电磁场与电磁波
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spContent=我们正处在信息爆炸的时代,在日常生活和社会活动中已经离不开电磁场与电磁波了,例如无线网络、广播、电视、雷达、卫星通信、导航定位等高科技产品均是电磁理论的产物。欢迎大家走进“电磁场与电磁波”MOOC课堂,探索神秘而有趣的电磁世界!
—— 课程团队
课程概述

    

“电磁场与电磁波”课程是电子信息类专业本科生必修的专业核心课程,其目的是使学生理解和掌握电磁场与电磁波的基本理论、及典型电磁问题的分析方法,为今后深入学习及应用打下良好的基础。该“电磁场与电磁波”MOOC课程,由省级教学团队“电磁场与电磁波”课程组全体教师精心打造,由西北工业大学 “本科教学最满意教师”丁君教授主讲。课程主要讲述矢量分析、麦克斯韦方程组、静态场分析、平面电磁波特性、电磁辐射原理五个方面的内容。






授课目标

通过该课程的学习,使学生对宏观电磁场与电磁波的基本概念和规律有深入完整的理解,重点掌握麦克斯韦方程组的物理意义及其应用,理解媒质的电磁特性及电磁场边界条件,学会对电磁场分布和电磁波的传播特性进行计算的基本方法,培养学生对简单工程电磁问题的分析能力,为后续深入学习及应用打下良好的基础。




课程大纲

序号

章内容

节内容

基本要求

1

绪论

0.1 为什么要学该课程及主要学习内容

了解课程的特点及学习内容,培养对电磁场与电磁波学习和探索的兴趣。

0.2 人类早期对电和磁的认识

0.3 电和磁的关系

0.4 麦克斯韦与电磁理论的建立

2

1章矢量分析

1.1 矢量的定义和加减法运算法则

理解矢量的概念及表示方法;掌握矢量基本运算,及矢量微分元的表示;了解正交坐标系及矢量在不同坐标系中的变换。

1.2 矢量的乘法运算法则

1.3 矢量微分元

1.4 矢量的坐标变换

1.5 标量场梯度的定义与计算

1.6 矢量场散度的定义与计算

1.7 矢量场旋度的定义与计算

3

2章电磁学理论基础

2.1 电场的概念及基本物理量的计算

理解电场和磁场的基本概念,掌握电场强度和磁感应强度的基本计算;理解位移电流的概念,深刻领会麦克斯韦方程组的物理含义,并熟练应用其求解简单电磁场问题。

2.1.1电场的概念及点电荷电场强度的计算

2.1.2 连续分布的电荷源电场强度的计算

2.1.3 电位的概念与计算

2.2 磁场的概念及基本物理量的计算

2.2.1磁场的概念及线电流磁感应强度的计算

2.2.2 面电流和体电流磁感应强度的计算

2.2.3矢量磁位的引入与计算

2.3 麦克斯韦方程的建立

2.3.1 安培环路定律与位移电流

2.3.2 电磁感应定律

2.3.3 电场和磁场高斯定律及电流连续性方程

2.4 麦克斯韦方程及其应用

2.4.1 麦克斯韦方程积分形式及其应用

2.4.2 麦克斯韦方程微分形式及其应用

4

3章媒质的电磁特性和边界条件

3.1 微波炉的工作原理

理解导体的传导现象、电介质的极化现象和磁介质的磁化现象;掌握媒质的物态方程及电磁场的边界条件。

3.2 导体的特性

3.3 电介质的特性

3.4 磁介质的特性

3.5 电磁场的边界条件

3.5.1电磁场的边界条件之一

3.5.2电磁场的边界条件之二

5

4章静态场分析

4.1 静态电磁场的应用

理解静态场特性,及泊松方程和拉普拉斯方程;理解静态场的重要原理和定理;熟练掌握求解静态电磁场问题的镜像法和分离变量法;了解复变函数法。

4.2 静态场的特性及方程

4.3 静态场的重要原理

4.4 镜像法

4.4.1 无限大导体平面的镜像

4.4.2 无限大介质平面的镜像

4.4.3 半无限大导体平面角域的镜像

4.4.4 导体球面的镜像

4.4.5 导体圆柱面的镜像

4.5 分离变量法

4.5.1 直角坐标系中的分离变量法

4.5.2 圆柱坐标系中的分离变量法

4.5.3 球坐标系中的分离变量法

4.6 复变函数法

4.6.1 复变函数的概念与性质

    4.6.2   复位函数法和保角变换法

6

5章场论和路论的关系

5.1 场论和路论的统一关系

理解场论和路论的统一关系;掌握电阻、电容、电感的计算方法。

5.2 电阻的计算

5.3 电容的计算

5.4 电感的计算

5.4.1 自感的计算

5.4.2 互感的计算

7

6章平面波传播特性

6.1 隐身飞机是如何隐身的?

理解平面波的定义和特性,及电磁场波动方程;掌握均匀平面波在无耗介质中的传播特性;理解电磁波极化的概念和类型;熟练掌握平面波垂直入射的反射和透射规律,及反射波和透射波的计算;了解多层介质中的反射与透射规律;及平面波斜入射的反射和折射规律,理解波的全反射与全折射现象。

6.2 均匀平面波的概念和特性

6.3 平面波在无耗介质中的传播规律

6.4 平面电磁波的能量传递

6.5 平面波在有耗媒质中的传播规律

6.6 电磁波的极化特性

6.7 平面波对平面边界的垂直入射

6.7.1 平面波对理想导体平面的垂直入射

6.7.2 平面波对理想介质平面的垂直入射

6.7.3 平面波对有耗媒质平面的垂直入射

6.7.4 多层介质分界面上的垂直入射

6.8平面波对平面边界的斜入射

6.8.1 垂直极化波的斜入射

6.8.2 平行极化波的斜入射

6.8.3 波的全反射和全折射

8

7章规则波导和空腔谐振器

7.1 规则波导中电磁波的特性

本章是了解和扩展内容,不在考核范围内。

7.2 矩形波导

7.3 矩形波导中TE10模的特性

7.4 圆柱形波导

7.5 空腔谐振器

9

8章电磁波的辐射

8.1 辐射的概念及滞后位

理解电磁辐射的概念,及滞后位的概念;掌握电偶极子和半波振子的辐射场及辐射特性;了解磁偶极子的辐射特性;理解天线阵辐射的概念,掌握二元阵辐射场的计算方法。

8.2 电偶极子的辐射

8.2.1 电偶极子的辐射场

8.2.2 电偶极子的辐射特性

8.3 磁偶极子的辐射

8.4 对称振子的辐射

8.5 天线阵的辐射

8.5.1 二元阵的辐射场

8.5.2 均匀线阵的辐射场


预备知识

   高等数学(12)、大学物理(12)、数理方程与特殊函数、电路基础


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:

1、单元测验占总成绩的 20%

2、单元作业占总成绩的 20%

3课程活跃度10%(在课堂交流区积极发帖,参与讨论,回答同学疑问等,

      5次以上即可得此项满分)

4、期末考试占总成绩的 50%

总评成绩60-84分为合格,总评成绩85分及以上为优秀。


参考资料

[1]  丁君主编,《工程电磁场与电磁波》,高等教育出版社,2005年。

[2]  谢处方、饶克谨、杨显清、王园、赵家升修订,《电磁场与电磁波》(第 版),

    高等教育出版社,2006年。

[3]  杨儒贵,《电磁场与电磁波》(第 版),高等教育出版社,2003年。

[4]  王家礼、朱满座、路宏敏,《电磁场与电磁波》(第 版),西安电子科技大学出

    版社,2000年。