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《电磁场理论》课程教学大纲课程编码AL040150课程性质专业基础课程适用专业电气工程及其自动化学时学分40学时
2.5学分所需先修课高等数学、复变函数与积分变换、电路
一、课程说明.课程简介电磁场理论是电气工程及其自动化专业的一门专业基础课本课程主要学习静态电磁场、时变电磁场、电磁波的传播三部分内容,学习静态电磁场的基本性质、基本分析计算方法、边值问题、能量与力,时变电磁场的基本性质,电磁波传播的基本性质、以及电磁波的定向传播该课程的先修课是高等数学、复变函数与积分变换等,这些课程的学习,为本课程奠定数学基础本课程开设目的是为系统学习电机学、电机设计、电器设计、电力系统分析、高电压技术、控制电机等后续课程打下基础.教学目标要求1)理解重要物理量电场强度、电位移、电位、电流密度、磁感应强度、磁场强度、磁矢位、磁位和动态位的物理意义,深入理解电磁场的重要性质与规律——积分形式和微分形式的电磁场基本方程组;2)能应用高斯定律、安培环路定律的积分形式计算简单的场,能应用镜象法计算一些特殊的场,能定性地描绘场的大致分布,了解平行平面场的实验模拟方法,在分析工程电磁场问题中能写出对应的边值问题,并能正确应用边界条件;3)能使用计算机对最简单的物理模型用差分法进行数值计算;4)理解电磁场能量的分布与传输,和通过能量关系计算电场力、磁场力的方法;5)掌握电路参数的计算原则(指电阻、电感、电容),并能计算简单电磁系统的参数;6)掌握平面电磁波在理想介质及导电媒质中传播的基本规律,并能对工程中一些基本交变电磁现象进行解释;7)理解准静态电磁场的概念,掌握简单工程应用问题;8)掌握均匀传输线在正弦电压作用下的稳态分析法及电压波、电流波概念.教学重点难点重点静电场的基本方程,电容与部分电容,静电能量与力;电流场的基本方程,电导与部分电导;恒定磁场的基本方程,自感与互感,磁场能量与力,磁路计算;时变电磁场的基本方程,正弦电磁场及其解,电磁辐射与天线阵;平面电磁场的传播特性,入射、折射、投射;均匀传输线的基本方程,反射与投射,入端阻抗与阻抗匹配;波导与谐振腔的工作原理难点电容与部分电容;电导与部分电导;自感与互感,磁路计算;时变电磁场的基本方程,正弦电磁场及其解,电磁辐射;平面电磁场的传播特性;均匀传输线的基本方程,反射与投射,入端阻抗与阻抗匹配.学时分配表.主要教法、学法本课程以课堂讲授为主、自学和讨论为辅的方式开展教学,着重对学生的分析问题能力、理论综合能力以及实验研究能力等方面的培养研发并采用多媒体教学方式.考核方式及标准1)考核目的考核学生对静态和时变工程电磁场的基本知识、基本理论、工程计算方法等的理解和掌握程度,促进学生提高分析和解决问题的能力2)考核形式开卷笔试3)主要考核内容静电场的基本方程,电容与部分电容,静电能量与力;电流场的基本方程,电导与部分电导;恒定磁场的基本方程,自感与互感,磁场能量与力;时变电磁场的基本方程,正弦电磁场及其解,电磁辐射;均匀传输线的基本方程,反射与投射,入端阻抗与阻抗匹配4)考核题型填空,选择,计算5)成绩评定考试成绩占总成绩的50-60龈其他(包括考勤、作业、讨论等)成绩占总成绩的40-50%
二、各部分教学纲要第一部分矢量分析(2学时)教学目标熟练掌握标量、矢量的概念,并能对标量的梯度、矢量的散度、旋度进行熟练运算熟练掌握散度定理、斯拖克斯定理,并运用定理熟练解题熟练掌握直角坐标、圆柱坐标和球坐标矢量运算掌握亥姆霍兹定理,明确矢量场分析的方向和方法教学内容.场、标量场、矢量场;.标量场的方向导数、矢量场的通量、散度、环量和旋度;.圆柱坐标系和球坐标系;.亥姆霍兹定理第二部分静电场(10学时)教学目标掌握电场强度、电位、电位梯度的定义,能根据给定的电荷分布计算电场了解静电场中的导体和电介质中场的性质以及电偶极子的电场、介质极化强度掌握电位移概念和高斯定律以及相应方程所表示的静电场的有源、无旋性,分界面上的衔接条件掌握静电场的泊松方程与拉普拉斯方程及解的唯一性定理掌握静电场计算的电轴法、镜象法、分离变量法,有限差分法掌握静电能量的计算方法和静电场参数电容和分布电容的概念及计算方法本部分重点高斯定律;静电场基本方程、分界面上的衔接条件;静电场的边值问题、唯一性定理;电容与部分电容;静电能量与力本部分难点电介质的极化与高斯定律;静电场分界面上的衔接条件;静电场的边值问题.唯一性定理;静电能量与力教学内容.电场强度、电位、电位梯度,根据给定的电荷分布计算电场,静电场中的导体和电介质,电偶极子的电场、极化强度、电位移,高斯定律;.静电场的有源、无旋性,分界面上的衔接条件,静电场的泊松方程与拉普拉斯方程,解的唯一性定理;.电轴法(二线输电线电场),镜象法(电荷对导电平面的镜象、电荷对两种介质分界面的镜象、点电荷对球形导体的镜象);.分离变量法,有限差分法;.电容、部分电容的概念;.电场能量及其分布,电场力及其计算第三部分恒定电场(4学时)教学目标掌握电流密度概念、欧姆定律的微分形式、焦耳定律的微分形式、恒定电流的连续性掌握导电媒质中恒定电场的基本方程及分界面上的衔接条件掌握恒定场中电位满足的拉普拉斯方程的解法了解导电媒质中恒定电场与介质中静电场的相似性掌握电导与部分电导、接地电阻及其计算本部分重点恒定电场基本方程.分界面上的衔接条件;电导与部分电导本部分难点电导与部分电导教学内容.电流密度、欧姆定律的微分形式、焦耳定律的微分形式、恒定电流的连续性;.导电媒质中恒定电场的基本方程,分界面上的衔接条件,拉普拉斯方程;.导电媒质中恒定电场与介质中静电场的相似性;.电导与部分电导,接地电阻及其计算第四部分恒定磁场(7学时)教学目标理解磁感应强度定义,掌握根据电流分布计算磁场的方法;理解磁通及其连续性原理;理解物质的磁化原理及磁偶极子磁场的概念;掌握磁化强度、磁场强度概念及安培环路定律;掌握恒定磁场的基本方程及分界面上的衔接条件;理解磁位、磁矢位概念,掌握磁场的泊松方程和拉普拉斯方程及其解法;掌握二线传输电线磁场计算方法及磁场的镜象法;掌握电感自感和互感的计算方法,了解聂以曼公式;掌握磁场能量分布及其计算方法,掌握磁场力及其计算;了解磁路及其计算本部分重点安培环路定律;恒定磁场基本方程.分界面上的衔接条件;磁矢位.恒定磁场的边值问题;电感;磁场能量恒定电场基本方程.分界面上的衔接条件;电导与部分电导本部分难点恒定磁场基本方程.分界面上的衔接条件;磁矢位.恒定磁场的边值问题;聂以曼公式计算电感;磁场能量与磁场力的计算教学内容.磁感应强度,根据电流分布计算磁场,磁通及其连续性;物质的磁化,磁偶极磁场的概念,磁化强度,磁场强度;安培环路定律;.恒定磁场的无散、有旋性;分界面上的衔接条件;磁位,磁矢位,磁场的泊松方程和拉普拉斯方程;.二线输电线磁场,磁场的镜象法;.电感自感和互感的计算,聂以曼公式、二线输电线的电感;.磁场能量及其分布,磁场力及其计算;.磁路及其计算第五部分时变电场(7学时)教学目标理解位移电流概念,掌握电流的连续性原理;理解及掌握麦克斯韦电磁场方程组的意义以及电磁场解的唯一性定理、分界面上的衔接条件;理解动态位概念及其积分解;掌握电磁场能量计算方法和坡印亭矢量以及正弦电磁场的计算方法;理解电磁场的辐射原理和似稳场的概念本部分重点电磁场基本方程组.分界面上的衔接条件;动态位及其积分解;电磁功率流和坡印亭矢量;正弦电磁场;电磁辐射本部分难点动态位及其积分解;电磁功率流和坡印亭矢量;电磁辐射教学内容.电流概念的推广,位移电流;电流的连续性;安培环路定律的推广,麦克斯韦第一方程;电磁感应定律的推广,麦克斯韦第二方程;电磁场方程组、解的唯一性定理、分界面上的衔接条件;.电磁场能量;坡印亭矢量;.动态位及其方程;.电磁能的辐射;偶极子;似稳场的概念第六部分准静态电磁场(4学时)教学目标理解电准静态场与磁准静态场的概念;明确磁准静态场和电路关系;掌握电准静态场下的电荷弛豫原理;理解集肤效应、涡流及其损耗;掌握导体的交流内阻抗计算方法;了解邻近效应和电磁屏蔽本部分重点电准静态场与电荷驰豫;集肤效应;涡流及其损耗;导体的交流内阻抗本部分难点电准静态场与电荷驰豫;涡流及其损耗;导体的交流内阻抗教学内容.电准静态场与磁准静态场;.磁准静态场和电路;.电准静态场与电荷弛豫;.集肤效应;.涡流及其损耗;.导体的交流内阻抗;.邻近效应和电磁屏蔽第七部分平面电磁波(自学6学时)教学目标理解电磁波动方程和平面电磁波,掌握理想介质中的均匀平面波和导电媒质中的均匀平面波特性,波的衰减与透入深度;掌握平面电磁波的特性、波的极化、波的反射与折射、正入射与驻波本部分重点电磁波动方程和平面电磁波;理想介质中的均匀平面电磁波;导电媒质中的均匀平面电磁波;平面电磁波的反射与折射;平面电磁波的正入射.驻波;导电媒质中的平面波的衰减与透入深度本部分难点电磁波动方程和平面电磁波;导电媒质中的均匀平面电磁波;平面电磁波的反射与折射;导电媒质中的平面波的衰减与透入深度教学内容.理想介质中的均匀平面波;.行波,波速和波阻抗;.波的极化、波的反射与折射,驻波;.导电媒质中的平面波,波的衰减与透入深度第八部分均匀传输线(6学时)教学目标理解电磁波动方程和平面电磁波,掌握理想介质中的均匀平面波和导电媒质中的均匀平面波特性,波的衰减与透入深度;掌握平面电磁波的特性、波的极化、波的反射与折射、正入射与驻波本部分重点无损耗均匀传输线的传播特性;无损耗传输线的入端阻抗;无损耗均匀传输线的阻抗匹配;有损耗均匀传输线基本方程、出书特性及无畸变条件本部分难点无损耗均匀传输线的传播特性;无损耗均匀传输线的阻抗匹配;有损耗均匀传输线基本方程、出书特性及无畸变条件教学内容.无损耗均匀传输线基本方程,正弦稳态解,特性阻抗,传播常数;.无损耗均匀传输线中的行波与驻波;.有损耗均匀传输线基本方程;.无损耗均匀传输线的入端阻抗,四分之一波长无损耗传输线的应用第九部分波导与谐振腔(自学4学时)教学目标了解导行电磁波的分类及其一般特性,及矩形波导、介质波导、谐振腔的导波特性本部分重点矩形波导、介质波导的导波特性本部分难点矩形波导、介质波导、谐振腔的导波特性教学内容.导行电磁波的分类,矩形波导;.介质波导,谐振腔
三、教材及教学资源使用教材冯慈璋,马西奎.工程电磁场导论(第一版).北京:高等教育出版社,
2000.参考书
[1]江家麟等译.电磁场与电磁能.北京:高等教育出版社
1993.次序教学内容理论课学时数第一部分矢量分析2第二部分静电场10第三部分恒定电场4第四部分恒定磁场7第五部分时变电磁场7第六部分准静态电磁场4第七部分平囿电磁波自学第八部分均匀传输线6第九部分波导与谐振腔自学总计40。