《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7章24讲。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。
1、通过本课程的学习,能将电磁场中的电场、磁场的相关知识用于电子系统中电场、电位、磁场和电磁波的表述中;能将电磁波在介质和波导装置中传播时电场和磁场的特性用于高频电路电磁辐射、无线信号传输的表述中。
2、能将电介质极化、磁介质磁化用于电子器件在场作用下产生极化电荷和磁化电流对器件性能影响的分析中。
3、能正确描述电磁感应、电磁波的极化方式在实际工程问题中的应用及原理;能理解静电场和恒定电场的间的异同及工程应用。
4、能掌握电场波在介质中传播时的透射、反射和衰减的特性,用于在电子器件电磁特性的分析中。
5、了解在导播高频信号时,分析传输线等效成电感、电容、电阻器件,对于集成电路芯片和高频器件性能的影响。
《电磁场与电磁波》SPOC课程成绩满分100分,各教学环节成绩分布如下:
报告占总成绩的 5%;
单元作业占总成绩的 10%;
阶段测验占总成绩的 10%;
期末考试占总成绩的 75%。
第 1 讲 绪论 & 第 1 章 矢量分析
0.1 绪论
1.0 矢量分析导论
1.1 矢量运算
1.2 标量场与矢量场
1.3 正交坐标系与微分元
1.4 圆柱坐标系
1.5 圆柱坐标系的微分元
1.6 球坐标系与微分元
第 2 讲 第 1 章 矢量分析 续
1.7 标量场的方向导数和梯度
1.8 梯度的性质和物理意义
1.9 矢量场的通量
1.10 矢量场的散度
1.11 散度的物理意义
1.12 散度定理
1.13 环量和涡旋源 旋度的定义
1.14 旋度的数学计算式
1.15 旋度的性质
1.16 斯托克斯定理
1.17 三度小结
1.18 亥姆霍兹定理
第 1 周 单元测验
第 3 讲 第 2 章 静电场
2.0 静电场导论
2.1 电场强度 库仑定律
2.2 电场强度计算
2.3 静电场的通量和散度
2.4 静电场的环量和旋度 静电场的基本方程
2.5 真空中静电场的基本方程的应用
第 4 讲 第 2 章 静电场 续1
2.6 电位的定义
2.7 电位的计算
2.8 电偶极子
2.9 介质的极化
2.10 极化介质的电位
2.11 介质中的高斯定律
2.12 介质中的高斯定律应用举例
第 2 周 单元测验
第 2 周 单元作业
第 5 讲 第 2 章 静电场 续2
2.13 静电场的边界条件
2.14 边界条件分析举例 1
2.15 边界条件分析举例 2
2.16 泊松方程与拉普拉斯方程
2.17 一维边值问题分析举例
第 6 讲 第 2 章 静电场 续3
2.18 格林定理 唯一性定理
2.19 直角坐标系的分离变量法
2.20 圆柱坐标系的分离变量法
第 3 周 单元测验
第 3 周 单元作业
第 7 讲 第 2 章 静电场 续4
2.22 平面镜像法
2.23 球面镜像法
第 8 讲 第 2 章 静电场 续5
2.24 多导体系统间的部分电容定义
2.25 多导体部分电容的应用举例
2.26 静电场能量
2.27 静电力 小结
第 2 章 讨论题
第 4 周 单元测验
第 9 讲 第 3 章 恒定电场
3.0 恒定电场导论
3.1 电流密度
3.2 恒定电场的基本方程
3.3 恒定电场的边界条件
第 10 讲 第 3 章 恒定电场 续
3.4 恒定电场与静电场的比拟应用
3.5 电阻和电导的计算
3.6 接地电阻 小结
第 3 章 讨论题
第5周 单元测验
第 11 讲 第 4 章 恒定磁场
4.0 恒定磁场导论
4.1 安培力定律
4.2 磁感应强度
4.3 磁感应强度计算
4.4 洛伦兹力
4.5 真空中恒定磁场的基本方程
4.6 真空中恒定磁场的基本方程应用举例
第 12 讲 恒定磁场 续1
4.7 矢量磁位
4.8 磁偶极子
4.9 介质的磁化
4.10 磁介质中的安培环路定理
4.11 磁介质中的安培环路定理应用举例
第6周 单元测验
第6周 单元作业
第 13 讲 恒定磁场 续2
4.12 两种磁介质分界面上的边界条件
4.13 理想导磁体表面的边界条件
4.14 矢量磁位的边界条件 应用举例
4.15 标量磁位
第 14 讲 恒定磁场 续3
4.16 自感和互感
4.17 自感和互感的计算 1
4.18 自感和互感的计算 2
4.19 磁场能量 磁场力 举例 小结
第4章 讨论题
第7周 单元测验
静态场演示实验
静电起电机
静电除尘实验
静电电动机实验
静电风车实验
静电单摆实验
磁悬浮实验
第 15 讲 时变电磁场
5.0 时变电磁场导论
5.1 法拉第电磁感应定律现象
5.2 法拉第电磁感应定律
5.3 法拉第电磁感应定律应用
5.4 位移电流的概念
5.5 似稳电磁场
第 16 讲 时变电磁场 续1
5.6 麦克斯韦方程组
5.7 无源区的麦克斯韦方程组
5.8 麦克斯韦方程组的应用
5.9 无源区的波动方程
5.10 电磁波的一般概念
5.11 时变电磁场的边界条件
5.12 时变电磁场的边界条件应用
第8周 单元测验
第8周 单元作业
第 17 讲 时变电磁场 续2
5.13 正弦电磁场的复数表示法
5.14 麦克斯韦方程组的复数形式
5.15 波动方程的复数形式
第 18 讲 时变电磁场 续3
5.16 时域坡印廷定理
5.17 频域坡印廷定理
5.18 平行双线应用分析
5.19 同轴线应用分析
5.20 动态位方程
5.21 动态位方程的解
5.22 小结
第5章 讨论题
第9周 单元测验
第9周 单元作业
第 19 讲 平面电磁波
6.0 平面波导论
6.1 均匀平面波的方程和解式
6.2 描述均匀平面波的参数
6.3 均匀平面波的传播特性
6.4 均匀平面波的一般表达式
第 20 讲 平面电磁波 续1
6.5 电磁波的极化 线极化
6.6 圆极化和椭圆极化
6.7 线圆极化波的合成和分解
6.8 复矢量判定波的极化
6.9 波极化应用举例
第10周 单元测验
第 21 讲 平面电磁波 续2
6.10 有耗媒质中的均匀平面波
6.11 半导电媒质中的均匀平面波
6.12 良导体中的均匀平面波
6.13 良介质和色散介质中的均匀平面波
第 22 讲 平面电磁波 续3
6.14 理想介质分界面的垂直入射
6.15 理想导体表面的垂直入射
6.16 良导体表面的垂直入射
第11周 单元测验
第11周 单元作业
第 23 讲 导行电磁波
7.1导波系统中波的特性及纵向场法
7.2 矩形波导
第 24 讲 导行电磁波 续2
7.3 矩形波导中的TE10波
7.4 传输线方程及其解
7.5 传输线上波的传输特性参数
7.6 传输线的工作状态
7.7 谐振腔
第12周 单元作业
时变电磁场演示实验
电磁感应实验1
电磁感应实验2
电磁波发射接收——八木天线
电磁波发射接收——趋肤效应
微波分光仪介绍
微波分光仪反射实验
迈克尔逊干涉实验
介电常数测量实验
全折射实验
圆极化波的产生1
圆极化波的产生2
圆极化波的反射与折射
知识拓展与应用
5G技术通俗易懂的讲解
FAST - 500米口径球面射电望远镜
电磁场对健康的影响
静电力
超导技术
电磁感应
吸波、透波及缩波效应
高功率微波
闪电
雷电及防护
《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。
教材: 邹澎,周晓萍编.电磁场与电磁波(第二版).北京:清华大学出版社,2016.(教材)
参考:
[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.
[7] 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(Fawwaz T.Ulaby..,Fundamentals Of Applied Electromagnetics,Sixth
Edition.PEARSON).北京:清华大学出版社,2016.
[9] 邵小桃等译.电磁场基础(Nannapaneni Narayana Rao.Fundamentals Of Electromagnetics for
Electrical and Computer Engineering.PEARSON).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.
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分+单元作业10分+阶段测验35分+期末考试35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。教学日历详见功能栏中的教学日历。