第一章引言1.11.21.7

第三章麥克斯韋方程3.1主題：電磁運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié) ——麥克斯韋方程（積分形式）電磁場(chǎng)理論發(fā)展簡(jiǎn)史

1．電磁場(chǎng)理論的早期研究

電、磁現(xiàn)象是大自然最重要的物理現(xiàn)象，也最早被科學(xué)家們關(guān)心和研究的物理現(xiàn)象，其中貢獻(xiàn)最大的有來頓、富蘭克林、伏打等科學(xué)家。19世紀(jì)以前，電、磁現(xiàn)象作為兩個(gè)獨(dú)立的物理現(xiàn)象，沒有發(fā)現(xiàn)電與磁的聯(lián)系。但是這些研究為電磁學(xué)理論的建立奠定了基礎(chǔ)。2．電磁場(chǎng)理論的建立18世紀(jì)末期，德國(guó)哲學(xué)家謝林認(rèn)為，宇宙是有活力的，而不是僵死的。他認(rèn)為電就是宇宙的活力，是宇宙的靈魂；電、磁、光、熱是相互聯(lián)系的。奧斯特是謝林的信徒，他從1807年開始研究電磁之間的關(guān)系。1820年，他發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針。安培發(fā)現(xiàn)作用力的方向和電流的方向以及磁針到通過電流的導(dǎo)線的垂直線方向相互垂直，并定量建立了若干數(shù)學(xué)公式。法拉第相信電、磁、光、熱是相互聯(lián)系的。奧斯特1820年發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針后，法拉第敏銳地意識(shí)到磁也一定能夠?qū)﹄姰a(chǎn)生影響。1821年他開始探索磁生電的實(shí)驗(yàn)。1831年他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁捧插入導(dǎo)體線圈時(shí)；導(dǎo)線圈中就產(chǎn)生電流。這表明，電與磁之間存在著密切的聯(lián)系。

麥克斯韋深入研究并探討了電與磁之間發(fā)生作用的問題，發(fā)展了場(chǎng)的概念。在法拉第實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，引進(jìn)位移電流的概念，提出了一組描述電磁現(xiàn)象的規(guī)律偏微分方程，即麥克斯韋方程組，是經(jīng)典電磁學(xué)的基本方程。Maxwell1873年Maxwell的巨著“ATreatiseofElectricityandMagnetism”預(yù)言電磁波的存在3．電磁場(chǎng)理論的應(yīng)用和發(fā)展

1887年，德國(guó)科學(xué)家赫茲用火花隙激勵(lì)一個(gè)環(huán)狀天線，用另一個(gè)帶隙的環(huán)狀天線接收，證實(shí)了麥克斯韋關(guān)于電磁波存在的預(yù)言，這一重要的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致了后來無線電報(bào)的發(fā)明。從此開始了電磁場(chǎng)理論應(yīng)用與發(fā)展時(shí)代，成為當(dāng)代最活躍的學(xué)科領(lǐng)域。Hertz實(shí)驗(yàn)裝置1888年Hertz實(shí)驗(yàn)證明電磁波的存在無線電報(bào)

1895年，意大利馬可尼成功地進(jìn)行了2.5公里距離的無線電報(bào)傳送實(shí)驗(yàn)。1896年，波波夫進(jìn)行了約250米距離的類似試驗(yàn),1899年,無線電報(bào)跨越英吉利海峽的試驗(yàn)成功；1901年，跨越大西洋的3200公里距離的試驗(yàn)成功。開始了利用電磁波進(jìn)行信息傳輸?shù)臅r(shí)代。馬可尼以其在無線電報(bào)等領(lǐng)域的成就，獲得1909年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。有線電話1876年,美國(guó)科學(xué)家貝爾在美國(guó)建國(guó)100周年博覽會(huì)上展示了他所發(fā)明的有線電話。此后,有線電話便迅速普及開來。

廣播

1906年，美國(guó)費(fèi)森登用50千赫頻率發(fā)電機(jī)作發(fā)射機(jī)，用微音器接入天線實(shí)現(xiàn)調(diào)制，使大西洋航船上的報(bào)務(wù)員聽到了他從波士頓播出的音樂。1919年，第一個(gè)定時(shí)播發(fā)語(yǔ)言和音樂的無線電廣播電臺(tái)在英國(guó)建成。次年，在美國(guó)的匹茲堡城又建成一座無線電廣播電臺(tái)。電視1884年，德國(guó)尼普科夫提出機(jī)械掃描電視的設(shè)想，1927年，英國(guó)貝爾德成功地用電話線路把圖像從倫敦傳至大西洋中的船上。茲沃霄金在1923年和1924年相繼發(fā)明了攝像管和顯像管。1931年，世界上第一個(gè)全電子電視系統(tǒng)出現(xiàn)。雷達(dá)（RadioDetectionandRanging）1922年，意大利科學(xué)家G·馬可尼發(fā)表了無線電波能檢測(cè)物體的論文，是雷達(dá)最早的基本概念。雷達(dá)作為一種探測(cè)目標(biāo)的電子設(shè)備，產(chǎn)生于二次世界大戰(zhàn)。雷達(dá)的英文

RADAR是RadioDetectionAndRanging的縮寫，意為“無線電探測(cè)和測(cè)距”。1936年，英國(guó)的瓦特設(shè)計(jì)的警戒雷達(dá)最先投入了運(yùn)行。有效地警戒了來自德國(guó)的轟炸機(jī)。1938年，美國(guó)研制成第一部能指揮火炮射擊的火炮控制雷達(dá)。1940年，多腔磁控管的發(fā)明，微波雷達(dá)的研制成為可能。1944年，自動(dòng)跟蹤飛機(jī)的雷達(dá)研制成功，1945年，能消除背景干擾顯示運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的顯示技術(shù)發(fā)明,使雷達(dá)更加完善。在整個(gè)第二次世界大戰(zhàn)期間,雷達(dá)成了電磁場(chǎng)理論最活躍的部分。衛(wèi)星通信技術(shù)1958年,美國(guó)發(fā)射低軌的“斯科爾”衛(wèi)星成功,這是第一顆用于通信的試驗(yàn)衛(wèi)星。1964年,借助定點(diǎn)的同步通信衛(wèi)星首次實(shí)現(xiàn)了美、歐、非三大洲的通信和電視轉(zhuǎn)播。1965年,第一顆商用定點(diǎn)同步衛(wèi)星投入運(yùn)行。1969年,大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定點(diǎn)同步通信衛(wèi)星,衛(wèi)星地球站已遍布世界各國(guó)，這些衛(wèi)星地球站又和本國(guó)或本地區(qū)的通信網(wǎng)接通。衛(wèi)星通信經(jīng)歷10年的發(fā)展終趨于成熟。衛(wèi)星定位技術(shù)（NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem－GPS）1957年衛(wèi)星發(fā)射成功后，以衛(wèi)星為基地對(duì)地球表面及近地空間目標(biāo)的定位和導(dǎo)航成為可能。1958年底，美國(guó)開始研究實(shí)施這一計(jì)劃，于1964年研究成功子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。1973年美國(guó)提出了由24顆衛(wèi)星組成的實(shí)用系統(tǒng)新方案，即GPS計(jì)劃，1990年最終的GPS方案是由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。EManywhereanytime任何時(shí)候、任何地方都有電磁場(chǎng)與電磁波人類社會(huì)、人們生活離不開電磁場(chǎng)與電磁波網(wǎng)絡(luò)上的信息都是通過電磁波這個(gè)載體傳播的請(qǐng)列舉電磁場(chǎng)與電磁波的應(yīng)用實(shí)例。

三大類應(yīng)用問題◆

電磁場(chǎng)（或電磁波）作為能量的一種形式，是當(dāng)今世界最重要的能源，其研究領(lǐng)域涉及電磁能的產(chǎn)生、儲(chǔ)存、變換、傳輸和綜合利用◆電磁波作為信息傳輸?shù)妮d體，成為當(dāng)今社會(huì)發(fā)布和獲取信息的主要手段，主要研究領(lǐng)域?yàn)樾畔⒌漠a(chǎn)生、獲取、交換、傳輸、儲(chǔ)存、處理、再現(xiàn)和綜合利用◆電磁波作為探測(cè)未知世界的一種重要手段，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡姶挪ㄅc目標(biāo)的相互作用特性、目標(biāo)探測(cè)及其特征的獲取應(yīng)用：通信網(wǎng)系統(tǒng)低速率服務(wù)(<32KB/s)寬帶主干網(wǎng)低速率服務(wù)(<12KB/s)微蜂窩微蜂窩微蜂窩高速數(shù)據(jù)(>10MB/s)光纖主干網(wǎng)宏蜂窩寬帶主干網(wǎng)寬帶主干網(wǎng)陸上微波中繼應(yīng)用：微波爐微波爐中的磁控管將50Hz的市電功率轉(zhuǎn)換為微波功率（一般工作頻率2450MHz），再用微波對(duì)食物加熱。電磁概論電磁運(yùn)動(dòng)三大特點(diǎn)：1.電磁波有能量2.電磁波從一點(diǎn)傳播到另一點(diǎn)有時(shí)間延遲，即電磁波以一定速度傳播，其傳輸速度等于光速3.在線性介質(zhì)中，電磁波傳播滿足線性疊加原理電磁場(chǎng)與電磁波的描述場(chǎng)量

電場(chǎng)強(qiáng)度E （V/m） 電通量密度（或電位移）D（C/m2） 磁通量密度（或磁感應(yīng)強(qiáng)度）B

（Wb/m2） 磁場(chǎng)強(qiáng)度H （A/m）真空中 D=0E B=μ0H

0真空介電常數(shù)0=8.854×10-12法拉/米（F/m）

μ0真空磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7亨利/米（H/m）一般介質(zhì)中D=E，=r0,r---介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù) B=μH，μ=μrμ0,μr---介質(zhì)相對(duì)磁導(dǎo)率人們通過什么途徑認(rèn)識(shí)這4個(gè)場(chǎng)量？電場(chǎng)與磁場(chǎng)的圖解表示電場(chǎng)線磁場(chǎng)線+Qr0+Qr0E圖1-8z方向恒定電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)圖1-3(a)點(diǎn)電荷+Q產(chǎn)生的電場(chǎng);(b)點(diǎn)電荷Q產(chǎn)生的電場(chǎng)線圖電偶極子與磁偶極子電偶極子y+q–qzxd–磁偶極子電磁運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)總結(jié)

1.高斯定理或庫(kù)侖定律電場(chǎng)線從正電荷出發(fā)終止于負(fù)電荷，電場(chǎng)線有頭有尾，不自行閉合。穿出任一閉曲面S電場(chǎng)線數(shù)等于閉曲面S包圍的體積V中的電荷Q2.磁通連續(xù)性原理磁場(chǎng)線無頭無尾，總是一閉合曲線，因此穿過任一閉曲面的磁場(chǎng)線數(shù)總是等于零的。3.法拉第定律穿過閉合導(dǎo)線l所包圍的面積的磁通量m隨時(shí)間變化，則會(huì)感應(yīng)一個(gè)電動(dòng)勢(shì)eemfeemf的大小等于穿過閉合導(dǎo)線l所包圍面積S的磁通量隨時(shí)間變化率的負(fù)數(shù)，即隨時(shí)間增加圖3-3穿過閉合導(dǎo)線l的磁通量隨時(shí)間變化會(huì)感應(yīng)一個(gè)電動(dòng)勢(shì)l4.推廣的安培定律磁場(chǎng)強(qiáng)度H沿閉合曲線l的線積分 等于穿過閉合曲線l所包圍的面積S的電流I推廣的安培定律成功地解釋了電容器回路電流連續(xù)推廣的安培定律位移電流密度麥克斯韋方程－積分形式從這四個(gè)方程麥克斯韋預(yù)言電磁波的存在。赫茲實(shí)驗(yàn)證明電磁波的存在，因此麥克斯韋引入位移電流