spContent=从能量与信息的产生、传输和转换到交通运输,医学诊断,工业生产,军事技术,电磁场的应用无处不在。山东大学《电磁场》课程为山东省线上线下混合式一流课程,课程体系按照总-分-总的规则,从电磁场的基本物理关系出发,分别对静电场,恒定电场,恒定磁场进行分析与研究,再通过静态场特征拓展出时变电磁场的动态特性,然后分别对准静态场和平面电磁波进行分析,教学体系完整丰富,课程讲解详实易懂,便于自主学习和移动学习!希望我们的MOOC和SPOC课程能够帮助您去了解、去探索电气工程领域及日常生活中的电磁现象,一起感受电磁场的魅力。
从能量与信息的产生、传输和转换到交通运输,医学诊断,工业生产,军事技术,电磁场的应用无处不在。山东大学《电磁场》课程为山东省线上线下混合式一流课程,课程体系按照总-分-总的规则,从电磁场的基本物理关系出发,分别对静电场,恒定电场,恒定磁场进行分析与研究,再通过静态场特征拓展出时变电磁场的动态特性,然后分别对准静态场和平面电磁波进行分析,教学体系完整丰富,课程讲解详实易懂,便于自主学习和移动学习!希望我们的MOOC和SPOC课程能够帮助您去了解、去探索电气工程领域及日常生活中的电磁现象,一起感受电磁场的魅力。
—— 课程团队
课程概述
电磁现象是大自然最重要的现象之一,也是最早被科学家关心和研究的物理现象。高等学校工科电气、电子信息类专业主要课程的核心内容都是电磁现象在特定范围、条件下的体现,分析电磁现象的定性过程和定量方法是电气、电力和电机等应用学科的重要理论基础,是电气信息类本科学生必备的专业知识和技能,同时,电磁场理论也是一些交叉学科的生长点和新兴边缘学科的发展基础,该课程知识技能的掌握程度直接关系到所培养学生的基本素质。
爱因斯坦说:"自从牛顿奠定了理论物理学的基础以来,物理学的基础的最伟大变革,是由法拉第、麦克斯韦在电磁现象方面的工作所引起的。"以麦克斯韦方程组为核心的电磁场理论是电工、电子和信息技术的理论基础,是对宏观电磁现象最本质的描述,是电气工程领域学习登堂入室的“钥匙”,是我们探索新领域新应用的基础。随着国家核心科技和军事技术的迅速发展,对电磁场理论分析和计算也提出了新的挑战,需要我们去分析和探索工程实际和交叉学科中新的电磁现象的变化规律。
《电磁场》是电气信息类专业的一门专业核心课程,面向电气工程及其自动化专业和控制科学与工程专业学生开设。
通过本课程的学习,在先修课程《高等数学》、《大学物理》、《工程数学(矢量分析与场论)》的基础上,能够利用微积分、矢量分析和场论等数学工具,对电磁场做深入分析,掌握电磁场的基本概念、基本规律及分析方法,包括麦克斯韦方程、静电场、稳恒电流场、恒定磁场、时变电磁场、准静态场和平面电磁波的理论与应用,能够建立起“场”的观点,能够对电气信息工程领域及日常生活中的电磁现象和过程进行初步分析,对一些简单电磁场问题进行定量计算,为后续专业课程的学习提供理论和技术支撑,为电气工程、电子和信息技术的发展奠定坚实的理论基础。
本课程需要提前对课本知识与概念进行预习,先学习课本上相关理论,再看视频,然后通过章节测试题,小组讨论,观看仿真演示,掌握电磁场的基本理论和计算分析方法。
授课目标
1. 理解电磁场理论建立与发展的基本规律,了解在各种工程技术中电磁场分析与应用的重要作用,了解电磁基础理论研究的发展是科学技术的巨大进步所不可缺少的基石,是科学技术应用的前提条件。
2.深刻理解麦克斯韦方程组及构成关系,理解静电场、恒定磁场、时变电磁场中的各种电磁现象和基本概念,通过电磁场理论和分析方法的学习,使学生具有工程实践的初步能力,具有一定的工程意识,能够运用所学知识对工程问题抽象后的电磁场模型,进行数学分析和求解,最终得出相应物理解释的能力。
3.了解电磁场所涉及的标准电场、磁场、电磁场防护规定的国家标准,了解国内外对电磁场的法规与标准要求,培养学生在设计过程中遵循国家标准能力,了解这些法规与标准对电气设备设计以及在国内国际工程技术交流中的重要作用,学会遵守法规、利用法规,培养学生认真负责的工作态度。
4.通过以麦克斯韦方程组对称性及构成关系为内容的电磁场理论的学习,使学生建立“场”的观点,培养学生抽象逻辑思维的能力,辩证与发展的科学观。
成绩 要求
为积极响应国家低碳环保政策, 2021年秋季学期开始,中国大学MOOC平台将取消纸质版的认证证书,仅提供电子版的认证证书服务,证书申请方式和流程不变。
电子版认证证书支持查询验证,可通过扫描证书上的二维码进行有效性查询,或者访问 https://www.icourse163.org/verify,通过证书编号进行查询。学生可在“个人中心-证书-查看证书”页面自行下载、打印电子版认证证书。
完成课程教学内容学习和考核,成绩达到课程考核标准的学生(每门课程的考核标准不同,详见课程内的评分标准),具备申请认证证书资格,可在证书申请开放期间(以申请页面显示的时间为准),完成在线付费申请。
认证证书申请注意事项:
1. 根据国家相关法律法规要求,认证证书申请时要求进行实名认证,请保证所提交的实名认证信息真实完整有效。
2. 完成实名认证并支付后,系统将自动生成并发送电子版认证证书。电子版认证证书生成后不支持退费。
课程大纲
电磁场的物理基础
课时目标:通过本章学习,了解电场与磁场的源,了解极化与磁化的概念,回顾大学物理中关于电磁场基本物理量的定义和电磁场基本实验定律,包括库仑定律、安培力定律、法拉第电磁感应定律,归纳概括麦克斯韦方程组的积分形式。计划学时:6学时
第一节电荷密度与电流密度
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1.1电磁场的源之电荷与电荷密度
1.2电磁场的源之电流荷密度
第二节 电场强度与电位移矢量
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1.3库伦定律与电场强度
1.4极化与电位移
第三节 磁感应强度与磁场强度
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1.5安培定律与磁场
1.6磁化与磁场强度
第四节 电磁场基本方程组
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1.7法拉第电磁感应定律
1.8全电流定律
1.9麦克斯韦方程
静电场
课时目标:通过本章学习,从微分角度确定静电场的有源性和保守性,掌握分界面上的边界条件,能够通过微分方程计算电场及电场强度;理解静电场的泊松方程和拉普拉斯方程、边值问题,掌握直接积分法(对称场)、解的唯一性原理。掌握镜像法、电轴法,理解部分电容的概念;掌握电场能量及其分布、电场力及其计算。计划学时:10-12学时
第一节 基本方程及其微分方程
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2.1静电场特性
第二节 电位与电位梯度
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2.2电位
第三节 静电场的边值问题
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2.3静电场微分方程
2.4静电场分界面条件
2.5导体与介质的分界面
2.6静电场的边值问题
第四节 镜像法与电轴法
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2.7.1镜像法——平面镜像一
2.7.2镜像法——平面镜像二
2.8镜像法——球面镜像
2.9电轴法
第五节 多导体系统的部分电容
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2.10.1电容的计算(一)
2.10.2电容的计算(二)
2.11静电屏蔽
第六节 电场能量和电场力
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2.12电场能量的计算
2.13电场力的计算
2.14电场中的法拉第观点
恒定电场
课时目标:通过本章学习,了解局外场强的概念,理解电荷守恒和电流连续性原理理解恒定电场微分方程其物理意义,能够熟练掌握恒定电场的微分方程求解方法,理解导电媒质中的恒定电场与静电场无电荷区域的各种比拟关系,掌握静电比拟法和镜像法。掌握电导和接地电阻的计算,了解多电极系统部分电导和跨步电压的概念。计划学时:4学时
第一节导电媒质中的恒定电场
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3.1电源电动势与局外场强
3.2恒定电场特性
第二节 恒定电场的边值问题
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3.3恒定电场边值问题
第三节 静电比拟
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3.4静电比拟
第四节电导与接地电阻
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3.5电阻的计算
3.6接地电阻
3.7跨步电压
恒定磁场
课时目标:恒定电流在导体内分布电场的同时,也在周围空间产生了磁场,通过本章学习,了解磁这一空间中特殊形式物质的场分析方法,理解磁场微分方程及其物理意义,掌握磁场的分界面衔接条件;理解标量磁位和矢量磁位的定义,熟练掌握简单一维恒定磁场问题求解,掌握铁磁媒质平面的镜像法;掌握外自感和互感的计算,了解内自感的概念;理解磁场能量密度的概念、掌握计算磁场能量的各种方法和求磁场力的虚位移法;理解磁路和磁路定律,掌握简单磁路问题的计算,了解铁磁屏蔽的方法。计划学时:10-12学时
第一节 基本方程及其微分形式
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4.1毕奥-沙伐尔定律
4.2恒定磁场特性
第二节 标量磁位
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4.3标量磁位
4.4标量磁位微分方程
第三节 矢量磁位
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4.5矢量磁位
4.6矢量磁位的应用
第四节 磁场中的镜像法
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4.7磁场中的镜像法
第五节 电感
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4.8内自感
4.9电感的计算
第六节 磁场能量与磁场力
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4.10磁场能量的计算
4.11磁场力的计算
第七节 磁路及其计算
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4.12磁路与磁路定理
4.13铁磁屏蔽
时变电磁场
课时目标:通过本章学习,深刻理解麦克斯韦方程组的微分形式及其物理意义,熟练掌握电场与磁场互为因果的关联性,掌握时变电磁场的分界面衔接条件,熟练掌握采用坡印亭矢量分析电磁能量流动的方法,深刻理解电磁辐射现象,掌握单元偶极子天线产生的辐射电磁场的基本特性。计划学时:6-8学时
第一节 电磁场基本方程组
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5.1时变电磁场特性
第二节 坡印廷定理与坡印廷矢量
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5.2坡印廷定理
5.3坡印廷矢量
第三节 动态位及其波动方程
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5.4动态位
5.5达朗贝尔方程
第四节 正弦电磁场
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5.6正弦电磁场
第五节 电磁辐射
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5.7单元偶极子的电磁辐射
5.8远区和近区电磁场
准静态电磁场
课时目标:通过本章学习:理解电准静态场和磁准静态场,掌握准静态场中物理量的计算,了解电荷在导体中的弛豫过程以及电磁场的扩散方程;了解集肤效应和邻近效应;了解涡流损耗和电磁屏蔽;了解基尔霍夫电流、电压定律与磁准静态场的关系,了解导体的交流内阻抗的计算。计划学时:4学时
第一节 电准静态场
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6.1电准静态场
6.2导体中的弛豫
第二节 磁准静态场
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6.3磁准静态场
第三节 集肤效应与邻近效应
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6.4集肤效应与邻近效应
第四节 涡流损耗与电磁屏蔽
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6.5涡流损耗
6.6电磁屏蔽
第五节 电路定律与交流阻抗
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6.7交流阻抗
平面电磁波
课时目标:通过本章学习:了解等相面和等幅面的概念,理解均匀平面电磁波的波动方程;深刻理解理想介质中的波动方程,熟练掌握平面波的传输特性;深刻理解导电媒质中的波动方程,了解其传输特性,掌握良导体中和低损耗介质中平面波的传播特性。计划学时:4学时
第一节 电磁场波动方程
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7.1均匀平面波
第二节 理想介质中的均匀平面波
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7.2理想介质中的均匀平面波
第三节 导电媒质中的均匀平面波
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7.3导电媒质中的均匀平面波
第四节 均匀平面电磁波的正入射
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7.4入射与反射
7.5行驻波与入端阻抗
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预备知识
《高等数学》课程相关知识点,如线积分、面积分、体积分,二阶偏微分方程求解等内容;
《工程数学(矢量分析与场论)》课程相关知识点,如矢量分析、场论等内容;
《大学物理》课程相关知识点,如电学和磁学部分的内容;
《电路》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。
参考资料
- 孟昭敦,《电磁场导论》,北京,中国电力出版社;
- 冯慈璋 马西奎,《工程电磁场导论》,北京,高等教育出版社
常见问题
Q : 《电磁场》一直被认为是电气工程最难的专业课,如何才能有效学习?
A : 首先在学习中要注意掌握电磁场涉及的基本概念以及相应的物理意义,看视频之前要先预习课本,课程中涉及到的数学方法要提前掌握。看视频听课过程中,要能够掌握电磁理论的基本概念,抓住重点,掌握基本分析方法。学习过程中,要随时总结,并与所学知识进行对比。