《電磁場與電磁波》教學大綱

課程名稱：電磁場與電磁波ElectromagneticFieldsandWaves課程學科類別：理學電子信息類學時與學分：60/4先修課程：高等數(shù)學，大學物理課程教學目標：1．掌握電磁場與電磁波的基本特性、分析方法及其應用。2.培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學生應用科學知識的能力。適用學科專業(yè)：電子、通訊與自動控制教學手段與方法：面授與實驗相結(jié)合基本教學內(nèi)容與學時安排本課程總學時為64~80，其中60~76學時為課堂教學，4學時為實驗課。教學內(nèi)容A、理論部分基本內(nèi)容（1）掌握標量場的梯度、矢量場的散度和旋度的定義及其表達式。了解亥姆霍茲定理的內(nèi)容及其應用。（2）掌握靜態(tài)電磁場的基本方程和邊界條件。理解標量電位和矢量磁位的定義及其應用。理解介質(zhì)的極化和磁化現(xiàn)象。理解靜態(tài)電磁場的能量和能量密度概念。了解計算電場力和磁場力的虛位移方法。（3）理解介電常數(shù)、電導率和磁導率等參數(shù)的物理意義及其變化特性。理解電阻、電容和電感等參數(shù)的物理意義及其簡單的計算方法。（4）能夠應用鏡像法和直角坐標系中分離變量法求解一些簡單的靜態(tài)電磁場的邊值問題。（5）掌握描述時變電磁場的麥克斯韋方程及其邊界條件。理解標量位和矢量位的定義及其應用。理解電磁能量密度、能流密度矢量和能量定理的物理意義。掌握正弦電磁場的復矢量表示方法。（6）掌握平面電磁波在理想介質(zhì)和導電介質(zhì)中的傳播特性。理解電磁波的周期、頻率、波長、相速、能速、波阻抗、傳播常數(shù)和傳播矢量等參數(shù)的物理意義及其表達式。理解平面電磁波的極化特性。掌握平面電磁波在理想介質(zhì)邊界上正投射和斜投射時的反射及折射規(guī)律，理解全反射和無反射現(xiàn)象的物理意義。（7）掌握導行電磁波的分析方法，理解電磁波在矩形波導和同軸線中的傳播特性。了解幾種常用導波系統(tǒng)的主要特點。了解諧振腔的工作原理。（8）掌握電流元、對稱天線和拋物面天線的輻射特性。掌握天線遠區(qū)場的特性。理解天線的方向性系數(shù)、效率和增益等參數(shù)的物理意義。了解天線陣的工作原理。可選內(nèi)容（1）矢量場的格林定理、惟一性定理、亥姆霍茲定理以及正交曲面坐標系的建立。（2）部分電容的定義及其計算方法。標量磁位的定義及其應用。（3）電位微分方程的求解及其解的惟一性證明。圓柱坐標系和球坐標系中的分離變量法。d函數(shù)、格林函數(shù)以及其它特殊函數(shù)的定義及其變化特性。（4）平面電磁波在導電介質(zhì)和理想導電表面上的斜投射，在多層邊界上的正投射，以及在等離子體和鐵氧體等各向異性介質(zhì)中的傳播特性。（5）電磁波的群速。電磁波在圓波導中的傳播特性。波導的傳輸功率和損耗。（6）電流環(huán)天線的輻射特性。（7）磁荷與磁流概念。對偶原理及其應用。（8）時變電磁場的惟一性定理、鏡像原理、互易原理和惠更斯原理。B、實踐部分基本技能（1）學會行波和駐波的測量方法。（2）學會測量電磁波的反射和折射特性。（3）學會使用計算機軟件繪制天線的平面方向圖。（4）學會測量簡單天線的方向性。可選技能（1）學會使用計算機軟件繪制電場線和磁場線。（2）學會測量電磁波的極化特性。（3）學會使用計算機軟件繪制波導中的電磁場分布。（4）學會使用計算機軟件繪制天線的空間方向圖（5）學會使用Flash等動畫軟件，顯示電磁波的動態(tài)特性。學時安排理論教學64～80學時。實驗教學4～8學時。課堂教學包括前言和10章。各部分內(nèi)容如下：前言（學時2）主要介紹電磁場和電磁波的產(chǎn)生及形成，場與源之間的關系，場與媒質(zhì)之間的相互作用，電磁學發(fā)展簡史，以及電磁場與電磁波的應用。第一章 矢量分析（學時4）標量場的方向?qū)?shù)與梯度，矢量場的通量與散度，矢量場的環(huán)量與旋度，無散場與無旋場，矢量場的唯一性定理，亥姆霍茲定理。習題6個。第二章 靜電場（學時6）電場強度、電通及電場線，真空中的靜電場方程，電位與等位面，介質(zhì)極化，介質(zhì)中的靜電場方程，邊界條件，電容，電場能量和力。習題10個。第三章 靜電場的邊值問題（學時4）電位微分方程，鏡像法，直角坐標中的分離變量法。習題4個。第四章 恒定電流場（學時3）電流及電流密度，電流連續(xù)性原理，邊界條件，能量損耗。習題4個。第五章 恒定磁場（學時5）磁感應強度、磁通及磁場線，真空中的恒定磁場方程式，磁位，媒質(zhì)磁化，媒質(zhì)中的恒定磁場方程式，邊界條件。習題5個。第六章 電磁感應（學時3）電磁感應定律，電感，磁場能量和力。習題4個。第七章 時變電磁場（學時7）位移電流，麥克斯韋方程，時變電磁場的邊界條件，標量位與矢量位，位函數(shù)方程的求解，能量密度與能流密度矢量，正弦電磁場，麥克斯韋方程的復數(shù)形式，位函數(shù)的復數(shù)形式，能量密度與能流密度矢量的復數(shù)形式。習題6個。第八章 平面電磁波（學時11）波動方程，理想介質(zhì)中的平面波，導電媒質(zhì)中的平面波，平面波的極化特性，平面邊界上平面波的正投射，多層邊界上平面波的正投射，任意方向傳播的平面波，理想介質(zhì)邊界上平面波的斜投射，無反射與全反射，理想導電表面上平面波的斜投射。習題10個。第九章 導行電磁波（學時8）TEM波、TE波及TM波，矩形波導中的電磁波，矩形波導中的TE10波，圓波導，傳輸功率和傳輸損耗，諧振腔，同軸線。習題6個。第十章 電磁輻射及原理（學時9）電流元輻射，天線的方向性，對稱天線輻射，天線陣輻射，電流環(huán)輻射，對偶原理，鏡像原理，互易原理，惠更斯原理，面天線輻射。習題8個。教材及參考書1，楊儒貴，《電磁場與電磁波》，高等教育出版社，2007年8月第二版2、RobertR.G.YangThomasT.Y.Wong,《ElectromagneticFields