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《电磁场导论》教学大纲课程编号：1950310 课程分类：必修课课程性质：技术基础课学分：3学分总学时：54学时授课学时：54学时实验学时：0学时先修课程：大学物理、高等数学、工程数学（矢量分析与场论、数理方程）使用教材：孟昭敦，《电磁场导论》，北京，中国电力出版社，2004参考教材：冯慈璋马西奎，《工程电磁场导论》，北京，高等教育出版社，2000开课系所：电气学院电工理论与新技术研究所联系电话：8392806课程负责人：梁振光大纲起草人：孟昭敦●课程性质、地位与任务电磁场理论是高等学校工科电气信息类专业的一门重要技术基础课，也是一些交叉学科的生长点和新兴边缘学科的发展基础。
本课程所涉及的内容是合格的电气工程类专业本科生所应具备的知识结构的必要组成部分，是增强学生适应能力和创造能力所必须具备的基本素质。
本课程的主要任务是：在《大学物理》电磁学的基础上，以《工程数学》的矢量分析和场论为工具，进一步研究宏观电磁场的基本规律；培养学生用“场”的观点，定性分析判断电气工程中电磁现象的初步能力；了解定量分析的基本途径，为进一步学习较复杂的电磁场计算方法奠定基础。
通过本课程的逻辑推理，培养学生的正确思维能力和严谨的科学态度。
●教学内容与要求本大纲对理论概念的教学要求分为“了解”、“理解”和“深刻理解”三个层次；对计算技能的教学要求分为“掌握”、“熟练掌握”两个层次。
第一章电磁场的物理基础1-1电荷密度与电流密度（了解电荷密度和电流密度的概念，理解电荷守恒与电流连续性原理）1-2电场强度与电位移矢量（理解库仑定律、电场强度和电位移矢量的定义，熟练掌握高斯通量定理，了解介质极化的概念）1-3磁感应强度与磁场强度（理解安培力定律、磁感应强度和磁场强度的定义，熟练掌握安培环路定理，了解媒质磁化的概念）；1-4麦克斯韦方程组（理解麦克斯韦方程组的积分形式，掌握感应电动势和位移电流的计算）第二章静电场2-1基本方程及其微分形式（深刻理解∇⋅D=ρ和∇⨯E=0及其物理意义，掌握E和D的衔接条件）2-2电位与电位梯度（理解电位ϕ的定义及其与电场强度的关系，了解电力线方程与等位面方程）2-3静电场的边值问题（理解∇2ϕ= -ρ/ε、∇2ϕ=0和唯一性定理，熟练掌握一维静电场边值问题的直接积分法，掌握边值问题的定解条件）2-4镜像法与电轴法（理解镜像法和电轴法的实质和依据，熟练掌握导电平面和介质平面镜像法，掌握导电球面镜像法和电轴法）2-5多导体系统的部分电容（掌握两导体间电容的计算方法，了解多导体系统部分电容、工作电容的概念和静电屏蔽方法）2-6电场能量和电场力（理解电场能量密度的概念、掌握计算电场能量的各种方法和求电场力的虚位移法）第三章恒定电场3-1导电媒质中的恒定电场（了解局外场强的概念，理解电荷守恒和电流连续性原理，深刻理解∇⋅J=0、∇⨯E=0及其物理意义，掌握欧姆定律和焦耳定律的微分形式，掌握J的衔接条件）3-2恒定电场的边值问题(熟练掌握恒定电场∇2ϕ=0的直接积分法，了解分界面上的自由电荷，了解恒定电流从良导体进入不良导体以及载流导体与理想介质分界面的特点) 3-3静电比拟（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）3-4电导与接地电阻（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）第四章恒定磁场4-1基本方程及其微分形式（深刻理解∇⨯H=0、∇⋅B=0及其物理意义，掌握B和H的衔接条件）4-2标量磁位（理解标量磁位ϕm的定义，了解∇2ϕm=0及其多值性）4-3矢量磁位（深刻理解矢量磁位的定义B=∇⨯A和库仑规范∇⋅A=0，掌握A的衔接条件，熟练掌握简单一维恒定磁场问题求解，了解B线方程与等A面方程）4-4磁场中的镜像法（掌握铁磁媒质平面的镜像法）4-5电感（掌握外自感和互感的计算，了解内自感的概念和聂以曼公式）4-6磁场能量与磁场力（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）4-7磁路及其计算（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）第五章时变电磁场5-1电磁场基本方程组（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E与H互为因果的关联性，掌握时变电磁场的分界面衔接条件）5-2坡印亭定理与坡印亭矢量（深刻理解坡印亭定理的物理意义，熟练掌握坡印亭矢量分析电磁能量流动的方法）5-3动态位及其波动方程（理解动态位A、ϕ的定义，了解洛仑兹规范，深刻理解达朗贝尔方程的波动性及其解的推迟效应）5-4正弦电磁场（理解麦克斯韦方程组、坡印亭矢量、达朗贝尔方程和洛仑兹条件的复数形式）5-5电磁辐射（理解单元偶极子在近区和远区的辐射特性，了解似稳条件与似稳场的概念）第六章准静态电磁场6-1电准静态场（理解电准静态场的条件，掌握电准静态场E和H计算，了解电荷在导体中的弛豫过程）6-2磁准静态场（理解磁准静态场的条件，掌握磁准静态场H和E计算，了解电磁场的扩散方程）6-3集肤效应与邻近效应（了解集肤效应和邻近效应）6-4涡流损耗与电磁屏蔽（了解涡流损耗和电磁屏蔽）6-5电路定律和交流阻抗（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）第七章平面电磁波7-1电磁场波动方程（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）7-2理想介质中的均匀平面波（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）7-3导电媒质中的均匀平面波（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）7-4均匀平面电磁波的正入射（掌握反射系数与透射系数计算，了解匹配、全反射与驻波、行驻波与驻波比、入端阻抗的概念）第八章均匀传输线8-1无损耗均匀传输线方程（理解无损耗均匀传输线导引TEM波及其在横截面内的分布与静态场相同，掌握电压和电流表示的传输线方程）8-2无损耗均匀传输线的传输特性（理解无损线正弦稳态通解的特点，掌握由边界条件确定积分常数）8-3有损耗均匀传输线（了解有损耗传输线的特点，掌握由原参数计算副参数，了解无畸变传输线的概念）8-4无损耗传输线的反射与透射（掌握反射系数与透射系数计算，了解匹配、全反射与驻波、行驻波与驻波比的概念）8-5无损耗传输线的入端阻抗（理解入端阻抗的定义，了解不同负载下的传输线特性）●各章学时分配第一章电磁场的物理基础（4学时）第二章静电场（12学时）第三章恒定电场（4学时）第四章恒定磁场（8学时）第五章时变电磁场（6学时）第六章准静态电磁场（4学时）第七章平面电磁波（6学时）第八章均匀传输线（6学时）总复习（含机动时间）（4学时）●实验与其它目前暂不具备开设实验条件，计划开设平行平面场模拟实验，电场和磁场的测试实验。
本讲内容要点1）电磁场的复数表示方法2）磁荷与磁流的引入3）对偶性原理4）边界条件5）Poyinting定理第1章 电磁场理论基础A ．Maxwell 方程组)4( 0)3( )2( )1( =⋅∇=⋅∇∂∂+=×∇∂∂−=×∇B D D J H B E ρtt)/)/),/( )( )/( )( )/( )/( 3222m C m A T m Wb m C m A m V 体电荷密度（体电流密度（磁通密度磁感应强度电通密度电位移矢量磁场强度电场强度======ρJ B D H E第一个方程是Faraday 定律；第二个方程是Ampere 定律（增加了位移电流项）；第三个与第四个方程分别是电场和磁场的Gauss 定理 (分别从Coulomb 定律Biot-Savart 定律推出)。
/t ∂∂D1) 电流连续性方程 (或电荷守恒定理):0=∂∂+⋅∇t ρJ(5)静电场问题：使用 (1) and (3) ()0/=∂∂t B 静磁场问题：使用 (2) and (4) ()0/=∂∂t D 时变场问题：使用 (1) and (2) (with (5))2) 本构关系 (constitutive relations)}{B E,}{H D,是力学可观察量，反映媒质特性。
它们之间存在一定的联系，称为本构关系。
在真空中⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧×===×≈×===−−−(H/m) 104 ,(F/m) 1036110854.8 ,70091200πμμπεε真空磁导率）真空介电常数（电容率H B E D (6) ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧Ω≈≈==×≈==)( 377120(m/s) 1031000800πεμμε自由空间波阻抗真空光速Z c (6) 通常所遇到的媒质为各向同性媒质, 且不随时间变化, 本构关系为:⎩⎨⎧=+=+==+=+=HH M H B E E P E D r m r e μμχμμεεχεε000000)1()()1( (7) ⎩⎨⎧====相对磁导率磁化强度相对介电常数电极化强度r r με , ,M P 如果介电常数和磁导率随时间(频率)变化, 称为色散媒质; 对于各向异性媒质(如晶体), 介电常数和磁导率为张量(矩阵形式); 还有些媒质的电极化强度与磁场有关, 或磁化强度与电场有关。
《近代电磁理论》Advanced Electromagnetic TheorySept 2008 – Jan 2009夏明耀办公室: 2845N电话: 62769865Email: myxia@助教：王婧婧，2352E，62751716，wjj2419@冀烨，2321S，62757914，jiye987652@马炳，2848E，62754171，mbingm@课件下载：ftp:///pub/讲义/近代电磁理论先选课程:《电磁学》《矢量分析》（《矢量代数与微积分》）《电动力学》（《电磁场与电磁波》）《数学物理方法》（偏微分方程，复变函数，特殊函数）主要参考书:1.龚中麟，徐承和编著，《近代电磁理论》，北京大学出版社，19902.徐立勤，曹伟编著，《电磁场与电磁波理论》科学出版社，20063.张克潜，李德杰著，《微波与光电子学中的电磁理论》，电子工业出版社，20014.陈抗生，《电磁场与电磁波》，高等教育出版社，20035.周永祖著，聂在平，柳清火译，《非均匀介质中的场与波》，电子工业出版社，19926.J. A. Kong，《电磁波理论》（影印本，有中译本），高等教育出版社，20027.J. A. Stratton, Electromagnetic Theory, McGraw-Hill, 1941 (经典著作，何国瑜译，19868.R. F. Harrington, Time-Harmonic Electromagnetic Fields, McGraw-Hill, 1961 (经典著作，有中文译本)内容提要：第1章电磁场基本理论：Maxwell方程，势函数，格林函数，自由空间中的解第2章基本原理与波现象：唯一性定理，等效原理，反射与透射，多普勒效应第3章电磁媒质与平面波传播：色散与损耗，旋性媒质，左手媒质，非均匀媒质第4章导波与谐振腔：导波方程，金属波导，介质波导，光纤传输基础，谐振腔第5章传输线理论基础：化场为路，阻抗变换与匹配，Smith圆图，网络参数第6章电磁波辐射：辐射积分，线天线，孔径辐射，近-远场变换，阵列概念第7章电磁波散射：散射截面，柱体与球体散射，矢量波函数，表面积分方程第8章分层媒质中的波：分层介质中的波传播，分层介质中的辐射源第9章矩量法：方法原理，一维/二维/三维问题，非均匀介质，方程组解法第10章时域有限差分法：差分迭代格式，吸收边界条件，稳定性问题第11章有限元法：方法原理，一维/二维/三维问题考核方式：平时练习：20 %期中考试：30 %期终考试：50 %要求：态度端正，不旷课预习+复习+独立完成课后练习问题：这门课有什么用？这门课很难学吗？本讲内容1．数学复习与准备2．电磁学复习与历史回顾3．Maxwell方程组的由来与相对论诞生1．数学复习与准备1.1 矢量分析ˆˆˆφθφρφθφρA A r A z A A A z A y A xA r z z y x ++=++=++=A 矢量的分量表示（常用正交坐标系）：(球坐标）柱坐标）直坐标）( ˆˆˆ ( ˆˆˆAG G G BA C G G G +=A GBG CG αsin AB C BA C =×=G G G BG AG αααcos AB B A S =⋅=G G坐标系间的变换：直坐标 柱坐标：U x y z z A A A M A A A ρφ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⋅⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦， x T y z z A A A M A A A ρφ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⋅⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦， cos sin 0sin cos 0 0 0 1M φφφφ−⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦直坐标 U 球坐标：x r y z A A A M A A A θφ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⋅⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥，⎣⎦⎣⎦x r T y z A A A M A A A θφ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⋅⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦，sin cos cos cos sin sin sin cos sin cos cos sin 0M θφθφφθφθφφθθ−⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥−⎣⎦矢量偏微分算子（哈密顿算符）：球坐标）柱坐标）直坐标）( sin 1ˆ1ˆˆ ( ˆ1ˆˆ ( ˆˆˆφθφθθφρφρρ∂∂+∂∂+∂∂=∂∂+∂∂+∂∂=∂∂+∂∂+∂∂=∇r r r rz z z z y y xx这个算符将天天陪伴我们！梯度：一标量函数随空间位置变化的最大值和方向)( sin 1ˆ1ˆˆ ( ˆ1ˆˆ ( ˆˆˆ球坐标柱坐标）直坐标）φϕθφθϕθϕϕφϕρφρϕρϕϕϕϕ∂∂+∂∂+∂∂=∂∂+∂∂+∂∂=∂∂+∂∂+∂∂=∇r r r r zz z z y y x xˆl lφ∂∂maxˆl l φφ∂⎡⎤∇=⎢⎥∂⎣⎦沿l 方向的变化率:等势面梯度的物理含义散度：一矢量函数的“有源性”（“源”和“汇”的概念：静电场[电力线]起于正电荷、中止于负电荷，正、负电荷分别是静电场的源、汇）limy Sx zV d A A A Vx y zΔΔ→⋅∂∂∂∇⋅==++Δ∂∂∂∫A S AA Sd ϕΔΔ=⋅∫A S散度的物理含义div limAS VϕΔA =ΔΔ旋度：一矢量函数的“涡旋性”（如 磁场[磁力线]是闭合曲线，具有涡旋性）ˆˆˆ y y x x z z A A A A A A x y z yz z x xy ∂∂⎛⎞⎛⎞∂∂∂∂⎛⎞∇×=−+−+−⎜⎟⎜⎟⎠ ⎜⎟∂∂∂∂∂∂⎝⎠⎝⎠⎝A[]A n C d ΔΓ=⋅∫v A l[][]旋度的物理含义Alim A nn SSΔΔΓ∇×=ΔA拉普拉斯算子（标量算子）：2222222z y x∂∂+∂∂+∂∂=∇⋅∇=∇必须记住的矢量恒等式C B A B C A C B A )()()(⋅−⋅=××B AC A C B C B A ×⋅=×⋅=×⋅0=∇×∇ϕ0=×∇⋅∇Aϕψψϕϕψ∇+∇=∇)( ϕϕϕ∇⋅+⋅∇=⋅∇A A A )(A A A ×∇+×∇=×∇ϕϕϕ)(B A A B B A ×∇⋅−×∇⋅=×⋅∇)( A A A 2∇−⋅∇∇=×∇×∇A S A l ×∇⋅=⋅∫∫SCd d (Stoke’s theorem) A A s ⋅∇=⋅∫∫ VSdV d(Gauss’s Divergence theorem)其他等式见讲义附录A1.2 标量波动方程与分离变量解022=+∇ϕϕkA ．在直角坐标下02222222=+∂∂+∂∂+∂∂ϕϕϕϕk z y x设 )()()(),,(z Z z Y x X z y x =ϕ 代入上式并各项并除以 ϕ 得01112222222=+∂∂+∂∂+∂∂k zZ Z y Y Y x X X 第一项只是的函数，第二项只是的函数，第三项只是的函数，第四项是常数；要使上式成立，前三项必须分别等于一个常数，于是令x y z2221x k x X X −=∂∂ ， 2221y k y Y Y −=∂∂， 2221z k zZ Z −=∂∂ 且分离常数必须满足：2222k k k k z y x =++第一个方程的解是 )sin()cos()(x k B x k A x X x x +=, 分离常数 x k 由边界条件确定，比如若)()0(==a X X ,则=A ,),2,1( "==n an k x π, 所以x B x X a n n πsin )(= 。
第一章静电场作业：2，7，9，12，14，16，18，19，22，24，25其中1.25题补充条件：取O点处为电势零点。
1.1库仑定律a)电荷与物质的电结构：两种电荷：∙历史上人们以相互作用来区分两种电荷：同种相斥，异种相吸∙而以两种电荷的相加性和“中和”来约定“正”、“负”符号：“玻正橡负” 物质的电结构：∙基本粒子（无结构点粒子，至少目前实验上还未发现结构）作用是通过交换光子 γ 实现的∙通常物质的电结构：通常物质的电性质只与电子与原子核有关，其中原子核由带正电的质子p(uud)和不带电的中子 n(udd)组成。
电荷的性质：（实验上）∙量子性：电荷取分立值，继承于基本粒子的分立电量。
基本电量单位1e=1.602176464(83)×10−19 C在国际单位制中，库仑（C）是导出单位。
狄拉克（Dirac，1931）曾经证明：如果存在一个磁单极子的话，则电荷必定是量子化的。
但目前为止，实验上没有磁单极子存在的明确证据，所以如上证明只对应理论上的一种“可能性”。
磁单极子：仅带有N极或S极单一磁极的磁性物质，它们的磁感线分布类似于点电荷的电场线分布，可以被分别称为N、S（或正负）磁荷。
∙相加守恒性：电荷既不能被创造，也不能被消灭，电荷只能是从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分。
在任何物理过程中(从宏观到微观)，电荷的代数和守恒。
∙相对论不变性：是严格的量子性与相加守恒性的内在要求实验证据：宏观物体的稳定性（如上三点均为稳定性的内在要求） b) 库仑定律： 历史回顾： ∙富兰克林（Franklin ，1755）发现带电小球在带电金属桶内几乎不受力，普里斯特利（Priestley ，1767）通过类比万有引力定律猜想电力满足平方反比律。
∙卡文迪什（Cavendish ，1772）利用导体壳静电平衡的性质，即当f~r −(2±|δ|) |δ|越小，内表面带电量越小以内表面电量的“示零实验”测得 |δ|<2×10−2 ，其结果为麦克斯韦（Maxwell ，1870’s ）整理发表，并进一步将精度提高到 |δ|<5×10−5 ，目前的精度为|δ|<2.7×10−16 （Williams et. al.，1971） ∙库仑（Coulomb ，1785）以设计精巧的“扭称”直接验证了平方反比定律（|δ|<4×10−2） 库仑定律表述：如图，两个真空静止点电荷{ F ⃑21=10Q 1Q 2r ⃑21213=10Q 1Q 2212r ⃑̂21F ⃑12=14πε0Q 1Q 2r ⃑12r 123=14πε0Q 1Q 2r 122r ⃑̂12其中，真空介电常数ε0=8.85×10−12 C 2/(N ∙m 2)库仑定律的适用条件及其拓展：1. 真空：如果有物质（注意：物质都有电结构，如导体和电介质），物质中的电结构会在外电场的影响下发生改变，稳定后每个电荷微元（可看作为点电荷）激发的电场仍然满足（真空）库仑定律。
电磁场导论孟昭敦【电磁场导论】练习1：两点电荷之间的距离R的计算 Example 1.1 已知点电荷q1位于坐标原点，点电荷q2位于点（3，4，0）m处，计算两点电荷之间的距离R。
解答 R2 =（x2）2 +（y2）2 +（z2）2 =（3）2 +（4）2 +（0）2 = 25 R= 5 m 第二种情况点电荷q1位于坐（x1，y1，z1）标原点，点电荷q2位于点（x2，y2，z2）讨论画图求解距离R Example 1.2 已知点电荷q1位于点（0，1，2）m处；点电荷q2位于点（2，0，0）m处，计算两点电荷之间的距离R 讨论画图求解解答 R2 =（x1-x2）2 +（y1-y2）2 +（z1-z2）2 R2 =（0-2）2 +（1-0）2 +（2-0）2 = 22+12+22 = 9 R=3 m 练习2：表示作用力F的方向的e21 和e12 方法1 作用力F的方向的直接确定法：优点：简单、有效。
适用：两个点电荷之间的库仑力计算。
1). 同号点电荷之间的库仑力是排斥力，因此 F12的方向由q2指向q1; F21的方向由q1 指向q2 。
2). 异号点电荷之间的库仑力是吸引力，因此 F12的方向由q1指向q2; F21的方向由q2指向q1 。
方法2 矢量表示法 e12 = R12 / R e21 = R21 / R 式中 R12为由q1 指向q2的距离矢量；R21为由q2指向q1的距离矢量。
R为两个点电荷之间的距离关键 * 距离矢量R12、R21 距离R R12=（x1-x2）ex+（y1-y2）ey+（z1-z2）ez R21 =（x2- x1）ex+（y2- y1）ey+（z2- z1）ez = - R12 Example 1.3 已知点电荷q1位于点（0，1，2）m处；点电荷q2位于点（2，0，0）m处，计算e12 与e21。
讨论画图求解解答 q1位置 R1 = 0 ex + 1ey+ 2ez q2位置 R2 = 2 ex + 0ey+ 0ez R12 = R2 - R1 = （2 ex + 0ey+ 0ez）-（0 ex + 1ey+ 2ez） =（x2-x1）ex+（y2-y1）ey+（z2-z1）ez = 2 ex- 1 ey- 2 ez R2 =（x1-x2）2 +（y1-y2）2 +（z1-z2）2 =（0-2）2 +（1-0）2 +（2-0）2 = 22+12+22 = 9 R=3 m e12 = R12 / R = (2 ex- 1 ey- 2 ez )/ 3 R21= - R12 = -2 ex+ 1 ey+ 2 ez e21 = -e12 Example 1.4 已知已知点电荷q1位于点（0，1，2）m处；点电荷q2位于点（2，0，0）m处，讨论库仑力F12与 F21。
