场周围一定产生变化的电场C.均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场D.周期性变化的磁场周围空间一定产生周期性变化的电场解析:根据麦克斯韦电磁场理论,只有变化的电场才能产生磁场,均匀变化的电场产生恒定的磁场,非均匀变化的电场产生变化识
自我检测
1.正误判断。(1)电磁波也能产生干涉、衍射现象。( )答案:√(2)电磁波的传播不需要介质,可以在真空中传播。答案:√2.探究讨论。为什么电磁波是横波?答案:根据麦克斯韦电磁场理论,电磁波在真空中传播时,它的电场强度和磁感应强度是相互垂直的,且二者均与波的传播方向垂直。因此,电磁波是横波。
探究一
探究二
随堂检测
规律方法理解麦克斯韦的电磁场理论的关键掌握四个关键词:“恒定的”“均匀变化的”“非均匀变化的”“周期性变化的(即振荡的)”,这些都是对时间来说的,是时间的函数。
探究一
探究二
随堂检测
变式训练1如图所示的四种电场中,哪一种能产生电磁波( )
解析:由麦克斯韦电磁场理论,当空间出现恒定的电场时(如A图),由于它不激发磁场,故无电磁波产生;当出现均匀变化的电场时(如B、C图),会激发出磁场,但磁场恒定,不会激发出电场,故也不会产生电磁波;只有振荡的电场(即周期性变化的电场)(如D图),才会激发出振荡的磁场,振荡的磁场又激发出振荡的电场……如此周而复始,便会形成电磁波。答案:D

》矢性函数：设t是数性变量， A为变矢，对于某区间G[a,b] 内的每一个数值t，A 都有一确定的矢量 A( t ) 与之对应，则 开复课件网 A A( t ) 称 A为数性变量t的矢性函数，记为：
• 物理量：被赋予物理单位并具有一定物理意义的矢 量和标量。如电压U、电荷量Q等。 • 场：在某一空间区域中，物理量数值的无穷集合， 如温度场，电位场等。 • 标量场：在指定的时刻，空间每一点可以用一个标 量唯一地描述，则该标量函数定义一个标量场。如 温度、密度等。 • 矢量场：在指定的时刻，空间每一点可以用一个矢 量唯一地描述，则该矢量函数定义一个矢量场。如 电场、磁场、流速场等。
符合右手螺旋法则
特点： A B B A
结论：若两不为零矢量的叉积为零，则两矢量互相平行 直角坐标系中：e x e x e y e y ez ez 0 右手螺 旋法则 e x e y ez e y 开复课件网 ez ez e x e y x
数学知识补充—矩阵和行列式的计算
• 余子式：在 n 阶行列式 A aij 中去掉元素 aij 所在 的行和列，剩下的 n-1 阶行列式称为元素 aij 的余子 式。记为 M ij
i j a • 代数余子式： ij 的余子式前添加符号 ( 1) ，称 aij
的代数余子式，记为 Aij ， Aij ( 1)i j M ij
A A A A
2 x 2 y

2 z

12
开复课件网
数学知识补充——矢量的代数运算
• 求和差 》作图法： 平行四边形法则 》分量法： A B e x ( Ax Bx ) e y ( Ay B y ) ez ( Az Bz ) • 求点积 （标量积、内积） 公式： A B AB cos 特点： A B B A 结论：若两不为零矢量的点积为零，则两矢量互相垂直 直角坐标系中： e x e y e y ez e x ez 0

国际标准
国际非电离辐射防护委员会（ ICNIRP）制定了电磁辐射的安全标 准，限制了公众暴露在特定频率和强 度的电磁场中的最大容许暴露量。
各国标准
不同国家和地区根据自身情况制定了 相应的电磁辐射安全标准，以确保公 众的健康安全。
电磁波的防护措施
远离高强度电磁场
尽量减少在高压线、变电站、雷 达站等高强度电磁场区域的停留
射电望远镜是射电天文学的主要观测设备，可以接收来自宇宙的微弱射电信号。
射电天文学的发展对于人类认识宇宙、探索宇宙奥秘具有重要意义。
电磁波探测与成像
电磁波探测与成像技术利用电磁波的 特性，实现对物体内部结构的探测和 成像。
电磁波探测与成像技术对于医学诊断 、无损检测等领域具有重要意义。
医学上常用的超声波、核磁共振等技 术都是基于电磁波的探测与成像原理 。
这些物理量在电磁场与物质相互作用中起着重要作用，例如在光子与物 质的相互作用中，光子的能量和动量会与物质的能量和动量发生交换。
06
电磁场与电磁波的计算机模 拟
时域有限差分法（FDTD）
总结词
一种用于模拟电磁波传播的数值方法，通过在时域上逐步推进电磁场的变化来求解波动 方程。
详细描述
时域有限差分法（FDTD）是一种基于麦克斯韦方程组的数值计算方法，通过将电磁场 分量在空间和时间上交替离散化，将波动方程转化为差分方程，从而在计算机上实现电 磁波传播过程的模拟。这种方法在计算电磁波传播、散射、吸收等过程中具有广泛的应
磁场
磁Hale Waihona Puke 和电流周围存在的一种特殊 物质，对其中运动的磁体和电流 施加力。
电磁场与电磁波的产生
1 2
3
变化的电场产生磁场
根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场在其周围产生磁场 。

高中物理 选择性必修第二册 第四章 电磁振荡与电磁波
引入
问题： 电磁振荡电路中的能量有一部分要以电磁波的形 式辐射到周围空间中去，那么，这些电磁波是怎 样产生的？
高中物理 选择性必修第二册 第四章 电磁振荡与电磁波
一、电磁场
1.变化的磁场产生电场 (1)实验基础：如图1所示，在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里就会产生感应电流.
1886，赫兹通过自制的实验装置，证实了电磁波的存在。仪器中有一对抛光的金属小球，两球 之间有很小的空气间隙。将两球连接到产生高压的感应圈的两端时，两球之间出现了火花放电。 如果能够适时地把能量补充到振荡电路中，以补偿能量损耗，就可以得到振幅不变的等幅振 荡(图4.1-3)。实际电路中由电源通过电子器件为LC电路补充能量。
(3) 电 磁 波 的 波 长 、 频 率 、 波 速 的 关 系λ：f v ＝
， 在 真 空 中 ， 电 磁3波.0×的1速08度 c ＝
m/s.
(4)电磁波能产生反射、折射 、干涉、偏振和衍射等现象.
高中物理 选择性必修第二册 第四章 电磁振荡与电磁波
3.电磁波具有能量 电磁场的转换就是电场能量与磁场能量的转换，电磁波的发射过程是辐射能量的过程， 传播过程是能量传播的过程. 4.电磁波的发现
均匀变化的磁场在周围空间产生恒 均匀变化的电场在周围空间产生恒
定的电场
定的磁场
不均匀变化的磁场在周围空间产生 不均匀变化的电场在周磁场产生同频率的振荡电场
振荡电场产生同频率的振荡磁场
高中物理 选择性必修第二册 第四章 电磁振荡与电磁波
当堂检测
1.根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是（ D ）
高中物理 选择性必修第二册 第四章 电磁振荡与电磁波

(x x')2 (y y')2 (z z')2
ey
(x x')2
y y' (y y')2
(z z')2
ez
R
R
z z' (x x')2 (y y')2 (z z')2
续
先证明一个关系：
f (R) ex
xf (R) ey源自yf (R) ez
z
直角坐标系中的矢量公式
任一矢量 A在直角坐标系中可表示为：
A ex Ax ey Ay ez Az
矢量和：
A B ex (Ax Bx ) ey (Ay By ) ez (Az Bz )
矢量点积：
A B AxBx AyBy Az Bz
直角坐标系中的叉积
A B (ex Ax ey Ay ez Az )(exBx eyBy ez Bz )
z) ez
的三个相互正交的坐
分别是 , 和z 增
加的方向，且遵循右手螺旋法 则
e e ez , e ez e
ez e e
坐标单位矢量不一定是常矢量，除了z方向例 外
园柱坐标系单位矢量和直角系单位矢
量的变换关系
e
exc
os
ey
s
in
e ex sin ey cos
或反过来，
ex ey
A(B C) AB AC
矢量的叉积
两个矢量 A 和 B 的叉积 A B 是一
个矢量，它垂直于包含矢量 A 和 B 的
平 确面定，符其合大右A小 手定 法B义 则为(e手n A指AB从BssininA卷，向方B向) 的
根据叉积定义，显然有 A B B A

8. Oblique Incidence at Boundary between Perfect Dielectric 9. Null and Total Reflections 10. Oblique Incidence at Conducting Boundary 11. Oblique Incidence at Perfect Conducting Boundary 12. Plane Waves in Plasma 13. Plane Waves in Ferrite
1. Radiation by An Electric Current Element 2. Directivity of Antennas 3. Radiation by Symmetrical Antennas 4. Radiation by Antenna Arrays 5. Radiation by Electric Current Loop
Chapter 8
Plane Electromagnetic Waves
1. Wave Equations 2. Plane Waves in Perfect Dielectrics 3. Plane Waves in Conducting Media 4. Polarizations of Plane Waves 5. Normal Incidence on A Planar Surface 6. Normal Incidence at Multiple Boundaries 7. Plane Waves in Arbitrary Directions
Preface Chapter 1 Vector Analysis
1. Directional Derivative and Gradient of Scalar Fields 2. Flux and Divergence of Vector Fields 3. Circulation and Curl of Vector Fields 4. Solenoidal and Irrotational Fields 5. Green's Theorems 6. Uniqueness Theorem for Vector Fields 7. Helmholtz's Theorem 8. Orthogonal Curvilinear Coordinates

电磁波的散射与衍射
散射
当电磁波遇到尺寸远小于其波长 的障碍物时，会产生散射现象， 散射波向各个方向传播。
衍射
当电磁波遇到尺寸接近或大于其 波长的障碍物时，会产生衍射现 象，衍射波在障碍物后形成复杂 的干涉图样。
03
电磁波的辐射与接收
天线的基本概念与分类
天线的基本概念
天线是用于发射和接收电磁波的设备，在通信、雷达、无线电等系统中广泛应 用。
再经过信号处理得到目标的图像。
02
系统组成
红外成像系统主要由光学系统、红外探测器和信号处理系统组成。
03
电磁场与电磁波在红外成像中的应用
电磁场与电磁波在红外成像中用于接收目标的辐射信息，经过处理得到
目标的图像。
05
电磁场与电磁波实验
电容与电感测量实验
总结词
掌握电容和电感的基本测量方法
详细描述
通过实验学习如何使用电桥、交流电桥等基本测量工具，了解不同类型电容和电感的工作原理和测量方法，掌握 电容和电感的基本特性。
折射率与波长有关
不同媒质对不同波长的电磁波有不 同的折射率。
电磁波的反射与折射
反射定律
当电磁波遇到不同媒质的分界面时， 一部分能量返回原媒质，一部分能量 进入新媒质。反射波和入射波的振幅 和相位关系遵守反射定律。
折射定律
当电磁波从一种媒质进入另一种媒质 时，其传播方向发生改变，这种现象 称为折射。折射定律描述了折射角与 入射角、折射率之间的关系。
电磁场与电磁波课件
目录
• 电磁场的基本概念 • 电磁波的传播特性 • 电磁波的辐射与接收 • 电磁场与电磁波的应用 • 电磁场与电磁波实验 • 总结与展望
01
电磁场的基本概念

④电磁波的频率由振源决定，波速由介质与电磁 波种类共同决定(因为不同的电磁波进入同种介质折射率不一 样)，波长由振源、介质和电磁波种类共同决定。
且三者之间存在这样的关系：c 或者v '
⑤电磁波也会发生反射、折射、干涉、衍射、多 普勒效应和偏振现象 ⑥电磁波具有能量，可以传递信息
二.电磁波
3.电磁波的发现： 1886年，赫兹通过自制的实验装置证实了电磁波 的存在。
一.电磁场
1.变化的磁场产生电场
在变化的磁场中放入一个闭合电路，电路里会产生感应电流。这 是法拉第发现的电磁感应现象。麦克斯韦进一步想到：既然产生 了感应电流，一定是有了电场，它促使导体中的自由电荷做定向 运动；即使在变化的磁场中没有闭合电路，也会在空间产生电场。
注意： ①恒定的磁场不产生电场 ②均匀变化的磁场产生恒定 的电场 ③不均匀变化的磁场产生变 化的电场 ④周期性变化的振荡磁场产生同频率周期性变化 的振荡电场
一.电磁场 3.电场和磁场的变化关系
非均
变
匀变 激发 化
化的
电
磁场
场
均
稳
匀 激发 定
变
磁
化
场
非均
变
匀变 激发 化
化的
磁
电场
场
不
再
激 发
均
稳
匀 激发 定
变
电
化
场
非均 匀变 化的 磁场
一.电磁场
4.电磁场 变化的电场和磁场总是相互联系的，形成一个不 可分割的统一的场，这个场叫电磁场。
二.电磁波
1.电磁波：麦克斯韦推断变化的 电场和变化的磁场交替产生，由 近及远地向周围传播形成电磁波。 2.电磁波的特点： ①电磁波传播不需要介质

化的电场，能产生电磁波。
课堂小结
1.变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场
2.变化的电场和磁场交替产生，由近及远地向周围传播，形成电磁波。
①波速=光速c
②靠电和磁的相互"感应"传播，而不是靠介质的机械传递。
③方向：与电场强度E与磁感应强度B互相垂直
3.麦克斯韦预言电磁波的存在，以及光是一种电磁波。
三、电磁波与机械波的比较
对比内容
电磁波
机械波
本质
电磁现象
力学现象
产生机理
由电磁振荡产生
由机械振动产生
周期性变化的量
场强E与磁感应强度B随时 质点的位移x、加速度a随时
间和空间作周期性变化
波的性质
传播介质
速度特点
横波
不需要介质，可在真空中
传播
由介质和频率决定
间和空间作周期性变化
既有横波，又有纵波
只在弹性介质中传播
变化的电场产生磁场 电场就像运动的电荷，也会在空间产生磁场。
一、电磁场
电磁波的发现过程
“电生磁”
“磁生电”
麦克斯韦
麦克斯韦猜想与假设：
1 . 变化的磁场产生电场
预言了电磁波的存在
2 . 变化的电场产生磁场
预言光是一种电磁波
赫兹检测到了电磁波，测出电磁波波速等于光速。
一、电磁场
二、电磁波
如果一个变化的电场会产生一个变化的磁场，
解析:电磁波具有波所特有的各种属性,即电磁波具有干涉、衍射、反射
等现象。
答案:D
7、类比是一种有效的学习方法，通过归类和比较，有助于掌握新知
识，提高学习效率。在类比过程中，既要找出共同之处，又要抓住不
同之处。某同学对机械波和电磁波进行类比，总结出下列内容，其中