电磁场课程教学大纲

课程名称：	工程电磁场	课程编码：	6013A411
总学时数：	32	课内实践学时数：	0
学    分：	2	开课单位：	电信学院
先修课程：	高等数学、大学物理
适用专业：	电气工程及其自动化

 

一、课程性质、目的和任务

工程电磁场是电气工程及其自动化专业重要的专业基础课，它所涉及的内容是该专业本科学生知识结构必要的组成部分。工程电磁场是电气工程及其自动化专业主干课程的基础，同时又是相关交叉学科、边缘学科和工程前沿技术发展的源头。本课程的主要任务，是在大学物理（电磁学）的基础上，面向工程进一步论述宏观电磁场的基本规律，介绍电磁场基本分析方法，使学生能够用来分析电气工程中基本的电磁现象与电磁过程，增强学生的工程应用能力和创新能力。主要支撑毕业要求1.2、2.1达成。

通过本课程的学习，达到以下教学目标：

1、工程知识

掌握必要的工程电磁场的基本知识，并能够将其用于电气工程领域相关工程问题的推演和分析，得出有意义的结果。

2、问题分析

能够应用工程电磁场基本知识对电气工程领域复杂工程问题进行建模、求解或机理分析。

表1 课程教学目标对专业毕业要求的支撑

 

二、教学内容及教学基本要求

第一章   矢量分析

1、教学要求

了解并矢与张量及其积分定理。

理解矢量场的通量与环量及积分定理，广义正交曲线坐标系中梯度、散度、旋度及拉普拉辛的表达式。

掌握矢量的代数运算、直角坐标系中标量场的梯度与拉普拉辛、矢量场的散度与旋度；单位圆法和常用坐标系中梯度、散度、旋度及拉普拉辛的运算。

2、教学内容

    第一节 矢量的代数运算

知识要点：矢量的加减、单位矢量和数乘，标量积与矢量积，矢量的混合积

    第二节 标量场的梯度、矢量场的散度与旋度

知识要点：标量场的梯度，矢量场的散度，矢量场的旋度，标量场的拉普拉辛

    第三节 矢量积分定理

知识要点：高斯散度定理，斯托克斯定理，格林定理

    第四节 三种常用坐标系

知识要点：坐标变量和基本单位矢量，坐标变量之间的关系，基本单位矢量之间的关系——单位圆法，不同坐标系之间矢量的转换

    第五节 广义正交曲线坐标系

知识要点：广义正交曲线坐标系中的线元矢量和拉梅系数，广义正交曲线坐标系中的梯度、散度和旋度及拉普拉辛的表达式，三种常用坐标系中的梯度、散度、旋度及拉普拉辛的表达式

本章教学时数：4学时。

第二章   静电场

1、教学要求

了解电偶极子和电介质的极化。

掌握库仑力、电场强度和电势；掌握静电场的基本方程和边界条件及电场和电容的计算方法；理解电场能量及其分布。

2、教学内容

第一节 库仑定律和电场强度

    知识要点：库仑定律、电场强度、场的叠加原理和库仑场强法、电力线

    第二节 高斯定理

知识要点：E通量、高斯定理、静电场的无旋性、真空中静电场的基本方程

    第三节 静电势

知识要点：静电势、计算电场的电势法、等势面、电势的微分方程

    第四节 电偶极子

    知识要点：电偶极子的电场、均匀外电场对电偶极子的作用

    第五节 电介质的极化和电位移矢量

    知识要点：电介质的极化和电极化强度、束缚电荷、电位移矢量和介质中的高斯定理、介质中静电场的基本方程

    第六节 静电场的边界条件

知识要点：静电场中的导体、两种媒质间静电场的边界条件、两种介质间静电场的边界条件、介质与导体间静电场的边界条件

    第七节 电容

知识要点：孤立导体与双导体的电容、多导体系统的部分电容、多导体系统中两导体间的总电容

    第八节 静电场的能量

知识要点：带电体系统的电场能量、电场的能量密度

本章教学时数：12学时。

第三章  稳恒电场与磁场

1、教学要求

了解磁偶极子和物质的磁化。

理解磁场能量及其分布。

掌握电流密度和电荷守恒定律；掌握安培力、磁感应强度及矢势，稳恒磁场的基本方程和边界条件及稳恒电场与磁场及电导与电感的计算方法。

2、教学内容

第一节 电流密度和电荷守恒定律

    知识要点：电流与电流密度、传导电流和运流电流、电动势、电荷守恒定律——电流连续性方程

    第二节 稳恒电流的电场

    知识要点：导电媒质中稳恒电场的基本方程、稳恒电场的边界条件、焦耳定律、导电媒质中稳恒电场的静电比拟与电导

    第三节 安培定律和磁感应强度

    知识要点：安培定律、磁感应强度与毕奥——萨伐尔定律、洛仑兹力

    第四节 矢量势和安培环路定律

    知识要点：磁通连续性原理、矢量势及其微分方程、安培环路定律、真空中稳恒磁场的基本方程

    第五节 磁偶极子

    知识要点：磁偶极子的磁场、稳恒磁场对磁偶极子的作用

    第六节 物质的磁化和磁场强度

知识要点：物质的磁化与磁化强度、磁化电流、磁场强度与磁介质中的安培环路定律、磁介质中稳恒磁场的基本方程、磁标势、磁路

    第七节 磁场的边界条件

知识要点：两种磁介质间磁场的边界条件、无面电流时两种磁介质间磁场的边界条件、磁介质与理想导磁体间磁场的边界条件。

第八节 电感

知识要点：互感、自感

    第九节 磁场的能量

知识要点：电流回路系统的磁场能量、磁场的能量密度

本章教学时数：8学时。

第四章  时变电磁场

1、教学要求

了解达朗贝尔方程及其解、似稳电磁场和似稳条件。

理解电磁场的动态势函数。

掌握感应电动势和位移电流及麦克斯韦方程组和电磁场的边值关系；掌握坡印亭矢量及正弦电磁场和坡印亭矢量的复数形式。

2、教学内容

    第一节 法拉第电磁感应定律

知识要点：法拉第电磁感应定律、感应电动势的计算、感应电场

    第二节 位移电流和全电流定律  

知识要点：位移电流和全电流的连续性、全电流定律

第三节 麦克斯韦方程组和洛仑兹力公式

知识要点：麦克斯韦方程组、正弦电磁场基本方程的复数形式、洛仑兹力公式

    第四节 电磁场的边值关系

    知识要点：两种媒质间电磁场的边值关系、两种介质间电磁场的边值关系、介质与导体间电磁场的边值关系

    第五节 电磁场的能量守恒定律和坡印亭矢量

    知识要点：电磁场的能量守恒定律——坡印亭定理、坡印亭矢量——能流密度矢量、正弦场的复数坡印亭矢量与复功率

    第六节 电磁场的矢量势和标量势

    知识要点：电磁场的矢量势和标量势、洛仑兹条件与电磁动态势的波动方程——达朗贝尔方程

    第七节 推迟势和似稳电磁场

知识要点：达朗贝尔方程的解——推迟势、似稳条件和似稳电磁场、电磁理论与电路理论之间的关系

本章教学时数8学时。

表2 知识单元、学时分配与教学目标对应表

知识单元		知识点		理论 学时	教学 目标
序号	描述	序号	描述
1	矢量分析	1	矢量的代数运算	4	1
		2	标量场的梯度、矢量场的散度与旋度
		3	矢量积分定理
		4	三种常用坐标系
		5	广义正交曲线坐标系
2	静电场	1	库仑定律和电场强度	12	1、2
		2	高斯定理
		3	静电势
		4	电偶极子
		5	电介质的极化和电位移矢量
		6	静电场的边界条件
		7	电容
		8	静电场的能量
3	稳恒电场与磁场	1	电流密度和电荷守恒定律	8	1、2
		2	稳恒电流的电场
		3	安培定律和磁感应强度
		4	矢量势和安培环路定律
		5	磁偶极子
		6	物质的磁化和磁场强度
		7	磁场的边界条件
		8	电感
		9	磁场的能量
4	时变电磁场	1	法拉第电磁感应定律	8	1、2
		2	位移电流和全电流定律
		4	麦克斯韦方程组和洛仑兹力公式
		4	电磁场的边值关系
		5	电磁场的能量守恒定律和坡印亭矢量
		6	电磁场的矢量势和标量势
		7	推迟势和似稳电磁场
	总计			32

三、教学手段、方法建议

本课程的重点内容为静电场和时变电磁场。静电场是本课程的第一部分内容。在这部分内容的学习中，学生第一次以矢量分析和数学物理方法的观点和方法来认识和分析一种矢量场，这种方法将贯穿整个课程的始终。因此，很好的理解、掌握静电场的基本内容，是掌握整个课程内容的基础。时变电磁场是本课程的最后一部分内容。通过这部分内容的学习，学生才能了解和掌握完整的电磁场的理论体系，为后续专业课的学习打下牢固的基础。

为了加强以上重点内容的教学，在课程的学时安排上有所偏重。在教学过程中，针对电磁场抽象、难懂的特点，充分利用先进的多媒体教学手段，借助电磁场数值分析软件，形象地绘出各种实际电磁场的场图和电磁波传播的动态波形，帮助学生建立形象、直观的概念，激发学生的学习兴趣。

本课程的难点是贯穿始终的矢量分析、数学物理方程、复变函数和曲线、区面积分等数学知识的运用。学生往往感到运用所学理论解题困难，为了帮助学生克服这方面的困难，建议采取了以下的措施：

1、采用启发式教学，引导学生学会严密的逻辑思维方法，理解课程前后内容的密切联系以及分析方法和手段的相似性。通过典型问题的分析和反复举例，使学生能够触类旁通、举一反三。

2、通过介绍与课堂内容相关的工程应用知识与背景，使学生了解所学知识的实际应用价值，激发学生的学习兴趣，便不得不学为我要学。在此基础上引导学生阅读参考书，开阔思路与视野。

3、在课堂上多讲述典型的例题和习题，采用师生互动的方法，让学生参与课堂教学，及时发现在学生中普遍存在的问题，及时地加以解决。

四、考核内容及考核方式

本课程考核内容为支撑毕业要求对应的课程目标，主要考查毕业要1.2、2.1所对应的课程目标的达成情况。

（一）考核内容

1．理解库仑定律、安培定律和法拉第定律的作为电磁场理论基础的重要性；

2．理解电场强度、电位移矢量、电位、电流密度、磁感应强度、磁场强度、矢量磁位和标量磁位等基本概念；

3．理解静电场的环路定理和高斯通量定理、恒定电场的电流连续性定理、恒定磁场的安培环路定理和磁通连续性定理全面理解麦克斯韦方程组的微分形式和积分形式；

4．理解媒质中电磁场的辅助方程；

5．理解电磁场媒质分界面的衔接条件；

6．了解电偶极子的电磁辐射原理，理解近场和远场概念；

7．掌握电磁场由源到场的积分叠加方法；

8．掌握利用定理积分形式求解具有对称性和均匀性电场和磁场的方法；

9．掌握电场和磁场的镜像法；

10．掌握各类电磁场边值问题的表述方法；

11．掌握电磁场边值问题的解析积分解法，了解直角坐标系的分离变量法；

12．理解坡印亭矢量，了解电磁场能量的分布和转换规律。

（二）考核方式

1．考核方式：考试（√）；考查（）

2．成绩评定：

计分制：百分制（√）；五级分制（）；两级分制（）

总评成绩构成：

（N+2）：笔记考核（10）％；过程考核（40）％；结课考核（50）％

过程考核成绩构成：考勤考纪（25）％；作业（25）％；阶段测试（25）％；实验操作（25）％

五、课程教学目标达成情况评价分析

1. 定量评价

 

需要根据公式逐步计算出每项课程教学目标的达成度。

2. 定性分析

需要针对课程教学目标以及毕业要求分析以下内容：

（1）上次评价中存在的问题，这次改进的情况；

（2）该课程目前存在的问题，以及后续教学过程需要改进的措施。

六、建议教材及参考资料

建议教材：

王泽忠、全玉生、卢斌先 编著.《工程电磁场（第2版）》.清华大学出版社，2011年。

参考资料：

倪光正等.《工程电磁场原理（第2版）》.高等教育出版社，2009年。

雷银照等.《电磁场》.高等教育出版社，2010年。

七、课程教学目标与毕业要求关系表

表3 课程教学目标与毕业要求的关系

 

毕业要求	指标点	工程电磁场
1．工程知识：能够将数学、自然科学、工程基础、专业基础和专业知识用于解决电气工程及相关领域的复杂工程问题。	1.1 能够运用数学、自然科学和工程基本知识对电气工程领域相关工程问题进行识别、准确表达、分析或求解。	L
	1.2掌握专业基础知识，并能将其用于电气工程领域相关工程问题的推演和分析，得出有意义的结果。	H
	1.3 掌握电气工程领域的专业知识，能够对电气工程领域复杂工程问题的数学模型或解决方案进行比较、综合、优选，并提出改进思路。
2．问题分析：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献查阅、研究分析电气工程领域的复杂工程问题，获得有效结论。	2.1能够运用数学、自然科学和工程科学的基本原理对电气工程领域复杂工程问题进行数学建模、求解或机理分析。	H
	2.2能够运用工程科学的基本原理，对电气工程领域的工程实际问题进行识别和准确表达，以满足电气运行维护、工程设计的需要。
	2.3能够运用电气工程专业知识对复杂工程问题进行分解、分析和钻研，并结合文献研究得出有效结论。
3．设计/开发解决方案：针对电气工程相关领域的复杂工程问题，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。	3．设计/开发解决方案：针对电气工程相关领域的复杂工程问题，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。
	3．设计/开发解决方案：针对电气工程相关领域的复杂工程问题，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。
	3．设计/开发解决方案：针对电气工程相关领域的复杂工程问题，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。
4.研究：能够基于科学原理并采用科学方法对电气工程领域的复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。	4.1能够针对电气工程领域的工程实际问题进行初步的推理、建模与仿真分析。
	4.2能够运用科学方法设计实验方案、搭建实验平台、获取实验数据。
	4.3能够对实验结果进行合理分析、解释，通过信息综合得出合理有效的结论，完善解决方案，并反馈到工程设计和实践中。
5．使用现代工具：能够针对电气工程及相关领域的复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。	5.1具有计算机熟练应用和电气图纸绘制的技能。
	5.2熟悉C语言、MATLAB、STEP7、PROTEUS、KEIL等软件仿真和在线硬件仿真工具的运用，能对工程问题进行模拟和预测，并理解其局限性。
	5.3能够根据工程实际问题检索文献、查询资料、合理选择技术。
6．工程与社会：能够基于电气工程领域的背景知识进行合理分析，评价复杂工程问题的解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任。	6.1了解电气工程技术的发展现状与趋势，具有工程实习和社会实践的经历。
	6.2 认识工程问题与社会伦理道德联系，树立正确的工程伦理道德观，具备高度的责任感从事工程活动。
	6.3能够评价电气工程领域工程实际问题的解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并能正确理解由于这些影响所应当承担的责任。
7．环境和可持续发展：针对电气工程及相关领域的复杂工程问题，能够分析和评价工程实践对环境、社会可持续发展的影响。	7.1理解电气产品及工程项目运行对环境和社会可持续发展可能产生的影响。
	7.2能够从经济效益、社会效益、利用效率、污染以及安全隐患多个方面贯彻环境保护和社会可持续发展的理念。
	7.3理解电气工程及相关领域的工程实践活动对环境和社会的双重性，判断其可能对人类和环境造成损害的隐患。
8．职业规范：具有人文社会科学素养，社会责任感，能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范，履行职责。	8.1 具有人文知识、思辨能力和科学精神。
	8.2了解国情，理解社会主义核心价值观，维护国家利益，具有推动民族复兴和社会进步的责任感。
	8.3能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范，履行职责。
9．个人和团队：具有团队精神，能够在多学科背景下的团队承担个体、团队成员以及负责人的角色。	9.1对企业运作的模式有认知能力。
	9.2 能够主动与其他学科的成员合作，胜任团队成员的角色与责任。
	9.3 具有技术团队的构建、运行、协调和负责的能力。
10.沟通：能够就电气工程及其相关领域的复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令，并具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进行沟通和交流。	10.1 具备就电气工程及其相关领域的工程实际问题进行人际交往和口头表达的能力。
	10.2 具有撰写设计文稿、技术总结报告及项目申请报告的能力。
	10.3 具备一定的外文文献阅读、理解能力和外语交流和沟通能力。
11.项目管理：理解并掌握工程管理与经济决策方法，并能在多学科环境中应用。	11.1 了解电气工程领域工程管理与经济决策基本知识，理解并掌握相应的工程管理与经济决策方法。
	11.2 能够在多学科环境中应用工程管理与经济决策方法进行工程设计与实践。
	11.3 具有初步的项目实施过程中的运行和管理能力。
12．终身学习：具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力。	12.1有积极向上的价值观，具备自主学习和终身学习的意识。
	12.2掌握自主文献检索、资料查询及运用现代信息技术跟踪并获取相关信息的基本方法。
	12.3能够针对个人或职业发展的需求，采用合适的方法自主学习、自我完善、可持续发展。

八、大纲说明

需要特殊表述的大纲中未尽事宜，如课程改革、整合情况等。

 

执   笔   人：樊爱龙

参加研讨人员：关大陆 陈亚光 于宝琦

审   核   人：关大陆

审   批   人：赵双元