【正文】 工程電磁場(chǎng)原理 （電子教案素材） 高等教育出版社、高等教育電子音像出版社 一、“電磁場(chǎng)”課程的地位、作用與任務(wù) 二、引言 三、學(xué)習(xí)方法 四、本課程學(xué)時(shí)分配建議 第 1章 電磁場(chǎng)的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ) 167。 電磁場(chǎng)的物理模型及其分析 167。 關(guān)于源量的注釋 167。 矢量分析教學(xué)中的若干討論點(diǎn) 167。 關(guān)于亥姆霍茲定理的注釋 167。 電磁感應(yīng)定律的推廣 167。 電流概念的擴(kuò)充 ? 全電流定律 緒論 第 2章 靜態(tài)電磁場(chǎng) ?：靜電場(chǎng) 167。 基本內(nèi)容與要求 167。 教學(xué)重點(diǎn)解析 一、電介質(zhì)的極化 ? 極化電場(chǎng) 二、靜電場(chǎng)邊值問題的構(gòu)造 三、分離變量法及其應(yīng)用 四、鏡像法及其應(yīng)用 五、 關(guān)于部分電容概念的討論 六、 虛位移法 七、 基于法拉第觀點(diǎn)分析電場(chǎng)力 八、場(chǎng)圖示例 第 3章 靜態(tài)電磁場(chǎng) Ⅱ ：恒定電流的電場(chǎng)和磁場(chǎng) 167。 基本內(nèi)容與要求 一、恒定電場(chǎng) 二、恒定磁場(chǎng) 167。 教學(xué)重點(diǎn)解析 一 、 關(guān)于導(dǎo)電媒質(zhì)中建立恒定電流場(chǎng)的討論 二、靜電比擬原理 三、基于場(chǎng)矢量積分關(guān)系式的分析方法 四、基于矢量磁位 A的應(yīng)用分析 五、磁偶極子在外磁場(chǎng)中的受力分析 六、作用于磁場(chǎng)中兩種媒質(zhì)分界面上的磁壓力 七、場(chǎng)圖示例 第 4章 準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng) 167。 基本內(nèi)容與要求 167。 教學(xué)體系框架 167。 教學(xué)重點(diǎn)解析 一、準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)的判別條件 —— 似穩(wěn)條件 二、基本方程及其導(dǎo)出關(guān)系式 三、時(shí)諧電磁場(chǎng)的復(fù)數(shù)表示 第 5章 動(dòng)態(tài)電磁場(chǎng)與電磁波 167。 基本內(nèi)容與要求 167。 教學(xué)體系框架 167。 教學(xué)重點(diǎn)解析 一、坡印廷定理與坡印廷矢量 二、復(fù)介電常數(shù)、復(fù)磁導(dǎo)率和等效復(fù)介電常數(shù) 三、 電磁位及其積分解 四、電磁輻射 五、 均勻平面電磁波 六、導(dǎo)引電磁波 緒 論 一、“電磁場(chǎng)”課程的地位、作用與任務(wù) 二、引言 三、學(xué)習(xí)方法 四、本課程學(xué)時(shí)分配建議 一、“電磁場(chǎng)”課程的地位、作用與任務(wù) “ 電磁場(chǎng) ” 是高等學(xué)校電氣信息類專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，其主要任務(wù)是： (1)在 “ 大學(xué)物理 ” 電磁學(xué)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步闡述宏觀電磁場(chǎng)的基本規(guī)律，并根據(jù)電氣信息類各專業(yè)工程實(shí)際的需要，介紹有關(guān)電磁技術(shù)應(yīng)用的基本知識(shí)； (2)應(yīng)用場(chǎng)的觀點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)電氣信息工程中的電磁現(xiàn)象和電磁過程進(jìn)行定性分析與判斷的初步能力，并進(jìn)而掌握定量分析的基本技能； (3)通過電磁場(chǎng)理論的邏輯推理，培養(yǎng)學(xué)生正確的思維方法和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。 “ 電磁場(chǎng) ” 課程的地位與作用： ● “ 電磁場(chǎng) ” 課程內(nèi)容是電氣信息類專業(yè)本科生所應(yīng)具備知識(shí)結(jié)構(gòu)的必要組成部分 ——電氣信息類各專業(yè)主要課程的核心內(nèi)容都是電磁現(xiàn)象在特定范圍、條件下的體現(xiàn)，因此，分析電磁現(xiàn)象的定性過程和定量方法是電氣信息類各專業(yè)學(xué)生掌握專業(yè)知識(shí)和技能的基礎(chǔ)； ● 近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展進(jìn)程表明，電磁場(chǎng)理論是眾多交叉學(xué)科的生長(zhǎng)點(diǎn)和新興邊緣學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)； ● 教學(xué)實(shí)踐證明，本課程不僅將為電氣 信息 類學(xué)生專業(yè)課的學(xué)習(xí)提供必須的知識(shí)基礎(chǔ)，而且將增強(qiáng)學(xué)生面向工程實(shí)際的適應(yīng)能力和創(chuàng)造能力，關(guān)系到學(xué)生基本素質(zhì)培養(yǎng)的終極目標(biāo)。 二、引言 1. 什么是場(chǎng)？ ● 物理概念上的描述： “ 在遍及一個(gè)被界定的或無限擴(kuò)展的空間內(nèi)，存在著某種必須予以重視、研究的效應(yīng) ” 。 例如，溫度場(chǎng) T(x,y,z,t)、重力場(chǎng) F(x,y,z,t)，以及電場(chǎng) E(x,y,z,t)、磁場(chǎng) B(x,y,z,t)等對(duì)應(yīng)于相應(yīng)物理效應(yīng)客觀存在的物理場(chǎng)； ● 數(shù)學(xué)意義上的描述： “ 給定區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)數(shù)值的集合，并由此規(guī)定了該區(qū)域內(nèi)某一特定量的特性 ” 。 2. 本課程的理論體系 ——宏觀電磁理論 1865年英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋 ()建立的著名的麥克斯韋電磁場(chǎng)方程組是宏觀電磁理論體系的基礎(chǔ)。 宏觀電磁理論所涉及的電磁現(xiàn)象和過程的基本特征是： ● 場(chǎng)域 (即場(chǎng)空間 )中媒質(zhì)是靜止的，或其運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速； ● 場(chǎng)域作為點(diǎn)集，點(diǎn)的尺寸遠(yuǎn)大于原子間的距離。 本課程所討論的任一場(chǎng)點(diǎn)，即意味著大量分子的集合 場(chǎng)域中的媒質(zhì)被看作為 “ 連續(xù)媒質(zhì) ” 該場(chǎng)點(diǎn)處的電磁性能歸結(jié)為對(duì)應(yīng)的宏觀統(tǒng)計(jì)平均效應(yīng)的表征，即通過宏觀等效的物性連續(xù)參數(shù) (如電導(dǎo)率 ?、磁導(dǎo)率 ?和介電常數(shù) ?)予以描述。 因而，宏觀電磁理論也被稱為 “ 連續(xù)媒質(zhì)電動(dòng)力學(xué) ” ，但決不等同于“ 量子電動(dòng)力學(xué) ” 或 “ 相對(duì)論電動(dòng)力學(xué) ” ，后者已分別延拓到微觀粒子或高速運(yùn)動(dòng)體系中電磁現(xiàn)象和過程的研究領(lǐng)域。 ?? 3. 工程電磁場(chǎng)問題的觀察點(diǎn) ——“電磁場(chǎng)的有效控制和利用 ” 無論從理解近代科學(xué)技術(shù)成果或者從發(fā)展并實(shí)現(xiàn)新的科學(xué)技術(shù)成果評(píng)價(jià)，電磁場(chǎng)理論及其應(yīng)用不僅是日趨發(fā)展的電工、電子和信息科學(xué)技術(shù)的重要基礎(chǔ)，而且也是旁及軍事、生態(tài)、醫(yī)療、地質(zhì)等眾多領(lǐng)域新科學(xué)技術(shù)的生長(zhǎng)點(diǎn)。這一切都可聚焦于“ 電磁場(chǎng)的有效控制和利用 ”的基本觀察點(diǎn)上，例如： ? 浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)磁懸浮線（ EMS型磁浮列車）和日本山梨磁懸浮試驗(yàn)線（ EDS型磁浮列車）； ? 電磁探測(cè)（應(yīng)用于油、氣、礦藏、地層結(jié)構(gòu)探測(cè)和氣象預(yù)測(cè)等遙感、遙測(cè)技術(shù)）； ? 電子束曝光、離子束注入技術(shù)（大規(guī)模集成電路芯片制造）； ? 現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的電磁技術(shù)（導(dǎo)彈防御系統(tǒng)、隱身飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈、 GPS系統(tǒng)、信息干擾等）； ? 廣播、電視、移動(dòng)電話、微波通信和光纖通信等； ? 電磁熱加工技術(shù)（感應(yīng)加熱、微波加熱和微波爐等 )； ? 生物醫(yī)學(xué)工程中的電磁技術(shù)（核磁共振 CT、 X線透視和腫瘤熱療法等）； ? 超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)； ? 高能量密度的百萬(wàn) kW級(jí)汽輪、水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、制造（優(yōu)化）技術(shù)； ? 1000kV超高電壓電力系統(tǒng)及其裝置的設(shè)計(jì)、制造（優(yōu)化）技術(shù)； ? 磁流體發(fā)電技術(shù)； ? 納米微晶磁性材料的應(yīng)用； ? 衛(wèi)星太陽(yáng)能發(fā)電站； ? ………………………………… 4. 知識(shí)就是 力量 —— “ 電磁理論及其應(yīng)用技術(shù)”是當(dāng)代 高層次電氣信息類科學(xué)工作者和工程師必須具備的基礎(chǔ) 知識(shí)和能力 ● 電磁物理概念和有關(guān)數(shù)學(xué)分析工具應(yīng)用的最佳結(jié)合 —— 當(dāng)代大學(xué)生 知識(shí)、能力和素質(zhì)培養(yǎng)的現(xiàn)實(shí)需要； ● 走向生活和工作崗位后 再學(xué)習(xí)、再創(chuàng)造 的知識(shí)和能力的基礎(chǔ)； ● 面向 終身學(xué)習(xí) 需求必要的知識(shí)和能力基礎(chǔ)。 三、學(xué)習(xí)方法 電磁場(chǎng)理論體系完整、簡(jiǎn)練，內(nèi)涵豐富、概念性強(qiáng)，且較抽象。同時(shí)，應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)與工具較多，涉及知識(shí)面寬，故更需要注意科學(xué)的學(xué)習(xí)方法 1. 深入理解，建立正確的物理概念，并熟練運(yùn)用必須的數(shù)學(xué) 知識(shí)和工具 ● 實(shí)踐證明，正確理解物理概念是學(xué)習(xí)中困難的主要方面，故需抓住此 主要矛盾，通過深入鉆研，使之得以緩解。 ● 本課程學(xué)習(xí)將遵循數(shù)學(xué)建模、分析的主線索展開，因此，除微積分基礎(chǔ)知識(shí)外，矢量分析與場(chǎng)論、數(shù)理方程 (偏微分方程 )與特殊函數(shù)等數(shù)學(xué)知識(shí)和工具都應(yīng)成為定性乃至定量分析電磁場(chǎng)問題所必備的知識(shí)基礎(chǔ)。 2. 掌握常用分析、計(jì)算的方法 ● 通過例題、習(xí)題等環(huán)節(jié)不斷提高邏輯思維、分析與解題能力，這也是理論聯(lián)系實(shí)際、通過實(shí)踐能動(dòng)地理解和深化概念的過程。 3. 逐步建立工程分析的觀點(diǎn) ● 本課程終極目的在于培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程電磁場(chǎng)問題的基本能力。 4. 正確的學(xué)習(xí)態(tài)度和方法 ● 刻苦鉆研，獨(dú)立思考； ● 科學(xué)的 方法論：運(yùn)用演繹法 (由一般到特殊 )、類比法和歸納法等，以努力 提高 學(xué)習(xí)效率和 改 善學(xué)習(xí)效果； ● 科學(xué)地安排、計(jì)劃學(xué)習(xí)時(shí)間； ● 及時(shí)做好課程的預(yù)、復(fù)習(xí)。 四、本課程學(xué)時(shí)分配建議 本課程參考學(xué)時(shí)： 60學(xué)時(shí)。 以電氣工程類專業(yè)為例，學(xué)時(shí)分配比例建議如下： 1. 緒論 (含可視化教材的演示 ) 2學(xué)時(shí) 2. 電磁場(chǎng)的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ) 6學(xué)時(shí) 3. 靜態(tài)電磁場(chǎng) I： 靜電場(chǎng) 16學(xué)時(shí) 4. 靜態(tài)電磁場(chǎng) II: 恒定電流的電場(chǎng)和磁場(chǎng) 14學(xué)時(shí) 5. 準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng) 6學(xué)時(shí) 6. 動(dòng)態(tài)電磁場(chǎng)與電磁波 12學(xué)時(shí) 7. 實(shí)驗(yàn) 4學(xué)時(shí) 若在信息工程類專業(yè)授課，則宜將 “ 動(dòng)態(tài)電磁場(chǎng)與電磁波 ” 學(xué)時(shí)數(shù)增至 20學(xué)時(shí)，而將 “ 靜態(tài)電磁場(chǎng) I:靜電場(chǎng) ” 與 “ 靜態(tài)電磁場(chǎng) II：恒定電流的電場(chǎng) 和磁場(chǎng) ” 學(xué)時(shí)數(shù)分別減為 12學(xué)時(shí)和 10學(xué)時(shí)。 第 1章 電磁場(chǎng)的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ) 167。 電磁場(chǎng)的物理模型及其分析問題 167。 關(guān)于源量的注釋 167。 矢量分析教學(xué)中的若干討論點(diǎn) 167。 關(guān)于亥姆霍茲定理的注釋 167。 電磁感應(yīng)定律的推廣 167。 電流概念的擴(kuò)充 ? 全電流定律 167。 電磁場(chǎng)的物理模型及其分析 根據(jù)電磁現(xiàn)象和過程分析的物理模型構(gòu)造的本質(zhì) ， 可建立如下電磁場(chǎng)分析與電路分析的物理模型之間的對(duì)比關(guān)系 。 理想化假設(shè) 實(shí)際的電工 、 電子技術(shù)裝置 電路模型 (一種具體的 物理模型 ) 電路模型： ?理想電路元件 (R、 L、 C) 及其組合 ?理想電壓源 、 電流源 (e,i) 分析問題 以 u， i為基 本物理量 給定激勵(lì) (e,i) 求響應(yīng) (u,i) 電路分析： 電磁場(chǎng)分析： 電磁場(chǎng)的物理模型： ?連續(xù)媒質(zhì)的場(chǎng)空間 (?、 ? 、 ? 及其相應(yīng)的幾何結(jié)構(gòu) ) ? 理想化的場(chǎng)源 (q,i) 分析問題 以 E、 B、 D、 H為 基本物理量 (場(chǎng)量 ) 給定源量 (q,i),求場(chǎng) 分布 (E、 B、 D、 H) 理想化假設(shè) 實(shí)際電磁裝置中的電磁 現(xiàn)象和過程 電磁場(chǎng)的物理模型 以上電磁場(chǎng)與電路分析的求解過程均可歸結(jié)為 (1) 給出與所分析的物理模型對(duì)應(yīng)的基本規(guī)律性的數(shù)學(xué)描述 （ 泛定方程 ） 及其定解條件 ， 即構(gòu)造相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型； (2) 運(yùn)用相應(yīng)的分析計(jì)算方法； (3) 解出數(shù)學(xué)模型中的待求物理量 ， 即得所分析問題的確定解 。 電磁場(chǎng)物理模型中的基本物理量可分為源量和場(chǎng)量?jī)纱箢?。 源量 q(r?,t)和 i(t)分別用來描述產(chǎn)生電磁場(chǎng)效應(yīng)的兩類場(chǎng)源 。 1. 源量 (電荷 )q(r?,t) ? 電荷是物質(zhì)基本屬性之一 。 ? 1897年英國(guó)科學(xué)家湯姆遜 ()在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了電子 。 ? 1907－ 1913年間 ， 美國(guó)科學(xué)家密立根 ()通過油滴實(shí)驗(yàn) ， 精確測(cè)定電子電荷的量值為 e = 177 33 1019 (單位： C) 確認(rèn)了電荷量的量子化概念 。 換句話說 ， e 是最小的電荷量 ， 而任 何帶電粒子所帶電荷都是 e 的整數(shù)倍 。 167。 關(guān)于源量的注釋 ? 宏觀分析時(shí) ， 場(chǎng)源電荷常是數(shù)以億計(jì)的電子電荷 e的組合 ， 故可不考慮其量子化的事實(shí) ， 而認(rèn)為電荷量 q可任意連續(xù)取值 。 ? 類同于由物質(zhì)密度 ? 給定物質(zhì)的質(zhì)量 m一樣 ， 現(xiàn)引入關(guān)于電荷的平滑的平均密度函數(shù)概念 ， 即 以電荷密度分布的方式來給定帶電體的電荷量 。 ? 理想化實(shí)際帶電系統(tǒng)的電荷分布形態(tài)為如下四種形式： （ 1） 點(diǎn)電荷 q(r?,t)：