工程电磁场课程教学大纲.doc

《工程电磁场》课程教学大纲

英文名称：Engineering Electromagnetic Field
课程编号：02170060
课程类别：专业课，选修课
总学时数：36
学 分：2
开课单位：电气与信息工程学院
适用专业：电气工程及其自动化

一、课程的性质、目的和任务
本课程是电气工程及其自动化专业的一门专业选修课程。它讲授物质电磁属性存在的性质及电磁波运动形式及其规律。该课程主要目的和任务是培养学生：在大学物理和高等数学的基础上，系统掌握电磁场的基本概念、基本原理和基本规律，具备用场的观点对电气工程中的电磁现象和电磁过程进行定性分析与判断的初步能力；了解电磁场定量分析的基本途径，为进一步学习和应用各种较复杂的电磁场计算方法打下基础；掌握电场、磁场的基本性质及电磁波的运动形式，为微波通信、天线理论、光纤通信打下坚实的理论基础。通过电磁场理论的逻辑推理，使同学具有科学的思维方法和勇于探索问题、解决问题的能力。
二、课程教学内容及教学要求
第零章 矢量分析及场的概念
1．教学内容
（1）矢量的代数运算
（2）场的基本概念
（3）标量场的梯度
（4）矢量场的散度和旋度
（5）矢量积分定理
2．重点、难点
重点：矢量距离、点乘、叉乘、梯度、散度、旋度、散度定理、斯托克斯定理、赫姆霍兹定理；
难点：梯度、散度和旋度的物理意义
3．教学基本要求
理解学习工程电磁场的意义；掌握矢量分析的基本概念和定律；了解场论中梯度、散度、旋度、通量和环量等基本概念。
第二章 静电场
1．教学内容
（1）电场强度
（2）高斯定理
（3）静电场基本方程
（4）静电场边值问题
（5）静电场问题的计算方法
（6）静电能量与力
2．重点、难点
重点：库仑定理；高斯定理；泊松方程；拉普拉斯方程；分离变量法；电轴法；镜像法
难点：电场强度与电位之间的关系、叠加原理的分别和独立作用原则、求解边值问题
3．教学基本要求
理解电场强度与电位的定义、电场强度线积分与路径无关的性质和电场强度与电位之间的关系；了解静电场中的导体和电介质，极化强度和电位移向量；掌握高斯通量定理和无旋性构成的静电场的基本方程及电场强度、电位和电位移在不同媒质分界面的边界条件，泊松方程和拉普拉斯方程，了解求解边值问题的常用的方法和场的实验研究；理解边值问题解答的唯一性；掌握简单的静电场问题的计算方法；理解能量、能量密度和力的概念。
第三章 恒定电场
1．教学内容
（1）电流
（2）电动势和局外场强
（3）恒定电流场的基本方程
（4）恒定电流场与静电场的比拟
2．重点、难点
重点：体电流面密度和面电流线密度，传导电流和运流电流，电荷守恒定律—电流连续性方程，稳恒电流场的基本方程及其边界条件，与介质中静电场的对偶关系
难点：计算电导的静电比拟法及其它多种计算电导的方法：设电流法、设电压法、积分法等
3．教学基本要求
理解电流与电流密度的定义、欧姆定律的微分形式、功率密度和电流连续性原理；掌握导电媒质中的恒定电场的基本方程和不同媒质分界面上的边界条件；理解导电媒质中的恒定电场静电场的比拟。
第四章 恒定磁场
1．教学内容
（1）磁感应强度
（2）安倍环路定理
（3）恒定磁场的基本方程
（4）恒定磁场的边值问题
（5）磁位
（6）标量磁位
（7）磁场能量和磁场力
（8）磁路及其计算
2．重点、难点
重点：磁通连续性原理；矢量势及其泊松方程；安培环路定律；真空中磁场的基本方程；三种传导电流即线电流、面电流、体电流分布的磁矩及其磁场；稳恒磁场对磁偶极子的作用力矩；磁感应强度法向分量的连续性；磁场强度切向分量的跃变及其矢势表示式；不同媒质间磁场边界条件的三种表达式，即积分式、微分式、矢势式或标势式；磁场的能量；磁场的能量密度
难点：计算两无限长直线电流的矢势和磁场；磁偶极子的矢势和磁场；理想导磁体表面上的磁场及其与导体表面上电场的比较；求解稳恒磁场的5种方法，即毕奥─萨伐尔定律、安培环路定律、矢势法、泊松方程的直接积分法、磁标势法；磁场的自能和互能。
3．教学基本要求
理解磁感应强度、磁场强度、磁化强度的定义及三者间关系和磁通连续性原理；了解磁偶极子、偶极矩、磁化率和磁化电流的概念；理解并会用毕-沙定律和安培环路定律；掌握恒定磁场的基本方程和镜象电流法；理解磁感应强度、磁场强度、标量磁位、矢量磁位在不同媒质分界面上的边界条件；掌握两种位函数满足的方程；了解磁场能量和磁场力；了解磁路的概念和计算。
第五章 时变电磁场
1．教学内容
（1）法拉第电磁感应定理
（2）位移电流
（3）麦克斯韦方程组
（4）时变电磁场的边界条件
（5）时变电磁场的能量与能流
（6）正弦电磁场
（7）波动方程
（8）时变电磁场中的位函数
2．重点、难点
重点： 法拉第电磁感应定律的数学表达式；感应电动势和感应电流的方向与磁场方向的关系；感生电动势和动生电动势的计算；感应电场；位移电流、全电流的连续性和全电流定律；麦克斯韦方程组；洛仑兹力公式；坡印亭定理；同轴线介质中的电场和内、外导体表面上的电荷面密度；达朗贝尔方程。
难点：运动线框中的感应电动势的计算；位移电流的计算；正弦电磁场的复振幅和复矢量；洛仑兹条件。
3．教学基本要求
理解电磁感应定律、时变条件下的电流连续性方程；掌握麦克斯韦方程及其物理意义；理解坡印廷矢量的含义并会应用坡印廷定理分析电磁能传输的问题；了解动态位与场量间的基本关系；了解正弦电磁波的基本特征；
第六章 平面电磁波
1．教学内容
（1）无耗媒质中的平面电磁波
（2）导电媒质中的平面电磁波
（3）电磁波的极化
（4）平面电磁波的正入射
（5）平面电磁波的反射与折射
2．重点、难点
重点：电磁波的波动方程及其解；均匀平面波的传播特性：波速、波数和相位常数、波长，波阻抗；电场与磁场间的转换公式；均匀平面波的能量密度和能流密度；均匀平面电磁波的性质；反射定律与折射定律；平行极化波和垂直极化波的菲涅尔公式，平行极化波无反射的布儒斯特角；电磁波在理想导体表面上的全反射。
难点：均匀平面波的波阻抗；左旋和右旋圆极化波与椭圆极化波及其表示式；电磁波的相速度和群速度；电磁波在不同媒质分界面上的反射和折射。
3．教学基本要求
掌握理想介质中传播的均匀平面电磁波的波动方程及其解；熟练掌握电磁波在理想介质中的传播特性，包括均匀平面电磁波的波速、波数和相移常数、波长，波阻抗，能量密度和能流密度；掌握电磁波的极化和均匀平面电磁波的性质；掌握电磁波在介质分界面上的反射定律与折射定律，平行极化波无反射的布儒斯特角和全反射的临界角，以及正入射时的反射系数和透射系数；理解平行极化波和垂直极化波的菲涅尔公式及非均匀表面波。
第七章 均匀传输线中的导行电磁波
1．教学内容
（1）无损耗均匀传输线方程
（2）无损耗均匀传输线的传播特性
（3）无损耗传输线中波的反射和透射
（4）无损耗传输线的入端阻抗
（5）无损耗传输线的阻抗匹配
（6）有损耗均匀传输线
2．重点、难点
重点： 均匀传输线的稳态分析方法；电压波和电流波的传播特性；电磁波在有耗媒质中的传播特性及电磁波的相速和群速；
难点： 有损耗传输线的无畸变条件；有耗媒质的复磁导率。
3．教学基本要求
熟练掌握均匀传输线的稳态分析方法；深刻理解电压波和电流波的传播特性 ( 行波、驻波、匹配等 ) ；掌握有损耗传输线的无畸变条件；理解电磁波在有耗媒质中的传播特性及电磁波的相速和群速；了解有耗媒质的复磁导率。
第八章 波导与谐振腔
1．教学内容
（1）导行电磁波的分类及其一般特性
（2）矩形波导
（3）介质波导
（4）谐振腔
2．重点、难点
重点：用和表示和得便其它分量；矩形波导中的TE波、TM波、传输特性、TE10波；
难点：谐振腔的谐振频率和品质因素
3．教学基本要求
掌握用和表示和得便其它分量，理解TEM、TE和TM模式的定义。掌握导行电磁波的分类和矩形波导特性；理解谐振腔原理；掌握谐振腔的谐振频率和品质因素。
三、建议学时分配表
章 节
教学内容
理论教学学时
备注
第一章
矢量分析与场的概念
4

第二章
静电场
4

第三章
恒定电场
4

第四章
恒定磁场
4

第五章
时变电磁场
8

第六章
平面电磁波
4

第七章
均匀传输线中的导行电磁波
4

第八章
波导与谐振腔
4

总 计
36

四、课程考核方式与成绩评定
1．考核方式：笔试（一页开卷）
2．成绩评定：
总评成绩构成：平时考核（40）％；期末考核（60）％
平时成绩构成：考勤考纪（ 30）％；作业（ 70）％；
五、建议教材及参考资料
建议教材：
张洪欣等编，电磁场与电磁波（第二版），清华大学出版社，2016年版
参考资料：
1.冯慈璋主编，《工程电磁场导论》，高等教育出版社，2000年版
2.(美)威廉 H. 哈伊特(William H. Hayt,Jr.)约翰 A.比克(John A. Buck)著，《Engineering Electromagnetics》（英文版·原书第6版，Mc Graw Hill Education机械工业出版社，2002年版