电磁场与电磁波
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spContent=信息时代,电磁场与电磁波的应用无处不在。电磁场理论利用精妙的数学语言来描述客观的物理定律,通过数学方程的解来揭示场和波的客观存在。欢迎大家进入北京交通大学电磁场与电磁波MOOC课堂,领略不同的电磁世界!感受无穷的电磁魅力!
—— 课程团队
课程概述

   《电磁场与电磁波》课程是电子信息与电气工程类等专业本科生必修的专业基础课,属于理论与实践紧密结合的课程。其目的和任务是使学生理解和掌握电磁场与电磁波的基本理论,为今后深入学习及应用打下良好的基础。

   北京交通大学电磁场与电磁波MOOC课程,由国家级电工电子教学团队电磁场与电磁波课程组全体教师精心打造,由北京交通大学“课堂教学教风标兵”邵小桃老师主讲。课程主要讲述矢量分析、静态场、时变场三个方面的内容,共623讲,分为120个知识点。教学环节主要包括视频讲授、单元测验、单元作业、随堂测验、讨论、答疑、阶段测验及期末考试。授课视频中添加了许多形象生动的动画、Matlab仿真,图文并茂,直观有趣。课程还安排了包括静电场、磁悬浮、电磁感应和平面电磁波的部分演示实验,通过观察实验结果,分析实验现象,进一步加深对电磁场理论的理解和掌握。另外,为了方便大家学习,全部视频都配有字幕,可供选择。

   北京交通大学“电磁场与电磁波”课程是校级精品课程、校级优质课建设课程。教学团队有8位主讲,其中3位校级优秀主讲教师、6位博士。主讲教师邵小桃老师毕业于西安交通大学,并留校任教。从西安交通大学到北京交通大学,长期从事电磁场与电磁波教学,积累了丰富的教学经验。课程中呈现的动画、Matlab仿真主要由卫延、李一玫和王国栋老师完成。课程的演示实验由张波、李一玫、郭勇老师录制完成。崔勇老师也提供了部分动画以及习题的整理,王鑫老师提供了大量的应用图片。研究生助教姜宇嘉、郭鸣坤也参与了有关文字的整理工作。课程录像在北京交通大学多媒体教室完成,录制、剪辑、片头制作等均由北京交通大学远程教育中心贾焕军老师完成,后期字幕的制作由北京交通大学远程教育中心姚思洋、乔青等老师完成。


 


授课目标

通过本课程的学习,使学生全面理解和掌握电磁场和电磁波的理论体系,掌握静态场和时变场的基本方程及边界条件,对电磁场的分布和电磁波的传播特性进行计算和分析,为今后深入学习及应用打下良好的基础。

课程大纲

一、课程基本信息

  

           课程体系/类别:专业类/专业核心课

  先修课程:高等数学,大学物理,电路分析

  适用专业:电子信息与电气工程类等专业


 二、课程教学目标


   通过本课程的学习,掌握电磁场与电磁波系统分析与设计所需要的数学基础,使学生全面理解和掌握电磁场和电磁波的理论体系,掌握静态场和时变场的基本方程及边界条件,对基本的电磁场分布和电磁波的传播特性进行计算和分析。重点掌握麦克斯韦方程组的物理意义及其应用,并对均匀平面波在不同媒质中的传播特性有正确的理解和认识。培养学生分析问题和解决实际问题的能力,提高学生自主学习与探究的能力,为今后深入学习及应用打下良好的基础。


三、课程教学内容

课程主要章节见下表。


序号

章内容

节内容

1

1章 矢量分析

1.1 矢量运算

1.2 标量场和矢量场

1.3 正交坐标系与微分元

1.4 标量场的方向导数和梯度

1.5 矢量场的通量和散度

1.6 矢量场的环量和旋度

1.7 亥姆霍兹定理

2

2章 静电场

2.1 库仑定律 电场强度

2.2 静电场的基本方程和边界条件

2.3 电位的性质以及计算

2.4 介质中的高斯定理和边界条件

2.5 泊松方程、拉普拉斯方程

2.6 分离变量法

2.7 镜像法

2.8 多导体的电容

2.9 静电场的能量 静电力

3

 

3章 恒定电场

3.1 电流密度的概念

3.2 恒定电场基本方程和边界条件

3.3 静电比拟的分析方法

4

4章 恒定磁场

4.1 安培力定律与磁感应强度

4.2 恒定磁场基本方程和边界条件

4.3 矢量磁位的性质以及计算

4.4 标量磁位的意义

4.5 介质的磁化现象

4.6 自感和互感的求解方法

4.7 恒定磁场的能量 磁场力

5

5章 时变电磁场

5.1 法拉第电磁感应定律

5.2 位移电流

5.3 麦克斯韦方程组和边界条件

5.4 正弦电磁场的复数表示法

5.5 坡印廷矢量和坡印廷定理

5.6 时变场的动态位

6

6章 平面电磁波

6.1 理想介质中的均匀平面波

6.2 电磁波的极化特性

6.3 平面电磁波在导电媒质中的传播特性

6.4 均匀平面电磁波垂直入射

6.5 均匀平面电磁波的斜入射

6.6 群速


 

四、本课程与其它课程的联系与分工


先修课程:高等数学、大学物理、电路分析等。

后续课程:微波技术基础、天线与电波传播、电磁兼容理论等。


预备知识

《高等数学》课程相关知识点,如矢量分析、场论、线积分、面积分、体积分等内容;

《大学物理》课程中相关知识点,如电学和磁学部分的内容;

《电路分析》课程中相关知识点,如基尔霍夫定律、电阻、电容、电感的定义及计算等内容。

证书要求

《电磁场与电磁波》MOOC课程成绩满分100分,各教学环节成绩分布如下:

 单元测验占总成绩的 20%

 单元作业占总成绩的 10%

 阶段测验占总成绩的 30%

 期末考试占总成绩的 40%

完成全部课程的学习,总成绩为60分以上,由北京交通大学电子信息工程学院《电磁场与电磁波》课程组发放结业证书;总成绩为85分以上,同时将获得优秀证书。

参考资料

[1] 邵小桃等编著.电磁场与电磁波(M+Book).北京:清华大学出版社,北京交通大学出版社,2018

[2] 邵小桃等编著.电磁场与电磁波.北京:清华大学出版社,北京交通大学出版社,2014

[3] 李一玫.电磁场与电磁波,课后答案(第1 版).北京:清华大学出版社,北京交通大学出版社,2014

[4] 谢处方 饶克谨 杨显清 王园 赵家升 修订.电磁场与电磁波(第 4 版).北京:高等教育出版社,2006

[5] 杨儒贵.电磁场与电磁波(第 1 版).北京:高等教育出版社,2003

[6] 谢处方 饶克谨.电磁场与电磁波(第 3 版).北京:高等教育出版社,1999

[6] 王家礼 朱满座 路宏敏.电磁场与电磁波(第 1 版).西安:西安电子科技大学出版社,2000

[8] 邵小桃等译应用电磁学基础.北京:清华大学出版社,2016

[9] 邵小桃等译电磁场基础.北京:电子工业出版社 2010, 2017

[10] JIN AU KONG. Electromagnetic Wave Theory影印版)北京:高等教育出版社2002

常见问题


Q1: 电磁场与电磁波》MOOC课程学习成绩由哪几部分组成?

A1 本《电磁场与电磁波》MOOC课程学习成绩组成为:

     单元测验20+单元作业10+阶段测验30+期末考试40分。

     随堂测验不计成绩,讨论题根据参与活跃度,可得到1-3分额外加分。


Q2.北京交通大学《电磁场与电磁波》课程教学、考核过程与本MOOC平台的教学、考核过程一样吗?

A2:课程教学一样,但考核过程不完全一样。北京交通大学在校生《电磁场与电磁波》课程的学习成绩由平时作业、专题研讨、实验、期中考试和期末考试5部分组成,本MOOC平台的教学考核内容主要是理论教学,但视频中展示的演示实验和在校生都是一样的。


Q3.《电磁场与电磁波》长久以来被认为最难的课程之一,如何才能有效学习?

A3:主讲邵小桃老师在课堂上的口头禅“Follow me!”,“Don't worry, be happy!”在学生中广为流传。正如课程绪论中所讲,“我们要迎难而上,要认真学习,要以“3P”的精神去学习”。

   要掌握基本概念及其物理意义,要做到融会贯通,举一反三。看视频听课,要抓主线,抓重点、抓难点,掌握分析思路、掌握分析方法。在第一部分矢量分析学习中,重点掌握三度的物理意义和计算公式,在进行线、面、体的积分中,关键要理解和掌握线元矢量的意义;在第二部分静态场的学习中,老师反复强调源场的互求,那么,对于静电场、恒定电场、恒电磁场,必须要搞清楚产生它们场的源都是什么;在第三部分时变场的学习中,首先搞清楚时变场和静态场的不同点,时变场的重点是场场的互求,也就是时变电场和时变磁场的互求,重点掌握Maxwell方程组及其物理意义,用旋度的概念理解和记忆公式。

   最后相信大家,如果能够“Follow me!”,结果必将是“Don't worry, be happy!


Q4: 本课程的教学视频和电子教案文档每周什么时间更新?

A4教学视频和电子教案文档在每周周一、周三的上午10点更新。互评时间为一周,公布成绩在互评后一周。教学日历如下表。


授课

时间

授课

序号

知识点序号

知识点内容

1

1

1

0.1 绪论

2

1.0 1章 矢量分析导论

3

1.1 矢量运算

4

1.2 标量场与矢量场

5

1.3 正交坐标系与微分元

6

1.4 圆柱坐标系

7

1.5 圆柱坐标系的微分元

8

1.6 球坐标系与微分元

1

2

9

1.7 标量场的方向导数和梯度

10

1.8 梯度的性质和物理意义

11

1.9 矢量场的通量

12

1.10 矢量场的散度

13

1.11 散度的物理意义

14

1.12 散度定理

15

1.13 环量和涡旋源  旋度的定义

16

1.14 旋度的数学计算式

17

1.15 旋度的性质

18

1.16 斯托克斯定理

19

1.17 三度小结

20

1.18 亥姆霍兹定理

2

3

21

2.0 2章 静电场导论

22

2.1 电场强度  库仑定律

23

2.2 电场强度计算

24

2.3 静电场的通量和散度

25

2.4 环量和旋度  静电场的基本方程

26

2.5 真空中静电场的基本方程的应用

2

4

27

2.6 电位的定义

28

2.7 电位的计算

29

2.8 电偶极子

30

2.9 介质的极化

31

2.10 极化介质的电位

32

2.11 介质中的高斯定律

33

2.12 介质中的高斯定律应用举例

3

5

34

2.13 静电场的边界条件

35

2.14 边界条件分析举例1

36

2.15 边界条件分析举例2

37

2.16 泊松方程与拉普拉斯方程

38

2.17 一维边值问题分析举例

3

6

39

2.18 格林定理  唯一性定理

40

2.19 直角坐标分离变量法

41

2.20 圆柱坐标分离变量法

42

2.21 球坐标系的分离变量法

4

7

43

2.22 平面镜像法

44

2.23 球面镜像法

4

8

45

2.24 多导体系统间的部分电容定义

46

2.25 多导体部分电容的应用举例

47

2.26 静电场能量

48

2.27 静电力 小结

5

9

49

3.0 恒定电场导论

50

3.1 电流密度

51

3.2 恒定电场的基本方程

52

3.3 恒定电场的边界条件

5

10

53

3.4 恒定电场与静电场的比拟应用

54

3.5 电阻和电导的计算

55

3.6 接地电阻  小结

6

11

56

4.0 恒定磁场导论

57

4.1 安培力定律

58

4.2 磁感应强度

59

4.3 磁感应强度计算

60

4.4 洛仑兹力

61

4.5 真空中恒定磁场的基本方程

62

4.6 真空中恒定磁场的基本方程举例

6

12

63

4.7 矢量磁位

64

4.8 磁偶极子

65

4.9 介质的磁化

66

4.10 磁介质中的安培环路定理

67

4.11 磁介质中安培环路定理应用举例

7

13

68

4.12 两种磁介质分界面上的边界条件

69

4.13 理想导磁体表面的边界条件

70

4.14 矢量磁位的边界条件  应用举例

71

4.15 标量磁位

7

14

72

4.16 自感和互感

73

4.17 自感和互感的计算 1

74

4.18 自感和互感的计算 2

75

4.19 磁场能量  磁场力 举例 小结

 

8

 

 

静态场演示实验

 

8

 


阶段测验 前4

9

15

76

5.0时变电磁场导论

77

5.1 法拉第电磁感应定律现象

78

5.2 法拉第电磁感应定律

79

5.3 法拉第电磁感应定律应用

80

5.4 位移电流的概念

81

5.5 似稳电磁场

9

16

82

5.6 麦克斯韦方程组

83

5.7 无源区的麦克斯韦方程组

84

5.8 麦克斯韦方程组的应用

85

5.9 无源区的波动方程

86

5.10 电磁波的一般概念

87

5.11 时变电磁场的边界条件

88

5.12 时变电磁场的边界条件应用

10

17

89

5.13 正弦电磁场的复数表示法

90

5.14 麦克斯韦方程组的复数形式

91

5.15 波动方程的复数形式

10

18

92

5.16 时域坡印廷定理

93

5.17 频域坡印廷定理

94

5.18 平行双线应用分析

95

5.19 同轴线应用分析

96

5.20 动态位方程

97

5.21 动态位方程的解

 

5.22 小结

11

19

98

6.0平面波导论

99

6.1 均匀平面波的方程和解式

100

6.2 描述均匀平面波的参数

101

6.3 均匀平面波的传播特性

102

6.4 均匀平面波的一般表达式

11

20

103

6.5 电磁波的极化  线极化

104

6.6 圆极化和椭圆极化

105

6.7 线圆极化波的合成与分解

106

6.8 复矢量判定波的极化

107

6.9 波极化应用举例

12

21

108

6.10 有耗媒质中的均匀平面波

109

6.11 半导电媒质中均匀平面波

110

6.12 良导电体中均匀平面波

111

6.13 良介质和色散介质中的UPW

12

22

112

6.14 理想介质分界面的垂直入射

113

6.15 理想导体表面的垂直入射

114

6.16 良导体表面的垂直入射

115

6.17 平行极化波的斜入射

116

6.18 垂直极化波的斜入射

13

23

117

6.19 波的全反射

118

6.20 波的全折射

119

6.21 理想导体表面的斜入射

120

6.22 群速

 

6.23 小结

 

13

 

 

 

时变场演示实验

 

14-15

 

 

 

复习

 

16

 

 

 

期末考试