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电磁场与电磁波
第8次开课
开课时间: 2025年08月25日 ~ 2026年01月12日
学时安排: 3小时每周
距离开课还有 29 天 已有 20 人参加
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课程评价(109)
spContent=众所周知,人类文明繁衍、发展的历史,就是不断感触自然、认知世界的过程。从远古神话中“千里眼”、“顺风耳”的美好夙愿,到沦为千古笑谈的“烽火戏诸侯”,再到凝结了劳动人民智慧的“晚霞不出门,朝霞行千里”,一直发展到今天的“万物互联” ,都说明了通信和感知是我们生存于天地之间的重要手段。在此过程中,电磁波已逐渐成为感知和通信最为有力的“触手”。 自19世纪20年代起,奥斯特、安培、法拉第、麦克斯韦、赫兹等先贤逐渐认识并激励了电磁波,至今已有一皕春秋。电磁波的各种应用,包括无线通信、射电望远镜、雷达、卫星、无线输能、物联网等,逐步改变人们的生活方式,推动了人类社会的飞速发展。伴随着这些应用发展起来的天线、微波等理论与技术也成为了近一个世纪以来最重要的科学技术。而电磁场与电磁波课程作为这些理论与技术的基础,必然越来越受到重视。
众所周知,人类文明繁衍、发展的历史,就是不断感触自然、认知世界的过程。从远古神话中“千里眼”、“顺风耳”的美好夙愿,到沦为千古笑谈的“烽火戏诸侯”,再到凝结了劳动人民智慧的“晚霞不出门,朝霞行千里”,一直发展到今天的“万物互联” ,都说明了通信和感知是我们生存于天地之间的重要手段。在此过程中,电磁波已逐渐成为感知和通信最为有力的“触手”。 自19世纪20年代起,奥斯特、安培、法拉第、麦克斯韦、赫兹等先贤逐渐认识并激励了电磁波,至今已有一皕春秋。电磁波的各种应用,包括无线通信、射电望远镜、雷达、卫星、无线输能、物联网等,逐步改变人们的生活方式,推动了人类社会的飞速发展。伴随着这些应用发展起来的天线、微波等理论与技术也成为了近一个世纪以来最重要的科学技术。而电磁场与电磁波课程作为这些理论与技术的基础,必然越来越受到重视。
—— 课程团队
课程概述

电磁场与电磁波是高等院校电子信息类专业本科生必修的一门专业基础课,课程涵盖了大学物理中电磁学的内容,并且有一些延伸、深化。

西北大学电磁场与电磁波课程由信息科学与技术学院任宇辉副教授主讲,共47讲,主要介绍电、磁、场和波的基本概念和性质;介绍电磁波的激励、辐射以及它在不同媒质中的传播特性;并且简单介绍经典的电磁计算方法。在学习本课程之前,同学们应该掌握大学物理、高等数学等基础知识;而学习这门课之后,我们就能较容易地理解微波技术、天线原理等课程。

此外,在本次授课的过程中,教学团队对标国家一流课程建设的各项要求,对电磁场与电磁波课程的教学理念进行改革。首先是要结合工科专业学生的特点,革新教学流程。授课时不仅要介绍基础理论知识,而且要对这些理论赋予工程上的解释,做到理论联系实际。其次,不仅要讲授基础知识,而且充分挖掘课程中蕴含的丰富的思想政治教育的素材和案例。这样可以树立学生辩证唯物主义的世界观,增强学生的民族自信心和自豪感,培养学生百折不挠、用于探索的科学精神。

授课目标

通过本课程的教学,使学生具备以下知识和能力:

目标1:能够掌握经典电磁学的基本理论,包括:(1)电磁场的概念、特点和求解方法;(2)电磁波的产生、传播及辐射机理。

目标2:能够理解麦克斯韦方程组在课程中的基础平台作用,挖掘并掌握课程蕴涵的诸多科学思维方式和方法论,比如计算思维方式、对称性思维方式等,能对一些常见电磁问题,比如边界条件问题、电子器件参数计算、电磁波传播等,进行建模分析。

课程大纲
绪论
课时目标:(1)了解电磁学发展的历史和应用领域,提高学习的兴趣;(2)掌握电磁场与电磁波的基本概念 。
1.1 电磁学发展的历史应用
1.2 什么是电磁场?什么是电磁波?
矢量分析
课时目标:(1)熟练掌握矢量的运算规则及其几何意义,会计算矢量三重积;(2)掌握三种坐标系下微分元的表达;(3)掌握标量场的梯度;(4)掌握矢量场的通量和散度;(5)掌握矢量场的环量与旋度;(6)掌握散度定理和斯托克斯定理。
2.1 矢量的概念和运算
2.2 矢量微分元
2.3 标量场的梯度
2.4 矢量场的通量与散度
2.5 矢量场的环量和旋度
2.6 两个重要恒等式和亥姆霍兹定理
电磁学基本理论
课时目标:(1)熟练掌握电场强度和电位、磁感应强度和矢量磁位的概念。(2)熟练掌握安培环路定律和全电流定律、法拉第电磁感应定律,电流连续性方程,电场和磁场高斯定律。(3)理解和掌握麦克斯韦方程组的基本形式及物理意义。
3.1 库仑定律与电场
3.2 电场强度
3.3 电位
3.4 电流与电流密度
3.5 磁感应强度与矢量磁位
3.6 磁场的性质—全电流定律
3.7 电场的性质—法拉第电磁感应定律
3.8 电场的性质—高斯定理和电流连续性方程
3.9 麦克斯韦方程组及其物理意义
3.10 相量形式的麦克斯韦方程组和电磁场的分类
媒质的电磁性质和边界条件
课时目标:(1)熟练掌握静电场及恒定电场中导体的性质;(2)认识电介质的极化和磁介质的磁化;(3)熟练掌握电磁场的边界条件。
4.1 导体的电磁特性
4.2 电介质的电磁特性
4.3 磁介质的电磁特性
4.4 媒质中的麦克斯韦方程组和电场的边界条件
4.5 磁场和电流的边界条件
4.6 边界条件的应用示例
静态场分析
课时目标:(1)熟练掌握边值问题的分类、唯一性定理、镜像法和分离变量法的原理;(2)掌握利用导体平面镜像、导体球面镜像等方法解决一些应用问题的方法。
5.1 静态场的数学模型
5.2 静态场的重要原理和定理
5.3 镜像法
5.4 分离变量法
平面电磁波
课时目标:(1)掌握电磁波产生的条件,建立数学模型;(2)理解均匀平面的概念和特点,掌握电磁波的重要参数;(3)掌握坡印亭定理的内容与物理意义;(4)理解电磁波极化的概念和物理意义;(5)掌握均匀平面波在无耗和有耗媒质中的传播特性;(6)掌握均匀平面波对平面边界的垂直入射和斜入射特性。
6.1 电磁波产生的条件与波动方程
6.2 均匀平面波的概念与特点
6.3 电磁波的重要参数
6.4 坡印亭定理与坡印廷矢量
6.5 电磁波的极化
6.6 均匀平面波在无耗媒质中的传播特性
6.7 均匀平面波在低损耗媒质中的传播特性
6.8 均匀平面波在高损耗媒质中的传播特性
6.9 均匀平面波对平面边界的垂直入射-理想导体与理想介质
6.10 均匀平面波对平面边界的垂直入射-两种理想介质
6.11 垂直极化波的斜入射
6.12平行极化波的斜入射,全反射与全透射
规则波导中的电磁波
课时目标:(1) 理解电磁波在波导中传输和空间传播的不同之处;(2) 掌握波导传输特性参量;(3) 掌握电磁波在矩形波导中的传输特性。
7.1 规则波导中电磁波的一般特性
7.2 波导的传输特性参量
7.3 矩形波导的传输特性
7.4矩形波导中的TE10模
电磁波的辐射
课时目标:(1)理解滞后位的概念;(2)熟练掌握电偶极子及磁偶极子的辐射特性及表征参数。
8.1 辐射的基本概念
8.2 滞后位与电偶极子的辐射场
8.3 描述辐射特性的参数
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预备知识

高等数学微积分,大学物理

参考资料

[1]丁君 郭陈江 编,《工程电磁场与电磁波》(第2版),高等教育出版社,2019年。

[2] 谢处方 饶克谨 编,杨显清 王园 赵家升 修订,《电磁场与电磁波》(第 4 版),高等教育出版社,2006年。

西北大学
4 位授课老师
任宇辉

任宇辉

副教授

周延

周延

副教授

李珂

李珂

副教授

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