电磁场基础课程简介及漫谈

J. C. Maxwell
电磁场理论与应用为无线电技术和现 代电子通讯技术发展开辟了广阔前景.
Oliver Heaviside (18 May 1850 – 3 February 1925) was a self-taught English electrical engineer, mathematician, and physicist. He adapted complex numbers to the study of electrical circuits, invented mathematical techniques to the solution of differential equations (later found to be equivalent to Laplace transforms), reformulated Maxwell's field equations in terms of electric and magnetic forces and energy flux, and independently co-formulated vector analysis.
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《电磁场》与其它课程之间的关系图
质量、能量守恒
库仑定理与高 斯定理 材料的电磁性质
磁通连续原理或 磁的高斯定理
安培全电流定理
法拉弟电磁 感 应定理
麦克斯韦方程组（电磁作用规律+材料电磁特性） 静电场,电流场 电 的 欧 姆 定 理 电 的 基 尔 霍 夫 定 理 磁 的 欧 姆 定 理 恒定磁场 磁 的 基 尔 霍 夫 定 理 天 线 时变场 谐 振 器 波 导 传 输 线 理 论
Field — 场

【物理学】 场：具有物理性质(如引力、电磁力或 液压)的空间区域，在此区域中每一点都有确定值。 Physics Field: A region of space characterized by a physical property, such as gravitational or electromagnetic force or fluid pressure, having a determinable value at every point in the region.
Oliver来自百度文库Heaviside
Although at odds with the scientific establishment for most of his life, Heaviside changed the face of mathematics and science for years to come.
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关于作业和实验

第2-14周，约每周1次作业。作业取10次最好成绩。 独立完成作业，无论抄与被抄的作业，一律0分。 (Be Responsible when making decision ) 作业包括课后作业和数值仿真作业。 数值仿真作业每次有一定数量的同学被抽查。 每周二交上周作业，同时取回上周作业。 实验：第8周后进行，共3个实验
What is More?
及时答疑
Asking for help isn’t a sign of weakness, it’s a sign of strength because it shows you have the courage to admit when you don’t know something. Ask them to help you stay on track to meet your goals. -- President Obama’s Message for America’s Students， Sept.09，2009 22
软件

数值计算软件 以矩阵为基本操作 涉及诸多工程领域，各种工具包 数值积分、画场图、求解场方程
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课程考核方法

平时作业（15%）：计最好的10次成绩。 仿真作业（15%）: 用Matlab 期中综合（5%） ：第8周左右进行，练习。 实验（5％）：在后半学期； 期末考试（60%）：考试采用半开卷方式。
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西主楼 1区301,302
内容提要
•
课程简介（WWW）
What is the course really about? Why to study the course? hoW to learn the course?
• 电磁场应用举例
Some interesting applications（不讲）
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教材与参考书目

1. 教材、参考书、 课堂教学的关系 2. 电磁学，电磁场， 电磁波，电动力学？
马信山 等《电磁场基础》，清华大学出 版社，1995第一版（清华大学）
冯慈璋、马西奎，《工程电磁场导论》，高 等教育出版社，2000（西安交通大学） 雷银照，《电磁场》，高等教育出版社， 2010（北航）
秋季学期 第01讲
电磁场基础
Fundamental of Electromagnetic Field
邹 军 Jun Zou 教授 Professor, Ph.D.
清华大学电机系 I区302 Section I-302 Department of Electrical Engineering Tsinghua University Tel：+86-10-627-81211 E-mail: zoujun@tsinghua.edu.cn
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物理场的三个属性

空间性（spatial property） 物理量在规定的区域中如何分布？ 时间性（temporal property） 物理量随时间如何变化？ 事件性（event property） 一个场与另一个场之间如何发生关联？
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电磁场研究内容

“电磁场”（electromagnetic field）研究电荷在静止或者运动状态下 在确定空间中产生的电磁作用 (electromagnetic effects)。 研究内容： 运动状态 静电场：静止 电荷 介质属性 场属性
why to study EM?
1962年9月12日，肯尼迪总统在 Rice University(Houston TX)公开 发表了“我们选择登月”的演讲， 指出“美国要在这10年间登月”。
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We choose to go to the moon in this decade and do the other things, not because they are easy, but because they are hard, because that goal will serve to organize and measure the best of our energies and skills, because that challenge is one that we are willing to accept, one we are unwilling to postpone, and one which we intend to win, and the others, too. Many years ago the great British explorer George Mallory, who was to die on Mount Everest, was asked why did he want to climb it. He said, "Because it is there.“ Well, space is there, and we're going to climb it, and the moon and the planets are there, and new hopes for knowledge and peace are there.
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why to study EM?

电磁场理论是宏观电磁现象最本质的描 述，是电气工程领域“登堂入室”的钥 匙； 也是探索新领域新应用的工具；

一、 能量转换
二、 信息传递
三 能 量 和 信 息 输 送
四、 目标探测
五、疾病的诊断和治疗
六、交通运输 与推进
七、介质加热 （工业与生活）
介质电 磁特性
电磁 场
数学 工具
材料科学－电磁属性
电磁场课程要解决问题
实际 工程
物理抽象 工程近似 电磁规律
场模型
数学 模型
数学分析 求解变量
给予物理解释
结果
1. 起点：工程问题抽象后的电磁场模型 2. 工具：微分方程或者积分方程 3. 特点：定量求解规定区域中的电磁场量
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Not because it is easy, but because it is hard

在 电介质中（绝缘体）电场； 电场； 磁场 电场和磁场。
电流场：匀速运动 电荷（直流）在 导电介质（导体） 静磁场：匀速运动 电荷（直流）在 磁介质（导磁体） 动态场：运动电荷（非直流） 在 空间任意介质中
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Subjects involved
电磁物理 现象
《电磁学》－ 描述物理现象 《场论》— 描述场特征
电路：电容 《高电压工程》
1. 提取其它课程所需要的模型参数 2. 研究电磁能量（或信号）的传播方式
课程难点和对策

电磁现象复杂性； 描述电磁场数学工具抽象； 电磁现象一般只能间接观察； 同学目前阶段 “直接” 应用 电磁场理论和方法的机会不多。

理解公式物理含义； 适量练习； 重视仿真； 工程电磁场应用：结 合已学过的课程学习。
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知识结构与分析方法

《电磁场基础》知识结构综述 电磁场问题分析方法简介

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了解历史的变化是了解 这门科学的一个步骤 陈省身
电气发展史大事概述
1865年麦克斯韦提出完整的电磁场理 论，他提出了“有旋电场”和“位移 电流” 假设，预言了电磁波的存在， 计算出电磁波的速度。
1888 年赫兹的实验证实了他的预言, 麦克斯韦理论奠定了经典电动力学的 基础。
电路、高电压、电机、电子学等 （研究电磁能量的分布，不涉及能量的辐射）
射频与微波、光波电子学 （电磁能量的空间传播）
电磁波波动方程
22.22%
电路：电感 《电机学》
电路：电阻
11.11%
电磁波 不能用电路描述
18.52%
电路：动态过程 电磁暂态 场论复习 静电场 电流场 静磁场 动态场 准静态场
7.41% 3.7% 37.04%
why to study EM?

电磁场理论是宏观电磁现象最本质的描述，是电气工程领域 “登堂入室”的钥匙；也是探索新领域新应用的工具； 电磁场是后续专业课《高电压工程》、《电机》类等课程的 基础，帮助理解《电路》课程的相关概念。

MIT : Undergraduate Preparation: Students in Area IV, Energy and Electromagnetic Systems, should have a strong background in electromagnetics. Those who attended MIT as an undergraduate would have taken 6.013 “Electromagnetics and Applications” and one or more other electives from the Electrodynamics and Energy Systems Concentration. Other students should have a fundamental understanding of quasistatic and dynamic solutions to Maxwell’s equations, media, waves, radiation, diffraction, coupling to structures, guided and unguided waves, resonance, forces, power and energy. Source : http://www.eecs.mit.edu/grad/areaiv.html#announcements