电磁场与物质的相互作用

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1、-电子信息科学技术导引第二讲-电磁场与物质的相互作用黄翊东Tel:62797396Email:yidonghuang@tsinghua.edu.cn作业须在一周内提交，成绩占？？分电子信息科学的知识体系各种各样的电子系统个人移动通信相控阵雷达卫星通信导航传感器网络光纤通信系统构成电子系统的各种器件微带天线语音信号处理电路系统探月测控编码模块掺铒光纤放大器DFB激光器未来微电子芯片的研究热问题严重影响移动及手持设备封装技术和成本市场迅速增长LowpowerdesignisaMUST,since……散热困难风

2、扇产生噪声增加便携式电器的待机时间增加成本新型光电子器件光群速度调控普通介质光子晶体新型光电子器件光群速度调控普通介质光子晶体相控阵雷达电子信息科学的知识体系无论是电子器件还是光电子器件，它们的工作原理都离不开电磁场与物质中电荷载体的相互作用电磁场与物质的相互作用是构成我们学科核心知识框架的基础、源头什么是场？我们研究的是由电荷与电流产生的电场和磁场WhoHasSeentheWind?byChristinaRossettiWhohasseenthewind?NeitherInoryou:Butwhenth

3、eleaveshangtrembling,我们是通过场与物质的相互作用Thewindispassingthrough.来认识电磁场的Whohasseenthewind?NeitheryounorI:Butwhenthetreesbowdowntheirheads,Thewindispassingby.关于电磁场……法拉第电磁感应定律关于电磁场……中学的课本告诉我们：变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，变化的电场和磁场总是相互联系在一起的，形成一个不可分离的统一的场周期性变化的电场周围产生磁场，这个磁场

4、也是周期性变化的，而且变化的频率与电场相同，这个变化的磁场又会产生同频率变化的电场……关于电磁场……中学的课本告诉我们：变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，变化的电场和磁场总是相互联系在一起的，形成一个不可分离的统一的场周期性变化的电场周围产生磁场，这个磁场也是周期性变化的，而且变化的频率与电场相同，这个变化的磁场又会产生同频率变化的电场……关于电磁场……任何随时间而变化的电场，都要在邻近空间激发磁场，充满变化电场的空间，同时也充满变化的磁场。二者互为因果，形成电磁场。电场与磁场并不是两个可分离的实体

5、，而是由它们形成了一个统一的物理实体。在电场和磁场之间存在着最紧密的联系。在电磁场内，电场可以不因为电荷而存在，而由于磁场的变化而产生，磁场也可以不是由于电流的存在而存在，而是由于电场变化所产生。电磁场可以存在于这样的空间范围内，该处即没有电荷，也没有电流，而且也没有任何物体。电场与磁场之间的联系，不仅使电磁场在没有电荷和电流时能够存在，而且使这个场能够不通过导体在空间传播。麦克斯韦方程组建立起电磁场理论，将电学、磁学、光学统一起来，预言了电磁波的存在。指出光是电磁波的一种形式。在前人成就的基础上，对整个

6、电磁现象作了系统、全面的研究，凭借他高深的数学造诣和丰富的想象力对前人和他自己的工作进行了综合麦克斯韦概括，将电磁场理论用简洁、对称、(1831－1879)完美数学形式表示出来麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组E(r,t)B(r,t)tH(r,t)D(r,t)tDrt(,)(,)rtB(r,t)0麦克斯韦E:电场D:电位移矢量(1831－1879)H:磁场B:磁感应强度B(r,t)0H(r,t)D(r,t)0(r)E(r,t)电磁场的空间传播赫兹实验（1887）H

7、z—频率的单位1901年—无线电报穿越大西洋！电离层-无线电波传播描述电磁波的物理量频率相位偏振波长模式（空间分布）不同频段的电磁波……光子学电子学(Photonics)(Electronics)光电子器件电子器件THz技术描述电磁波的物理量振幅振幅描述的是电磁波随时间、空间变化时的最大值，表示的是该电磁波的强弱程度。一般来说电磁波在传输时会损耗能量，其振幅会随着传输距离的增加而逐渐减小。如果是在有外加馈源的增益材料中，即振幅会增加，即实现了电磁波的放大。描述电磁波的物理量频率相位偏振波长v模式（空间分

8、布）描述电磁波的物理量极化频率相位偏振波长模式（空间分布）描述电磁波的物理量介质的色散曲线频率相位偏振=ck/n1波长（）频率不同介质中波长不同=ck/n模式（空间分布）22k波数k电磁波-信息的载体上面所介绍的振幅、频率（波长）、相位、偏振（极化）等描述电磁波的物理参量都可以作为信息的载体。我们可以人为地控制电磁场这些物理参量的变化，使其变化量代表某种信息，即我们将信息加载到电磁波的这些物理参量上。随着电