电磁场与电磁波
电磁场与电磁波
1000+ 人选课
更新日期:2025/04/29
开课平台学银在线
开课高校四川轻化工大学
开课教师吴浩文宇桥王晶
学科专业工学电子信息类
开课时间2025/03/03 - 2025/08/01
课程周期22 周
开课状态开课中
每周学时-
课程简介

“场”论部分:

(1)矢量分析:

三种基本坐标系(直角坐标、圆柱坐标、球坐标)、物理场的“三度”( 标量场的梯度、矢量场的散度和旋度)和唯一性定理(亥姆霍兹定理)。

(2)静电场与恒定电场:

静电场涉及的基本概念及基本现象:电荷密度、电流密度、库仑定律、电场强度、电位函数、电偶极子、电介质、极化强度、电位移矢量、电场能量、恒定电流。

静电场的基本方程:真空中的静电场基本方程、真空中的电位方程(泊松方程和拉普拉斯方程)、电介质中静电场基本方程、分界面上静电场方程(边界条件)、恒定电流的基本方程。

静电场的场源关系:有散无旋场、电位的梯度场。

求解静电场场分量的基本方法:利用矢量叠加的方式求电场强度、利用电位求电场强度、利用静电场基本方程求电场强度。

(3)恒定磁场:

恒定磁场涉及的基本概念和基本现象:磁场对运动电荷的作用力、磁感应强度、毕奥---萨伐尔定律、磁通量、矢量磁位、磁偶极子,磁介质、磁化强度、磁场强度、自感与互感、磁矩、磁场能量。

恒定磁场的基本方程:真空中的恒定磁场基本方程、真空中矢量磁位方程(矢量泊松方程与拉普拉斯方程)、磁介质中的恒定磁场基本方程、分界面上恒定磁场方程(边界条件)。

恒定磁场的场源关系:有旋无散场。

求解恒定磁场场分量的基本方法:利用矢量叠加的方式求磁感应强度、利用恒定磁场基本方程求磁感应强度。

(4)时变电磁场:

时变电磁场涉及的基本概念和基本现象:电磁感应,电荷守恒、位移电流、坡印廷矢量、时变电磁场的标量位和矢量位。

时变电磁场的基本方程:麦克斯韦方程组、边界条件、坡印廷定理(能量转换和守恒)、达朗贝尔方程(电磁辐射方程)。

电磁波部分:

1)平面电磁波:

平面电磁波的复矢量描述、基本概念(均匀平面电磁波、平均坡印廷矢量、电磁波的极化、媒质的分类、本征阻抗、表面电阻、趋肤效应、色散现象等)、平面电磁波的复数方程、均匀平面正弦波在不同媒质中的传播特性。

2)电磁波的反射与折射:

基本概念:入射面、平行极化波、垂直极化波、表面阻抗、反射系数和透射系数、临界角和全反射、布儒斯特角和全折射、极化滤除效应、快波和慢波、TEM波和TE/TM波等。

电磁波发生反射和折射的分析方法:垂直入射和斜入射的不同现象。


《电磁场与电磁波》教学大纲

适用专业:通信工程、电子信息工程、电子信息科学与技术、生物医学工程、电气工程及其自动化各专业

学时数:52(理论48,实验4),不同的专业,教学内容和课时可根据需要适当删减。

学分数:3.5

预修课程:高等数学、大学物理

一、课程的性质、目的与任务:

本课程是电子信息与通信类各专业的一门技术基础课。要求在普通物理和工程数学的基础上,通过本课程的学习,使学生进一步熟悉电磁场与电磁波的基本性质和规律;学会应用场的观点进行初步的分析,对一些较简单的问题能进行计算,并为学习专业课或进行电磁学问题的进一步研究准备必要的基础。

二、课程教学的基本要求

本课程是电子信息与通信工程各专业重要的专业基础课之一。因此在教学方法上,采取课堂讲授、上机操作、课后自学、课堂讨论等形式。

在教学过程中,教师应注重加强基础,对电磁场理论的基本概念、基本原理、基本分析方法进行详细的讲解,并指出每章的重点和难点部分。讲授中应尽量纳入电子技术的最新发展成果,注重理论联系实际,通过电子课件、电视短片等多种形式展示、讨论,启迪学生的思维,加深学生对有关概念、内容和方法的理解,使学生理解并掌握电磁场理论的分析方法。

具体要求为:

1、     熟悉静态场(静电场、恒定电场、恒定磁场)的基本性质,静电场的有源无旋性,电流的连续性,恒定磁场的无源有旋性;了解静态场和位的分布规律。

2、     进一步理解法拉第电磁感应定律,位移电流和全电流定律;掌握麦克斯韦方程组的积分形式和微分形式;掌握电磁场的能量关系和边界条件。

3、     掌握平面电磁波在理想介质和导电媒质中的传播,和在分界面上的反射和折射的基本规律。

4、     了解导行波的分类:TEM波、TE波、TM波。

5、     掌握电磁场辐射的基本原理和电偶极子辐射的性质。

三、本课程与其它课程的联系与分工

先修课程:高等数学、工程数学(场论、矢量分析、特殊函数、复变函数等)、普通物理;

后继课程:微波与天线、卫星通信等。

四、课程教学内容

(一)矢量分析

场的直角坐标、圆柱坐标、球坐标表示法

矢量场的散度、旋度、标量场的梯度;

亥姆霍兹定理

重点:散度、旋度、梯度

难点:柱坐标系、球坐标系中的方程

(二)  静电场与恒定电场

真空中的静电场:库仑定律、电场强度、电位;

电位梯度:根据给定的电荷分布求电位、电偶极子及其电场;真空中的高斯定理;

介质中的静电场:电介质的极化、极化强度、极化率、电位移、介质中的高斯定理;

静电场的基本方程、分界面上的边界条件、泊松方程与拉普拉斯定理;

电容与电容系数;

电场能量及分布、电场力。

电流密度:外源场强、恒定电流的连续性、恒定电场的无旋性、欧姆定律的微分形式;

恒定电场的基本方程、分界面上的边界条件;

焦耳定律的微分形式;

导电媒质中恒定电场与电介质中静电场的相似性。

重点:1、深刻理解并掌握EФ、D、ρ、ρP、ρPS及其关系;

2、深刻理解恒定电流、恒定电场的概念;

3、掌握微分形式的欧姆定律和焦耳定律;

4掌握并灵活运用静电场与恒定电场的基本方程;

5掌握并灵活运用静电场与恒定电场的边界条件;

6深刻理解并掌握电场能量。

难点:1、掌握好求解EФ、D、ρ、ρP、ρPS的方法;

2、束缚电荷;

3、与静电场的比拟方法的应用。

(三)恒定磁场

真空中的磁场:磁场对运动电荷的作用力,磁感应强度,毕奥---萨伐尔定律,磁通及其连续性,磁偶极子,磁矩;

媒质的磁性及媒质中的磁场:磁介质的磁化机理、反磁性、顺磁性、铁磁性,磁化强度、磁场强度、安培环路定律;

恒定磁场的基本方程:分界面上的边界条件、矢量磁位、标量磁位、泊松方程与拉普拉斯方程;

根据矢量磁位计算磁通,自感与互感;

磁场能量及分布、磁场力。

重点:1、理解BHMJJMJMS 概念及其关系

            2、掌握并灵活运用恒定磁场的基本方程;

     3、掌握并灵活运用恒定磁场的边界条件;

     4深刻理解并掌握磁场能量。

难点:1、矢量磁位;2、束缚电流。

(四)时变电磁场

电磁感应定律,麦克斯韦第二方程式;

电荷守恒定律,位移电流,安培环路定律的推广,麦克斯韦第一方程式;

麦克斯韦方程组、波动方程;坡印亭矢量,坡印亭定理;

时变电磁场的边界条件,时变电磁场的标量位和矢量位,达朗贝尔方程;

重点:1、麦克斯韦方程组;

2、时变电磁场的边界条件;

         3、坡印亭定理;

难点:边界条件的应用

(五)平面电磁波

麦克斯韦方程组的复数形式,复介电常数,复磁导率;

理想介质中的均匀平面波,本征阻抗,波的极化;

损耗媒质中的均匀平面波,衰减系数,穿透深度;

重点:1、均匀平面波的性质及传播规律;

  2、波的传播参数:γ、α、β、k等的物理意义;

难点:1、相速、群速、色散

2、慢波现象

(六)电磁波的反射与折射

理想导体和空气、理想介质间分界平面上垂直入射波的反射与透射,表面阻抗;

理想导体和空气、理想介质间分界平面上斜入射波的反射与折射,布儒斯特角,临界角;

重点:电磁波的垂直入射和反射规律;

难点:1、布儒斯特角;

2、极化滤除效应

五、课程习题的要求

巩固对基本概念和理论的理解,掌握基本公式的推导,熟练掌握典型电磁场的求解方法,会计算电磁场与电磁波的性能参数。习题量少,但必须熟练。


课程大纲

第一章 矢量分析

  • 1.1 1.1标量场的梯度
  • 1.2 1.2矢量场的散度和旋度
  • 1.3 1.3教学大纲对应要求
  • 1.4 1.4场论基础作业&自测

第二章 静电场

  • 2.1 2.1静电场的物理现象
  • 2.2 2.2静电场的基本方程
  • 2.3 2.3教学大纲对应要求
  • 2.4 2.4静电场作业&自测

第三章 静态场基本解法

  • 3.1 3.1静态场的基本解法
  • 3.2 3.2教学大纲对应要求

第四章 恒定磁场

  • 4.1 4.1恒定磁场的基本方程
  • 4.2 4.2磁场的能量和能量密度
  • 4.3 4.3教学大纲对应要求
  • 4.4 4.4恒定磁场作业&自测

第五章 时变电磁场

  • 5.1 5.1从电磁感应到电磁波
  • 5.2 5.2电磁波的能量传播和守恒关系
  • 5.3 5.3教学大纲对应要求
  • 5.4 5.4时变电磁场作业&自测

第六章 电磁波在无界空间中的传播

  • 6.1 6.1正弦电磁场的复矢量表示
  • 6.2 6.2均匀平面正弦电磁波在理想介质中的传播
  • 6.3 6.3正弦电磁波在有耗媒质中的传播
  • 6.4 6.4教学大纲对应要求
  • 6.5 6.5正弦电磁波的传播作业&自测

第七章 电磁波的反射和折射

  • 7.1 7.1电磁波的垂直入射
  • 7.2 7.2电磁波的斜入射
  • 7.3 7.3教学大纲对应要求
  • 7.4 7.4电磁波反射折射的作业&自测

实验

  • 8.1 8.1实验指导书

学习资料

  • 9.1 9.2课程PPT
  • 9.2 9.1教学指导书
  • 9.3 9.3教案