第一章绪论 矢量分析1

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1、电磁场机电工程学院吕东方教材谢处方饶克谨《电磁场与电磁波》（第四版）高等教育出版社参考教材周希朗《电磁场理论与微波技术基础》（上）东南大学出版社，2004叶齐政《电磁场》华中科技大学出版社周顺荣主编，电磁场与机电能量转换，上海交通大学出版社2005；学时45学时考试闭卷考试平时成绩30分考试70分前言电气科学与工程领域的核心问题是电磁场与物质的相互作用问题，无论是电能传输、转换以及各种电磁现象，都离不开电磁场理论对它们的分析计算。作为电气科学与工程的两大基础理论——电磁场理论与电路理论之一的电磁场理论，

2、也一直是电类专业的重要技术基础课。本课程将在“大学物理（电磁学）”的基础上，进一步研究宏观电磁现象和电磁过程的基本规律及其分析计算方法。通过课程的学习，掌握基本的宏观电磁理论，具备分析和解决基本的电磁场工程问题的能力。课程的性质和任务电场和磁场前言运动电荷或电流产生的场表现为对于磁铁和载流导体有力的作用，这种物质称为磁场。不随时间变化的磁场称为恒定磁场。产生静止电荷的场表现为对于带电体有力的作用，这种场称为电场。不随时间变化的电场称为静电场。如果电荷及电流均随时间改变，它们产生的电场及磁场也是随时变化的

3、，时变的电场与时变的磁场可以相互转化，两者不可分割，它们构成统一的时变电磁场。时变电场与时变磁场之间的相互转化作用，在空间形成了电磁波。静电场与恒定磁场相互无关、彼此独立，可以分别进行研究。因此，本书先讨论静电场和恒定磁场，然后再介绍时变电磁场。电磁波物质属性电磁场与电磁波既然是一种物质，它的存在和传播无需依赖于任何媒质。在没有物质存在的真空环境中，电磁场与电磁波的存在和传播会感到更加“自由”。因此对于电磁场与电磁波来说，真空环境通常被称为“自由空间”。电磁场与电磁波虽然不能亲眼所见，但是客观存在的一种

4、物质，因为它具有物质的两种重要属性：能量和质量。但是，电磁场与电磁波的质量极其微小，因此，通常仅研究电磁场与电磁波的能量特性。当空间存在媒质时，在电磁场的作用下媒质中会发生极化与磁化现象，结果在媒质中又产生二次电场及磁场，从而改变了媒质中原先的场分布，这就是场与媒质的相互作用现象。为了研究方便起见，我们先介绍真空中的电磁场，然后再讨论媒质中的电磁场。场与媒质电荷及电流是产生电磁场惟一的源。至今，人们尚未发现自然界中存在磁荷及磁流。然而，有时引入磁荷及磁流的概念是十分有益的，但是，它们仅是假想的。研究场与

5、源的关系是电磁理论的基本问题之一。我们将要详述场与源，以及场与媒质之间的关系，并且给予严格的数学描述。场与源历史的回顾公元前600年希腊人发现了摩擦后的琥珀能够吸引微小物体；公元前300年我国发现了磁石吸铁的现象；后来，人们发现了地球磁场的存在。1785年法国科学家库仑（1736－1806）通过实验创建了著名的库仑定律。1820年丹麦人奥斯特（1777－1851）发现了电流产生的磁场。同年法国科学家安培（1775－1836）计算了两个电流之间的作用力。1831年英国科学家法拉第（1791－1867）发现

6、电磁感应现象，创建了电磁感应定律，说明时变磁场可以产生时变电场。1873年英国科学家麦克斯韦（1831－1879）提出了位移电流的假设，认为时变电场可以产生时变磁场，并以严格数学方程描述了电磁场与波应该遵循的统一规律，这就是著名的麦克斯韦方程。该方程说明了时变电场可以产生时变磁场，同时又表明时变磁场可以产生时变电场，因此麦克斯韦预言电磁波的存在，后来在1887年被德国物理学家赫兹（1857－1894）的实验证实。在这个基础上，俄国的波波夫及意大利的马可尼于19世纪末先后发明了用电磁波作为媒体传输信息的技

7、术。重大突破电磁场与波的应用当今的无线通信、广播、雷达、遥控遥测、微波遥感、无线因特网、无线局域网、卫星定位以及光纤通信等信息技术都是利用电磁波作为媒介传输信息的。静电复印、静电除尘以及静电喷漆等技术都是基于静电场对于带电粒子具有力的作用。电磁铁、磁悬浮轴承以及磁悬浮列车等，都是利用磁场力的作用。世界首辆载人高温超导磁悬浮试验车西南交通大学应用超导研究所研制Stable!Stable!磁场力的应用B2隐形轰炸机ir反射定律的应用立体电影电磁波极化特性的应用全球定位系统GlobalPositionin

8、gSystem(GPS)信息载体的应用美国“未来学家”刊物2002年底对未来移动世界的预测：*目前移动电话已近10亿部，2004年无线上网的设备将达到15亿部。*2004年60%美国人将在工作中使用无线设备。*2005年全世界无线上网的人数将达到4.8亿。*2007年美国无线商务用户将达到9100万。以上新技术的广泛应用又促进了电磁理论的发展。由此创建了很多分析电磁场与波的新方法，研制了很多电磁性能优越的新材料。特别是随着大容量的高性能及高