《工程电磁场导论》课程教学大纲.docxVIP

PAGE

1-

《工程电磁场导论》课程教学大纲

第一章工程电磁场基本概念

(1)工程电磁场是研究电磁现象及其在实际工程中的应用的科学。电磁场的基本概念包括电场、磁场和电磁波。电场是电荷周围的空间中存在的一种特殊物质，它对放入其中的电荷产生电力作用。磁场则是磁性物质或运动电荷周围存在的一种特殊物质，对放入其中的磁性物质或电荷产生磁力作用。电磁波是电磁场的一种传播形式，由振荡的电场和磁场组成，可以在真空中传播。

(2)在工程电磁场中，电磁场的描述通常使用麦克斯韦方程组，这是描述电磁场基本规律的方程组。它包括了四个独立的方程，分别描述了电场、磁场和电荷、电流的关系。其中，高斯定律描述了电场的发散性，即电场的线从正电荷发出，指向负电荷；法拉第电磁感应定律描述了变化的磁场会产生感应电场；安培环路定律描述了电流和磁场之间的关系；麦克斯韦-法拉第方程则描述了变化的电场可以产生磁场。

(3)工程电磁场的研究对于现代科技和工业发展具有重要意义。例如，在电力系统中，了解电磁场的基本原理有助于设计和优化输电线路，减少能量损耗。在通信领域，电磁波传播的特性是无线通信技术的基础。此外，在航空航天、电子设备、医疗设备等领域，电磁场的研究也是不可或缺的。随着科技的发展，工程电磁场的研究将不断深入，为人类社会的进步提供更强大的技术支持。

第二章电磁场基本方程

(1)电磁场基本方程是描述电磁场性质和行为的数学工具，主要包括麦克斯韦方程组。麦克斯韦方程组由四个方程组成，分别是高斯定律、法拉第电磁感应定律、安培环路定律和麦克斯韦-法拉第方程。这些方程揭示了电磁场与电荷、电流之间的内在联系，是电磁学领域的基础。

(2)高斯定律表明，电场的发散性由电荷分布决定，即电场的线从正电荷发出，指向负电荷。这一方程可以用来计算由电荷产生的电场强度。法拉第电磁感应定律描述了变化的磁场会在周围空间产生感应电场，这一现象是电磁感应的基础。安培环路定律则描述了电流和磁场之间的关系，即闭合路径上的磁场与通过该路径的电流之间存在联系。麦克斯韦-法拉第方程则进一步揭示了变化的电场可以产生磁场，从而完善了麦克斯韦方程组。

(3)在实际应用中，电磁场基本方程可以通过数值方法进行求解，如有限元方法、有限差分法等。这些方法可以将复杂的电磁场问题离散化，从而在计算机上进行求解。通过电磁场基本方程，可以分析电磁场的分布、传播和相互作用，为电磁场的设计、优化和故障诊断提供理论依据。此外，电磁场基本方程在无线通信、微波技术、电磁兼容等领域有着广泛的应用。随着计算技术的不断发展，电磁场基本方程的应用范围将更加广泛。

第三章电磁场求解方法

(1)电磁场求解方法主要包括解析法和数值法两大类。解析法是指通过数学推导直接求解电磁场问题，适用于简单几何形状和边界条件下的电磁场分布。例如，在均匀介质中，利用高斯定律和安培环路定律可以解析求解点电荷产生的电场和磁场。在实际工程中，解析法常用于设计天线、微波器件等。

(2)数值法是处理复杂电磁场问题的主要手段，它通过离散化电磁场域，将连续问题转化为离散问题进行求解。常用的数值方法有有限元法（FEM）、有限差分法（FDM）和矩量法（MoM）等。例如，在分析复杂结构的电磁场问题时，如飞机天线罩、手机通信基站等，有限元法被广泛应用于计算电磁场的分布。以某型号飞机天线罩为例，通过有限元法，可以计算出天线罩在不同频率下的电磁场分布，为天线设计提供依据。

(3)随着计算技术的不断发展，并行计算、云计算等技术在电磁场求解中的应用越来越广泛。例如，在大型电磁场计算中，采用并行计算可以显著提高计算效率。以某大型通信基站为例，通过采用并行计算技术，将计算时间从原来的几天缩短至几个小时，大大提高了计算效率。此外，随着人工智能技术的发展，电磁场求解方法也在不断优化。例如，利用机器学习算法可以预测电磁场分布，为电磁场优化设计提供有力支持。

第四章电磁场在实际工程中的应用

(1)电磁场在实际工程中的应用非常广泛，尤其在通信、电力、医疗等领域发挥着关键作用。以通信领域为例，电磁波传输技术是现代通信的基础。在5G网络建设中，电磁波的高频传输和信号处理技术至关重要。据相关数据显示，5G网络中电磁波频率可达毫米波级别，对电磁场设计提出了更高要求。例如，在基站天线设计中，需要精确计算电磁波的传播路径和信号衰减，以确保网络覆盖和质量。

(2)在电力系统中，电磁场技术用于提高输电效率和电网稳定性。例如，超高压输电线路的设计中，需要考虑电磁场对线路周围环境的影响，如地磁干扰、电磁辐射等。通过电磁场仿真分析，可以优化输电线路的布局，降低电磁干扰，提高输电效率。据统计，采用电磁场优化设计的超高压输电线路，其输电能力可提高20%以上。

(3)医疗领域也是电磁场技术的重要应用领域。例如，核磁共振成像（MR