專(zhuān)題1電磁場(chǎng)、電磁波與無(wú)線技術(shù)的起源、發(fā)展及應(yīng)用概述

1、電磁場(chǎng)、電磁波與無(wú)線技術(shù)的起源、發(fā)展及應(yīng)用概述,華中科技大學(xué) 電子信息與通信學(xué)院 電子工程系 2016.5.18,我們現(xiàn)在已經(jīng)知道…,電與磁密不可分：不斷變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，而電流和不斷變化的電場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)可見(jiàn)光只是很寬的電磁波譜中的一段，其輻射由振蕩電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成這些知識(shí)不是憑空冒出來(lái)的，來(lái)源于幾百年電磁學(xué)的發(fā)展,2,電

2、磁學(xué),電磁學(xué)是經(jīng)典物理學(xué)的一部分。它主要是研究電荷、電流產(chǎn)生電場(chǎng)、磁場(chǎng)的規(guī)律；電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互作用；電磁場(chǎng)對(duì)電荷、電流的作用；以及電磁場(chǎng)對(duì)物質(zhì)的各種效應(yīng)等。,3,主要內(nèi)容,電磁學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史麥克斯韋方程組的漫漫長(zhǎng)路電磁場(chǎng)、電磁波的發(fā)展及應(yīng)用簡(jiǎn)述,電磁學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史,磁與靜電,5,公元前585年，古希臘哲學(xué)家泰勒斯已記載了在到當(dāng)時(shí)的希臘人通過(guò)摩擦琥珀吸引羽毛,用磁鐵礦石吸引鐵片的現(xiàn)象，曾對(duì)其原因進(jìn)行過(guò)一番思考。在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間琥珀與磁石的性質(zhì)被

3、看成是其固有的性質(zhì)。,在東方，中國(guó)人民早在兩千多年前漢（公元前206－公元220年）朝，就發(fā)現(xiàn)了天然的磁石特性。古代的能工巧匠把磁石打磨成勺形，放在青銅制成的底盤(pán)上。這個(gè)磁勺在底盤(pán)上停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，勺柄指的方向就是正南，這就是我國(guó)祖先發(fā)明的世界上最早的指示方向的儀器，叫做司南。,電磁學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史,6,1600年，英國(guó)的吉爾伯特發(fā)表《論磁學(xué)》，對(duì)于磁石的各種基本性質(zhì)作了系統(tǒng)的定性描述。把經(jīng)摩擦的琥珀等能吸引輕小物體的性質(zhì)稱(chēng)為“電的”（elect

4、ric)?！?dāng)時(shí)主要的研究方法就是思考，而吉爾伯特主張真正的研究應(yīng)該以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，他提出這種主張并付諸實(shí)踐，在這點(diǎn)上，可以說(shuō)吉爾伯特是近代科學(xué)研究方法的開(kāi)創(chuàng)者。1663年，蓋里克發(fā)明了摩擦起電機(jī)；1720年，英國(guó)牧師格雷研究了電的傳導(dǎo)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別；1733年，杜非分別了兩種電，松脂電和玻璃電1746年，富蘭克林提出了正電、負(fù)電的概念，一直沿用至今。1745年，荷蘭萊頓城萊頓大學(xué)教授馬森布洛克發(fā)明了萊頓瓶，為貯

5、存電荷找到了一個(gè)方法。,電磁學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史,7,萊頓瓶的發(fā)明使物理學(xué)第一次有辦法得到很多電荷，并對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行研究。,1752年7月，費(fèi)城一個(gè)電閃雷鳴的上午，美國(guó)人富蘭克林將一個(gè)風(fēng)箏放到空中，風(fēng)箏下有一根鐵絲，鐵絲下栓一根麻繩，麻繩的下一端拴絲線，繩線接觸處栓了一把鑰匙。同時(shí)他還把從云端“吸取”的電荷收集在萊頓瓶中，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。,富蘭克林的工作，揭開(kāi)了雷電的奧秘，統(tǒng)一了“天電”和“地電”，震驚了科學(xué)界。富蘭克林還將其發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為應(yīng)用——避雷針

6、誕生了。,電磁學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史,從定性到定量——庫(kù)侖定律,8,庫(kù)侖（1736-1806），法國(guó)科學(xué)家。 1785年庫(kù)侖發(fā)明“庫(kù)侖扭秤”，用它來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)靜電荷之間的作用力。通過(guò)精巧的扭秤試驗(yàn)，庫(kù)侖測(cè)定了兩個(gè)靜止電荷之間的相互作用力與它們之間的距離的平方成反比，與它們的電量乘積成正比，這就是著名的庫(kù)侖定律。,庫(kù)侖定律的建立使電磁學(xué)研究從定性走上了定量的道路。 ，使電磁學(xué)真正成為一門(mén)科學(xué)。,電磁學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史,從靜電到‘動(dòng)電’（電流）,9,1780

7、 年意大利人伽伐尼發(fā)現(xiàn)兩種不同金屬接觸時(shí)就會(huì)產(chǎn)生電，這是由兩種金屬表面不同的電子逸出功所產(chǎn)生的接觸電勢(shì)差而形成,意大利帕維亞大學(xué)教授伏達(dá)（1745-1827）注意到伽伐尼的工作，進(jìn)而發(fā)明了第一個(gè)直流電源——伏達(dá)電池。電壓的單位“伏特”就是以他的名字命名的。,電池的發(fā)明，提供了產(chǎn)生恒定電流的電源，使電學(xué)從靜電走向動(dòng)電，為19 世紀(jì)電學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展提供了最重要的工具。從此電學(xué)進(jìn)入了飛速發(fā)展時(shí)期。,電磁學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史,歐姆定律,10,歐姆（1787

8、-1854），德國(guó)人。在傅立葉的熱傳導(dǎo)理論的啟發(fā)下進(jìn)行的電學(xué)研究。他將付里葉在熱學(xué)中提出的熱流、熱阻，類(lèi)比電學(xué)中的電流、電阻，溫度差類(lèi)比電勢(shì)差。認(rèn)為導(dǎo)線中兩點(diǎn)之間的電流也許正比于這兩點(diǎn)間的某種推動(dòng)力之差。,歐姆通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在1826年發(fā)現(xiàn)了歐姆定律——在同一電路中，通過(guò)某段導(dǎo)體的電流跟這段導(dǎo)體兩端的電壓成正比，跟這段導(dǎo)體的電阻成反比。使與電流相關(guān)的物理量可以測(cè)定和推出。人們?yōu)榧o(jì)念他，將電阻的單位定為“歐姆”,電磁學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史,電生磁,1

9、1,17世紀(jì)初，吉爾伯特?cái)嘌?，他們之間沒(méi)有因果關(guān)系。庫(kù)侖也持相同觀點(diǎn)。,自吉爾伯特開(kāi)始以來(lái)的二百多年，電和磁一直是毫無(wú)關(guān)系的兩門(mén)學(xué)科，圍繞電與磁尋找自然現(xiàn)象之間的聯(lián)系，成為一種潮流。,電磁學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史,安培定則和安培環(huán)路定律,12,安德烈·安培（1775-1836），法國(guó)物理學(xué)家。在電磁作用方面的研究成就卓著。,穩(wěn)恒磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B沿任何閉合路徑的線積分，等于這閉合路徑所包圍的各個(gè)電流的代數(shù)和乘以磁導(dǎo)率。這個(gè)結(jié)論稱(chēng)為安培環(huán)路

10、定理，揭示了磁現(xiàn)象的電本質(zhì),1820年，在奧斯特實(shí)驗(yàn)啟發(fā)下，安培研究發(fā)現(xiàn)可以用右手來(lái)表示電流的方向和它的磁場(chǎng)方向之間的規(guī)律，這就是安培定則或右手螺旋定則。 。,安培第一個(gè)把研究動(dòng)電的理論稱(chēng)為“電動(dòng)力學(xué)”，為了紀(jì)念他在電磁學(xué)上的杰出貢獻(xiàn)，電流的單位“安培”以他的姓氏命名,電磁學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史,磁生電,13,運(yùn)動(dòng)電荷（電流）周?chē)嬖诖艌?chǎng)，而電和磁又是有相互聯(lián)系的，那么磁場(chǎng)是否可以產(chǎn)生電場(chǎng)呢？,邁克爾.法拉第（1791-1867） 十九世紀(jì)

11、最偉大的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家之一，同時(shí)又是杰出的化學(xué)家和自然哲學(xué)家，他在電磁學(xué)研究方面的卓越貢獻(xiàn)如同伽利略、牛頓在力學(xué)方面的貢獻(xiàn)一樣，具有劃時(shí)代的意義。最杰出的工作是電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和場(chǎng)的概念的提出。,電磁學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史,電磁感應(yīng)定律和楞次定律,14,通過(guò)奧斯特實(shí)驗(yàn)，法拉第認(rèn)為電與磁是一對(duì)和諧的對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)10年探索，于1831 年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律，即交變磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)。磁生電的實(shí)現(xiàn)，宣告了電氣時(shí)代的到來(lái)。,1833 年,愣次對(duì)法拉第定律進(jìn)行深入

12、研究,又提出一個(gè)新發(fā)現(xiàn):線圈中感生電流的方向總是使它自己所產(chǎn)生的磁場(chǎng)抵抗原有磁場(chǎng)的變化,楞次定律表明電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的新能量,要靠消耗原有磁場(chǎng)的變化，是電磁現(xiàn)象的能量守恒定律。至此，電磁感應(yīng)定律基本完善了。,法拉第最大的貢獻(xiàn)是第一次明確提出了場(chǎng)的概念，他認(rèn)為電力和磁力都是通過(guò)力線傳遞的，力線是客觀存在的，力線布滿空間，形成場(chǎng)。也就是說(shuō)法拉第第一個(gè)提出場(chǎng)的物質(zhì)性。從他以后場(chǎng)就成了認(rèn)識(shí)電磁現(xiàn)象必不可少的組成部分，甚至比產(chǎn)生或匯集力線的源更重要

13、，更基本。法拉第是電磁場(chǎng)學(xué)說(shuō)的創(chuàng)始人。,麥克斯韋方程組的漫漫長(zhǎng)路,150年前，詹姆斯.克拉克.麥克斯韋指明了通向現(xiàn)代科技的道路,15,要紀(jì)念偉大的物理學(xué)家麥克斯韋，絕不缺少場(chǎng)合,這個(gè)世界的大部分信息——光、電場(chǎng)和磁場(chǎng)的基本定律——都可以歸結(jié)為4個(gè)簡(jiǎn)單的方程式。這些方程現(xiàn)在統(tǒng)稱(chēng)為麥克斯韋方程組，是工程和物理入門(mén)教科書(shū)的必備內(nèi)容。,麥克斯韋方程組的漫漫長(zhǎng)路,18世紀(jì)末到19世紀(jì)初，描述電場(chǎng)、磁場(chǎng)的性質(zhì)以及電、磁場(chǎng)相互關(guān)系的庫(kù)侖定律、高斯定理

14、、安培定律、法拉第電磁感應(yīng)定律已經(jīng)相繼建立，法拉第關(guān)于力線和場(chǎng)的概念已經(jīng)提出，標(biāo)志著建立統(tǒng)一電磁理論的條件已經(jīng)具備。許多科學(xué)家都對(duì)這一課題作出了探索：,16,安培的超距作用電磁理論,法拉第和麥克斯韋的近距作用電磁理論,紐曼和韋伯的大陸派電動(dòng)力學(xué),麥克斯韋方程組的漫漫長(zhǎng)路,安培的超距作用電磁理論,17,19世紀(jì)20年代，安培從電流與電流之間的相互作用出發(fā)，把磁性歸結(jié)為電流之間的相互作用，提出了‘分子電流’假說(shuō)。他通過(guò)一系列精確實(shí)驗(yàn)，定量

15、研究電流之間的相互作用，推出了普遍的電動(dòng)力公式。,安培的電動(dòng)力學(xué)能說(shuō)明一些電磁現(xiàn)象，能夠定量計(jì)算，但是它不能說(shuō)明電磁感應(yīng)，也沒(méi)有包括庫(kù)侖定律，對(duì)靜電領(lǐng)域無(wú)能為力。,然而，安培的電動(dòng)力公式是建立在超距作用的基礎(chǔ)上。安培遵循牛頓的路線，認(rèn)定電流元之間的相互作用力是電磁現(xiàn)象的核心，電流元之間存在超距作用，就象萬(wàn)有引力一樣，因此安培把自己的理論稱(chēng)為電動(dòng)力學(xué)。由于電磁相互作用和引力作用有根本的區(qū)別，所以安培的電動(dòng)力公式遇到了萬(wàn)有引力定律所沒(méi)有的困

16、難和矛盾。,麥克斯韋方程組的漫漫長(zhǎng)路,紐曼和韋伯的大陸派電動(dòng)力學(xué),18,不久安培的學(xué)說(shuō)傳到德國(guó)，形成了大陸派電動(dòng)力學(xué)。紐曼和韋伯是這個(gè)學(xué)派的代表。,但是韋伯公式中包含了依賴于速度的力，所以屢遭反對(duì)。亥姆赫茲曾多次批評(píng)它不遵守能量守恒定律，大大影響了它的聲譽(yù)。,1845年，紐曼提出了電磁感應(yīng)定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。,1846年，韋伯發(fā)展了安培的理論，把電流看成是由沿相反方向以相同速度運(yùn)動(dòng)的同樣數(shù)量的正負(fù)電荷組成，在安培定律基礎(chǔ)上，提出了更一般的

17、電動(dòng)力公式，包括了庫(kù)侖定律。進(jìn)一步推導(dǎo)，可以引出安培定律和紐曼電磁感應(yīng)公式。于是韋伯電動(dòng)力公式成了大陸派電動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。,麥克斯韋方程組的漫漫長(zhǎng)路,近距作用的提出,19,和大陸派電動(dòng)力學(xué)對(duì)立的另有一學(xué)派，主張近距作用。法拉第和麥克斯韋就是其突出代表。,麥克斯韋繼承了法拉第的力線思想，堅(jiān)持近距作用，同時(shí)又吸取了大陸派電動(dòng)力學(xué)的正確部分，在兩種不同學(xué)說(shuō)爭(zhēng)論的背景下，歷經(jīng)了三次重大變革，上了三個(gè)臺(tái)階，最終創(chuàng)建了統(tǒng)一的電磁場(chǎng)理論。,法拉第第一次

18、明確提出了場(chǎng)的概念，認(rèn)為電力和磁力都是通過(guò)力線傳遞的，在大量實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上建立場(chǎng)的近距作用觀點(diǎn)，為電磁場(chǎng)理論的建立奠定了最重要的基石。,詹姆斯.克拉克.麥克斯韋，英國(guó)人，1831年生于愛(ài)丁堡，自幼聰慧過(guò)人，得到父親和老師的靜心培養(yǎng)。10歲進(jìn)入愛(ài)丁堡書(shū)院學(xué)習(xí)。15歲就有幾何學(xué)論文發(fā)表。1850年入劍橋大學(xué)，期間獲得數(shù)學(xué)競(jìng)賽優(yōu)勝者稱(chēng)號(hào)。劍橋大學(xué)期間麥克斯韋受到研究員W.湯姆生的影響，開(kāi)始研究電磁學(xué)和法拉第的電磁場(chǎng)理論。,麥克斯韋方程組的漫

19、漫長(zhǎng)路,麥克斯韋創(chuàng)建電磁場(chǎng)理論的三步曲,20,1856年發(fā)表《論法拉第力線》，運(yùn)用類(lèi)比法把流線的數(shù)學(xué)表達(dá)式用到靜電理論中，對(duì)法拉第的電磁場(chǎng)思想建立了數(shù)學(xué)表述。,1861年發(fā)表《論物理力線》，建立‘分子渦旋’模型，這個(gè)力學(xué)視角模型有助于描述一系列電磁現(xiàn)象，并且為‘位移電流’這一新概念奠定了基礎(chǔ)。位移電流并不是真的電流。它是描述變化電場(chǎng)在某一特定區(qū)域產(chǎn)生磁場(chǎng)的方法，就像電流產(chǎn)生磁場(chǎng)那樣。在麥克斯韋的模型中，如果電場(chǎng)的變化導(dǎo)致渦流介質(zhì)中粒子位

20、置的瞬時(shí)變化，粒子位移的變化形成了電流，麥克斯韋稱(chēng)之為‘位移電流’。增加這一概念之后，麥克斯韋估計(jì)出了電磁波在真空中的傳播速度，發(fā)現(xiàn)與光速相等，因此預(yù)見(jiàn)光是一種電磁波。,,,,麥克斯韋方程組的漫漫長(zhǎng)路,麥克斯韋創(chuàng)建電磁場(chǎng)理論的三步曲,21,1865年麥克斯韋發(fā)表了《電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論》，全面的論述了電磁場(chǎng)理論。這篇論文中，麥克斯韋放棄了力學(xué)模型，但堅(jiān)持了近距作用理論，明確說(shuō)：“我提出的理論可以稱(chēng)為電磁場(chǎng)理論，因?yàn)樗仨毶婕半婓w和磁體附近

21、的空間，它也可以稱(chēng)為動(dòng)力理論，因?yàn)樗僭O(shè)在這一空間存在著運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)，觀測(cè)到的電磁現(xiàn)象正是這一運(yùn)動(dòng)物質(zhì)引起的?！苯又溈怂鬼f全面闡述了電磁場(chǎng)的含義，他指出：“電磁場(chǎng)是包含和圍繞著處于電或磁狀態(tài)的物體的那部分空間，它可能充有任何一種物質(zhì)?！边@篇論文中麥克斯韋提出了電磁場(chǎng)的普遍方程組，用數(shù)學(xué)運(yùn)算描述了電學(xué)和磁學(xué)的聯(lián)系，以及電和磁一旦生成，如何一起移動(dòng)形成電磁波。不過(guò)1865年麥克斯韋提出的方程組共20個(gè)方程，包括20個(gè)變量。,,,,這項(xiàng)

22、工作是現(xiàn)代電磁學(xué)的基礎(chǔ)，為物理學(xué)家和工程師們提供了計(jì)算電荷、電場(chǎng)、電流和磁場(chǎng)之間關(guān)系的工具,麥克斯韋方程組的漫漫長(zhǎng)路,麥克斯韋的工作本來(lái)應(yīng)是一個(gè)成功的創(chuàng)舉，但是在當(dāng)時(shí)卻遭到嚴(yán)重的質(zhì)疑，他最親密的同事都表示懷疑。,22,當(dāng)時(shí)英國(guó)科學(xué)界的領(lǐng)袖湯姆森爵士就是持最強(qiáng)烈反對(duì)態(tài)度的懷疑者之一，根本不相信可能存在位移電流這回事。他的反對(duì)很正常，想象在充滿原子的電介質(zhì)中存在位移電流是一回事，想象它在真空中形成就是另一回事，因?yàn)闆](méi)有力學(xué)模型來(lái)描述這種環(huán)境

23、。維多利亞時(shí)代的許多物理學(xué)家都無(wú)法接受沒(méi)有力學(xué)模型的理論。,,,,另外麥克斯韋假設(shè)振蕩的電場(chǎng)和磁場(chǎng)共同形成電磁波，但他沒(méi)有說(shuō)明他們?nèi)绾卧诳臻g中移動(dòng)。當(dāng)時(shí)已知的所有波都需要傳播介質(zhì)，例如聲波在空氣和水中傳播。當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家推斷如果電磁波存在，必須要有傳播介質(zhì)，因此模型的缺失至少使得麥克斯韋的理論看起來(lái)不完整。,也許最關(guān)鍵的是，麥克斯韋自己對(duì)這個(gè)理論的描述也非常復(fù)雜。今天的大學(xué)生面對(duì)包含4個(gè)方程的麥克斯韋方程組就已經(jīng)很頭疼。實(shí)際上就是因?yàn)榫?/p>

24、簡(jiǎn)公式所需要的數(shù)學(xué)技巧——以三維矢量演算簡(jiǎn)化矢量微分方程——在麥克斯韋開(kāi)展工作的時(shí)候并沒(méi)有完全成熟。,所有這些復(fù)雜性導(dǎo)致的最終結(jié)果就是，在發(fā)表以后，麥克斯韋理論并沒(méi)有得到主流科學(xué)界的關(guān)注和認(rèn)可。麥克斯韋于1879年因胃癌去世，終年48歲。,麥克斯韋方程組的漫漫長(zhǎng)路,幸好還有少數(shù)人注意到了麥克斯韋的工作，其中一位就是奧利弗.赫維賽德。,23,,,,1885年，奧利弗.赫維賽德發(fā)表了麥克斯韋方程組精簡(jiǎn)版，方程數(shù)從20個(gè)減到4個(gè)。,奧利弗.赫

25、維賽德，英國(guó)人，出身非常貧寒，喪失了部分聽(tīng)力，也從沒(méi)上過(guò)大學(xué)，外號(hào)‘頭號(hào)怪胎’，但他卻自學(xué)了先進(jìn)的科學(xué)和數(shù)學(xué)。20歲出頭的赫維賽德在紐卡斯?fàn)栕鲌?bào)務(wù)員時(shí)，得到了麥克斯韋1873年出版的《電磁學(xué)通論》，它后來(lái)寫(xiě)到：“我越來(lái)越覺(jué)得這本書(shū)很偉大，于是下定決心要掌握這本書(shū)并深入研究。”第二天，他辭去工作，搬到父母家開(kāi)始學(xué)習(xí)麥克斯韋的理論。,麥克斯韋方程組的漫漫長(zhǎng)路,數(shù)學(xué)的優(yōu)雅是一回事，要找到麥克斯韋理論的實(shí)驗(yàn)依據(jù)則是另一回事。,24,1878年

26、，德國(guó)柏林大學(xué)的物理學(xué)家亥姆霍茲向他的學(xué)生們提出了一個(gè)競(jìng)賽題目，即用實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證麥克斯韋電磁理論。他的一個(gè)學(xué)生赫茲從那時(shí)起就致力于這個(gè)課題的研究。,,,,1886年，赫茲在德國(guó)卡爾斯魯厄技術(shù)大學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)振蕩電路用來(lái)在兩個(gè)金屬球之間周期性的發(fā)出電火花，按照麥克斯韋理論，電火花出現(xiàn)時(shí)應(yīng)該有電磁波發(fā)出，然后赫茲又設(shè)計(jì)了一個(gè)有缺口的金屬環(huán)狀線圈，用來(lái)檢測(cè)電磁波。結(jié)果，當(dāng)振蕩電路發(fā)出火花時(shí)，金屬缺口處果然也有較小的火花出現(xiàn)。這就證明了電磁波的確

27、是存在的。,赫茲的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不僅證明了麥克斯韋理論的正確，也為人類(lèi)利用無(wú)線電波開(kāi)辟了道路。可惜的是，麥克斯韋和赫茲都死得太早。,麥克斯韋方程組的漫漫長(zhǎng)路,最終科學(xué)家們承認(rèn)了電磁波的傳播不需要任何介質(zhì)，場(chǎng)的概念已經(jīng)成為現(xiàn)代物理學(xué)大部分理論的核心概念。在19世紀(jì)結(jié)束以前，多虧了幾個(gè)狂熱學(xué)者的鍥而不舍的努力，麥克斯韋的理論才得以保留下來(lái)。,25,從電磁場(chǎng)理論的建立過(guò)程，我們又一次領(lǐng)會(huì)到壯偉的物理大廈是怎樣一層一層修筑起來(lái)的。麥克斯韋生在電磁學(xué)

28、已經(jīng)打好基礎(chǔ)的年代，總結(jié)了前人已有的成就：受到法拉第力線思想的鼓舞，又得到W.湯姆生類(lèi)比研究的啟發(fā)，在研究過(guò)程中敏銳的抓住了位移電流和電磁波這兩個(gè)關(guān)鍵概念，最后徑直把電磁場(chǎng)作為客體擺在電磁理論的核心地位，從而開(kāi)創(chuàng)了物理學(xué)又一個(gè)新的起點(diǎn)。,,,,對(duì)麥克斯韋的功績(jī)，愛(ài)因斯坦做了很高的評(píng)價(jià)：“自從牛頓奠定理論物理學(xué)的基礎(chǔ)以來(lái)，物理學(xué)公理基礎(chǔ)的最偉大的變革，是由法拉第、麥克斯韋和赫茲在電磁現(xiàn)象方面的工作引起的，這次革命的最大部分出自麥克斯韋。”

29、實(shí)際上，術(shù)語(yǔ)‘麥克斯韋方程組’就是由愛(ài)因斯坦1940年發(fā)表的論文《理論物理學(xué)的基礎(chǔ)》普及推廣的。,和牛頓一樣，麥克斯韋的工作是站在法拉第和W.湯姆生這兩位巨人的肩上，他看得更深更遠(yuǎn)，作出了偉大的歷史綜合，他也和牛頓一樣，其豐碩的的成果是一步一步提煉出來(lái)的，前后經(jīng)歷十余年，經(jīng)過(guò)了三次飛躍，我們可以用一圖來(lái)顯示麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的淵源：,今天，電磁學(xué)已發(fā)展成為經(jīng)典物理學(xué)中相當(dāng)完善的一個(gè)分支。可以解釋宏觀領(lǐng)域內(nèi)的各種電磁現(xiàn)象。 ⑴物質(zhì)

30、的電結(jié)構(gòu)是物質(zhì)的基本組成形式； ⑵電磁場(chǎng)是物質(zhì)世界的重要組成部分； ⑶電磁作用是物質(zhì)的基本相互作用之一； ⑷電過(guò)程是自然界的基本過(guò)程。,,麥克斯韋方程組的漫漫長(zhǎng)路,電磁場(chǎng)、電磁波的發(fā)展及應(yīng)用簡(jiǎn)述,以下將簡(jiǎn)述基于電磁學(xué)理論而建立起來(lái)的一系列應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展歷程：,27,無(wú)線電報(bào),電話,廣播,電視,雷達(dá),移動(dòng)通信和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng),衛(wèi)星通信,光纖通信,衛(wèi)星導(dǎo)航,遙感,電磁場(chǎng)、電磁波的發(fā)展及應(yīng)用簡(jiǎn)述,無(wú)線電報(bào)(telegrap

31、h）,28,20歲的馬可尼（1874-1937）偶然讀到赫茲論述電磁波實(shí)驗(yàn)的文章，從而把興趣全部轉(zhuǎn)移到利用電磁波進(jìn)行通信的實(shí)驗(yàn)上，立志實(shí)現(xiàn)無(wú)線電通信。1895年，馬可尼進(jìn)行了2.5公里無(wú)線電報(bào)傳送1901年，他試驗(yàn)成功了在加拿大的紐芬蘭與英國(guó)的昆沃爾之間、橫跨大西洋3000公里的越洋無(wú)線電通信。從而使無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展成為20世紀(jì)的熱門(mén)話題。開(kāi)辟了人類(lèi)應(yīng)用無(wú)線電的新紀(jì)元。,1896年，波波夫成功運(yùn)用無(wú)線電傳送莫爾斯電碼，首次發(fā)送的電報(bào)

32、內(nèi)容是“海因里希.赫茲”，這是世界上首次有明確內(nèi)容的無(wú)線電報(bào)。,,,電磁場(chǎng)、電磁波的發(fā)展及應(yīng)用簡(jiǎn)述,電話（telephone),29,1876年5月，美國(guó)在費(fèi)城舉辦紀(jì)念獨(dú)立一百年博覽會(huì)，亞歷山大.貝爾把他剛剛發(fā)明出來(lái)的電話機(jī)帶到了博覽會(huì)。 1878年，貝爾在波士頓與紐約之間架設(shè)了世界上第一條320公里長(zhǎng)的長(zhǎng)途電話線。 1956 年,在英國(guó)和加拿大之間的大西洋海底鋪設(shè)完成了電話電纜，使洲際的遠(yuǎn)距離電話通信成為現(xiàn)實(shí)。1965年，第一部

33、由計(jì)算機(jī)控制的程控電話交換機(jī)在美國(guó)問(wèn)世，標(biāo)志著一個(gè)電話新時(shí)代的開(kāi)始。1970 年，世界上第一部程控?cái)?shù)字交換機(jī)在法國(guó)巴黎開(kāi)通，標(biāo)志著數(shù)字電話的全面實(shí)用和數(shù)字通信新時(shí)代的到來(lái)。,,,電磁場(chǎng)、電磁波的發(fā)展及應(yīng)用簡(jiǎn)述,廣播(broadcasting ),30,廣播通常是指通過(guò)無(wú)線電波或?qū)Ь€傳送聲音的具有多功能的傳播工具1906年，美國(guó)人費(fèi)森登用50KHz的發(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(tīng)到了廣播播出的音樂(lè)

34、1920 年,美國(guó)匹茲堡市的KDKA 廣播電臺(tái)播音，成為世界上第一家正式播出節(jié)目的私營(yíng)廣播電臺(tái)。1922 年,英國(guó)政府批準(zhǔn)設(shè)立廣播電臺(tái),由6 家無(wú)線電廣播公司和電氣制造公司組成了商業(yè)性的廣播公司(BBC)電磁波作為載體的廣播是最早出現(xiàn)的電子大眾傳媒，使人們對(duì)世界上剛發(fā)生的和正在發(fā)生的大事能夠及時(shí)了解并做出相關(guān)反應(yīng)。,,,電磁場(chǎng)、電磁波的發(fā)展及應(yīng)用簡(jiǎn)述,電視(television video ),31,科技的進(jìn)步總是隨著人們需求的提高

35、而不斷發(fā)展。當(dāng)實(shí)現(xiàn)了用無(wú)線電波傳播聲覺(jué)信號(hào)后，人們又試圖用無(wú)線電波傳播視覺(jué)信號(hào)，電視的產(chǎn)生正滿足了人類(lèi)的這一要求，使人們獲取信息的方式發(fā)生了翻天覆地的變化。,,,1925 年，英國(guó)人貝爾德發(fā)明了機(jī)械掃描的電視；1933 年，美國(guó)人茲沃雷金發(fā)明了能夠進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和電子掃描的攝像管，加快了電視走向?qū)嶋H應(yīng)用的步伐；1953 年，美國(guó)確定了自己的彩色電視制式———NTSC 制，并于1954 年在世界上首次播出彩色電視節(jié)目90 年代后，集數(shù)

36、字信號(hào)處理、大規(guī)模集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)等高科技成果于一體的高清晰度數(shù)字電視出現(xiàn),電磁場(chǎng)、電磁波的發(fā)展及應(yīng)用簡(jiǎn)述,雷達(dá)(Radar ),32,雷達(dá)是利用物體對(duì)無(wú)線電波的反射特性來(lái)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)和確定距離的技術(shù)。雷達(dá)于1935 年問(wèn)世后，由于它在軍事及民用領(lǐng)域中的重要作用，使得許多國(guó)家大力發(fā)展這一技術(shù)。20 世紀(jì)60 年代以來(lái)，相控陣預(yù)警雷達(dá)、機(jī)載預(yù)警和火控雷達(dá)等紛紛面世且技術(shù)逐步趨于成熟。,,,電磁場(chǎng)、電磁波的發(fā)展及應(yīng)用簡(jiǎn)述,移動(dòng)通信和移動(dòng)

37、互聯(lián)網(wǎng)（mobile communications）,33,移動(dòng)通信是指移動(dòng)體之間或移動(dòng)體與固定體之間的無(wú)線電信息的傳輸與交換。20世紀(jì)70 年代至80 年代，由于集成電路技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)和微處理器的快速發(fā)展,以及由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室推出的蜂窩系統(tǒng)的概念，使得移動(dòng)通信真正進(jìn)入了個(gè)人領(lǐng)域：第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)1G：技術(shù)上采用模擬調(diào)頻、頻分多址，以模擬方式工作，使用頻段為800/ 900MHz，故稱(chēng)之為蜂窩式模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)第二代移動(dòng)通信系

38、統(tǒng)2G：以數(shù)字傳輸、時(shí)分多址或碼分多址為主體技術(shù)，商用的數(shù)字蜂窩系統(tǒng)有歐洲的GSM、美國(guó)的DAMPS 第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)3G：有三種標(biāo)準(zhǔn)，歐洲與日本提出的W- CDMA，美國(guó)提出的CDMA2000 以及中國(guó)提出的TD – SCDMA，以CDMA為核心技術(shù)。第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)4G：包括TD-LTE和FDD-LTE兩種制式，采用以O(shè)FDM和MIMO為核心的多項(xiàng)新技術(shù)后，能夠?qū)崿F(xiàn)100Mbps以上的下行速率。將來(lái)的第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)5G

39、，WI-FI，Li-Fi…….,,,電磁場(chǎng)、電磁波的發(fā)展及應(yīng)用簡(jiǎn)述,無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)（Wi-Fi）,34,Wi-Fi是一種可以將個(gè)人電腦、手持設(shè)備（如pad、手機(jī)）等終端以無(wú)線方式互相連接的技術(shù)，實(shí)際上是以高頻電磁波來(lái)互聯(lián)。,,,電磁場(chǎng)、電磁波的發(fā)展及應(yīng)用簡(jiǎn)述,可見(jiàn)光無(wú)線通信（Li-Fi）,35,可見(jiàn)光無(wú)線通信又稱(chēng)“光保真技術(shù)”（簡(jiǎn)稱(chēng)LiFi），是一種利用可見(jiàn)光波譜(如燈泡發(fā)出的光)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜聼o(wú)線傳輸技術(shù)，由德國(guó)物理學(xué)家Hass教授發(fā)

40、明。LiFi是利用快速的光脈沖無(wú)線傳輸信息，根據(jù)不同速率在光中編碼信息，例如LED開(kāi)表示1，關(guān)表示0，通過(guò)快速開(kāi)關(guān)就能傳輸信息。由于LED的發(fā)光強(qiáng)度，人眼不會(huì)注意到光的快速變化。理論上可以比WiFi快上百倍。,,,,電磁場(chǎng)、電磁波的發(fā)展及應(yīng)用簡(jiǎn)述,衛(wèi)星通信(Satellite communication),36,衛(wèi)星通信實(shí)際上就是地球上的無(wú)線電通信站之間利用人造衛(wèi)星作中繼站來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線電波而進(jìn)行的通信衛(wèi)星通信概念最早是在1945 年l

41、0 月由英國(guó)空軍雷達(dá)專(zhuān)家克拉克提出的。他關(guān)于在靜止軌道上放置三顆衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)全球通信的設(shè)想，形成著名的“衛(wèi)星覆蓋通信說(shuō)”1963 年，美國(guó)發(fā)射了第一顆同步通信衛(wèi)星，試驗(yàn)了橫跨大西洋的電視和電話傳輸，并成功地轉(zhuǎn)播了1964 年?yáng)|京奧運(yùn)會(huì)的實(shí)況，實(shí)現(xiàn)了美、歐、非三大洲的通信和電視轉(zhuǎn)播。,,,電磁場(chǎng)、電磁波的發(fā)展及應(yīng)用簡(jiǎn)述,光纖通信(optical fiber communications ),37,光纖通信的工作原理和電磁波類(lèi)似，不過(guò)它是以

42、激光作為信息載體，以光纖作為傳輸媒質(zhì)的通信方式。1966 年7 月，高錕就光纖傳輸?shù)那熬鞍l(fā)表了具有重大歷史意義的論文，開(kāi)創(chuàng)性地提出光導(dǎo)纖維在通信上應(yīng)用的基本原理1974 年美國(guó)貝爾研究所發(fā)明了低損耗光纖制作法CVD 法(汽相沉積法) ，使光纖損耗降低到每公里1 分貝；1977 年，世界上第一條光纖通信系統(tǒng)在美國(guó)芝加哥市投入商用，速率為45Mb/ s。今天的光纖傳輸已經(jīng)可以達(dá)到太比特/秒量級(jí)(1Tb/s=1000 Gb/s)，因此

43、可以說(shuō)“光纖通信是電信史上的一場(chǎng)深刻革命!”,,,,,,,電磁場(chǎng)、電磁波的發(fā)展及應(yīng)用簡(jiǎn)述,衛(wèi)星導(dǎo)航(Satellite Navigation),38,,,衛(wèi)星導(dǎo)航是指采用導(dǎo)航衛(wèi)星對(duì)地面、海洋、空中和空間用戶進(jìn)行導(dǎo)航定位的技術(shù)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一般由導(dǎo)航衛(wèi)星、地面臺(tái)站和用戶定位設(shè)備三個(gè)部分組成。目前全球建好的以及在建的有四大衛(wèi)星定位系統(tǒng)：GPS系統(tǒng)（美國(guó)）、北斗系統(tǒng)（中國(guó)）、GLONASS系統(tǒng)（俄羅斯）、伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（歐盟）。美國(guó)G