1、1电子与信息科学系电磁场理论课程教学大纲作者：许福永2004 年 11 月 2 日一、课程基本信息课程编号：课程名称：电磁场理论（Electromagnetic Field Theory）课程性质：专业必修主干基础课，兰州大学重点课程和精品课程，无线电物理硕士点考研复试课。先修课程：电磁学 、 高等数学 、 电路分析 、 应用数学适用专业：电子信息科学与技术专业开课学期： 5学 时：72学 分： 4二、课程的性质与任务课程性质：本课程是综合大学、理工科大学和师范类大学电子信息科学类和电气信息类（含通信类）专业的一门重要的基础理论课，也是兰州大学电子信息科学与技术专业的一门主干基础课，还是无线电
2、物理硕士点的考研复试课。课程任务：本课程在学生学习过电磁学 、 高等数学 、 电路分析 、 应用数学等课程之后开设。它以电磁学为基础，运用矢量分析的数学工具，以静态电磁场的解法和均匀平面电磁波的传播为重点，揭示宏观电磁现象的本质；主要讲述静态电磁场及其解法、时变电磁场、电磁波的传播与辐射以及狭义相对论，其主要任务是阐明电磁场的基本概念、基本性质、基本变化规律和基本分析计算方法及其应用。为今后学习微波技术 、 光电子技术与光纤通信 、 天线原理与电波传播 、 微波与卫星通信 、 移动通信技术等课程以及在工作实践中深入学习、研究与解决各类电磁场与电磁波的实际工程问题奠定必要的理论基础。三、课程内容
3、及基本要求绪论（1 学时）一、电磁理论发展简史 二、电磁场理论课程的学习第一章 矢量分析（3 学时）1.1 矢量的代数运算1、矢量的加减、单位矢量和数乘 2、标量积与矢量积 3、矢量的混合积1.2 标量场的梯度、矢量场的散度与旋度1、标量场的梯度 2、矢量场的散度 3、矢量场的旋度 4、标量场的拉普拉辛1.3 矢量积分定理1、高斯散度定理 2、斯托克斯定理 3、格林定理1.4 三种常用坐标系1、坐标变量和基本单位矢量 2、坐标变量之间的关系 3、基本单位矢量之间的关系单位圆法 4、不同坐标系之间矢量的转换1.5 广义正交曲线坐标系21、广义正交曲线坐标系中的线元矢量和拉梅系数 2、广义正交曲线
4、坐标系中的梯度、散度和旋度及拉普拉辛的表达式 3、三种常用坐标系中的梯度、散度、旋度及拉普拉辛的表达式*1.6 并矢与张量1、并矢与张量 2、张量的运算与分析 3、张量积分定理本章要求熟练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；掌握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；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；了解并矢与张量及其积分定理。第二章 静电场（9 学时）2.1 库仑定律和电场强度1、库仑定律 2、电场强度 3、场的叠加原理和库仑场强法 4、电力线2.2 高斯定理1、E 通量 2、高斯
5、定理 3、静电场的无旋性 4、真空中静电场的基本方程2.3 静电势1、静电势 2、计算电场的电势法 3、等势面 4、电势的微分方程2.4 电偶极子1、电偶极子的电场 2、均匀外电场对电偶极子的作用2.5 电介质的极化和电位移矢量1、电介质的极化和电极化强度 2、束缚电荷 3、电位移矢量和介质中的高斯定理 4、介质中静电场的基本方程2.6 静电场的边界条件1、静电场中的导体 2、两种媒质间静电场的边界条件 3、两种介质间静电场的边界条件 4、介质与导体间静电场的边界条件2.7 电容1、孤立导体与双导体的电容 2、多导体系统的部分电容 3、多导体系统中两导体间的总电容2.8 静电场的能量1、带电体
6、系统的电场能量 2、电场的能量密度本章要求熟练掌握库仑力、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；了解电偶极子和电介质的极化。第三章 稳恒电场与磁场（9 学时）3.1 电流密度和电荷守恒定律1、电流与电流密度 2、传导电流和运流电流 3、电动势 4、电荷守恒定律电流连续性方程3.2 稳恒电流的电场1、导电媒质中稳恒电场的基本方程 2、稳恒电场的边界条件 3、焦耳定律 4、导电媒质中稳恒电场的静电比拟与电导3.3 安培定律和磁感应强度1、安培定律 2、磁感应强度与毕奥萨伐尔定律 3、洛仑兹力3.4 矢量势和安培环路定律1、磁通连续性原理 2、矢
7、量势及其微分方程 3、安培环路定律34、真空中稳恒磁场的基本方程3.5 磁偶极子1、磁偶极子的磁场 2、稳恒磁场对磁偶极子的作用3.6 物质的磁化和磁场强度1、物质的磁化与磁化强度 2、磁化电流 3、磁场强度与磁介质中的安培环路定律 4、磁介质中稳恒磁场的基本方程 5、磁标势 6、磁路3.7 磁场的边界条件1、两种磁介质间磁场的边界条件 2、无面电流时两种磁介质间磁场的边界条件 3、磁介质与理想导磁体间磁场的边界条件3.8 电感1、互感 2、自感3.9 磁场的能量1、电流回路系统的磁场能量 2、磁场的能量密度本章要求熟练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
8、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；理解磁场能量及其分布；了解磁偶极子和物质的磁化。第四章 静态场边值问题的解析（14 学时）4.1 静态场边值问题的分类和唯一性定理1、静态场边值问题的分类 2、静态场的边值条件 3、静态场边值问题的求解方法 4、唯一性定理4.2 镜像法1、镜像法的原理 2、导体与介质间边界的镜像法 3、两种介质间平面边界的镜像法4.3 直角坐标系内的分离变量法1、直角坐标系内的分离变量法 2、边界条件的叠加4.4 圆柱坐标系内的分离变量法1、二维平行平面场的边值问题 2、三维场的边值问题4.5 球坐标系内的分离变量法1、球坐标系内的分离变量法 2、二维轴对称
9、场的边值问题 3、三维场的边值问题*4.6 函数1、 函数的定义 2、 函数的主要性质 3、电荷密度的 函数表示法4、 函数和单位阶跃函数的关系*4.7 格林函数法1、格林函数 2、格林函数法 3、简单边界的格林函数*4.8 复变函数法1、复变函数及其性质 2、复势函数法 3、常见的保角变换 4、许瓦兹克利斯多菲变换本章要求熟练掌握导体边界的镜象法及直角坐标系的分离变量法；掌握圆柱坐标系的分离变量法；理解两种介质间平面边界的镜象法和球坐标系的分离变量法；了解格林函数法和复变函数法。4第五章 时变电磁场（7 学时）5.1 法拉第电磁感应定律1、法拉第电磁感应定律 2、感应电动势的计算 3、感应电
10、场5.2 位移电流和全电流定律1、位移电流和全电流的连续性 2、全电流定律5.3 麦克斯韦方程组和洛仑兹力公式1、麦克斯韦方程组 2、正弦电磁场基本方程的复数形式 3、洛仑兹力公式5.4 电磁场的边值关系1、两种媒质间电磁场的边值关系 2、两种介质间电磁场的边值关系3、介质与导体间电磁场的边值关系5.5 电磁场的能量守恒定律和坡印亭矢量1、电磁场的能量守恒定律坡印亭定理 2、坡印亭矢量能流密度矢量3、正弦场的复数坡印亭矢量与复功率5.6 电磁场的矢量势和标量势1、电磁场的矢量势和标量势 2、洛仑兹条件与电磁动态势的波动方程达朗贝尔方程5.7 推迟势和似稳电磁场1、达朗贝尔方程的解推迟势 2、似
11、稳条件和似稳电磁场 3、电磁理论与电路理论之间的关系本章要求熟练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；理解电磁场的动态势函数；了解达朗贝尔方程及其解、似稳电磁场和似稳条件。第六章 电磁波的传播（10 学时）6.1 理想介质中传播的均匀平面电磁波1、电磁波的波动方程及其解 2、复波动方程和均匀平面波的传播特性3、均匀平面波的能量密度和能流密度 4、均匀平面波的极化 5、均匀平面波的性质6.2 媒质的频散和电磁波的相速与群速1、介质的频散及其复介电常数 2、导电媒质的频散及其等效复介电常数3、电磁波的相速度和群速度6.3 电磁
12、波在有耗媒质中的传播1、有耗媒质的复磁导率 2、有耗媒质中传播的均匀平面波6.4 电磁波在介质分界面上的反射与折射1、反射定律与折射定律 2、菲涅尔公式 3、全反射 4、正入射6.5 电磁波在导体表面上的反射与折射1、电磁波在导体表面上的反射和折射 2、驻波 3、趋肤效应和邻近效应4、趋肤深度与表面电阻 5、涡流及其应用 6、电磁屏蔽本章要求熟练掌握电磁波在理想介质中的传播特性；掌握电磁波在有耗媒质中的传播特性；理解在介质分界面上的反射与折射规律；了解电磁波在媒质分界面上斜入射和正入射时的反射与折射规律。第七章 电磁波的辐射（8 学时）7.1 电磁波的辐射与天线的常用电参数1、电磁波的辐射和天
13、线的分类 2、天线辐射场的求解方法 3、天线的常5用电参数 4、洛仑兹互易定理7.2 电偶极子辐射和磁偶极子辐射1、电偶极子辐射 2、电磁场的对偶原理二重性原理 3、磁偶极子辐射7.3 振子天线1、对称半波振子天线 2、任意长度的振子天线7.4 天线阵1、二元阵 2、均匀直线式天线阵 3、均匀平面天线阵 3、立体天线阵*7.5 基本面元辐射和口径天线1、面电流元的辐射 2、面磁流元的辐射 3、可希荷夫公式 4、口径天线 5、矩形口径面的衍射场7.6 通信实用天线1、旋转场天线 2、环天线 3、垂直天线鞭状天线 4、八木天线5、菱形天线 6、螺旋天线 7、对数周期天线 8、背射天线 9、裂缝天线
14、 10、微带天线 11、喇叭天线 12、抛物面天线本章要求熟练掌握天线的常用电参数；掌握电偶极子、磁偶极子和对称半波振子天线的辐射场与电参数及均匀直线天线阵；理解互易定理和对偶原理；了解天线的类型和天线辐射场的求解方法及通信实用天线。第八章 狭义相对论（5 学时）8.1 狭义相对论的基本原理与洛仑兹变换1、狭义相对论的实验基础 2、狭义相对论的两个基本原理 3、洛仑兹变换8.2 狭义相对论的时空理论1、时空间隔不变性 2、闵可夫斯基四维空间 3、狭义相对论的几个重要结论 4、速度变换公式8.3 电磁理论的相对论不变性1、电荷守恒定律的四维形式 2、达朗贝尔方程和洛仑兹条件的四维形式3、电磁场张
15、量及电磁场变换 4、电磁场的内在联系*8.4 相对论力学1、四维动量矢量 2、静止质量和运动质量 3、质能关系式 4、相对论力学方程 5、电磁场的物质性和经典电磁理论的适用范围本章要求掌握狭义相对论的基本原理与洛仑兹变换，理解狭义相对论的时空观及其重要结论和电磁理论的四维形式及其变换；了解相对论力学。注：1、各章括号中的数字是该章分配的参考学时，共计 66 学时，另外期中考试和期末复习各 2 学时，以备节假日放假用的机动 2 学时，总计 72 学时。2、带“*”的节是选讲内容。四、学时分配与安排总学时：72；讲授学时：66；实验学时：0；期中考试与总复习学时：4；机动学时：2。电磁场理论课程学
16、时分配表教学环节教学时数教学内容课堂讲授实 验习题课讨论课上 机课外实践 其它一、绪论与矢量分析 46二、静电场 9三、稳恒电场与磁场 9四、静态场边值问题的解析 14五、时变电磁场 7六、电磁波的传播 10七、电磁波的辐射 8八、狭义相对论 5机动 2 4总计 66 72注：上表中教学内容细化到章。五、教材及主要教学参考书、参考资料主要教材：电磁场与微波技术 ，北京：高等教育出版社, 陈孟尧, 许福永, 赵克玉编, 1989或 电磁场理论 ，北京：高等教育出版社，许福永, 赵克玉编，2006或 电磁场与电磁波 ，北京：科学出版社，许福永, 赵克玉编，2005辅助教材：美 William H.
17、 Hayt,Jr, and John A. Buck, Engineering Elecrtomagnetics(Sixth Edition), 北京：机械工业出版社，2002或 Bhag Singh Guru, and Huseyin R. Hizroglu. Electromagnetic Field Tyeory Fundamentals. International Thomson Publishing, 北京：机械工业出版社，1998主要参考书：电磁场与电磁波(第 3 版) ，北京：高等教育出版社，谢处方 , 饶克谨编, 2002电磁场理论基础 ，北京：电子工业出版社，牛中奇等编著，
18、2001电磁场理论基础 ，北京：清华大学出版社，王蔷，李国定，龚克编，2001电磁场与电磁波理论基础 ，北京：中国铁道出版社，陈乃云等编，2001电磁场与波 ，西安交通大学出版社，冯恩信编，1999六、成绩考核办法本课程实施考核方法的改革，分为平时测验成绩（40 分，含期中考试 20 分） 、作业成绩（20 分） 、期末考试（40 分）三大部分，期末采用与时俱进的试题库 A、B 卷的闭卷考试，其中 A 卷为选择题（ 20 分） ，B 卷为分析应用计算题（20 分） 。总成绩评定按百分制计算，其计算公式为总成绩作业成绩20平时测验成绩40期末成绩40七、其它相关说明本课程总的教学要求是，通过本课
19、程的学习，要求学生掌握电磁场与电磁波的基本性质和变化规律及在有关电磁场边值问题的主要解法方面得到训练；了解狭义相对论的基本观点，并对电磁现象有更深入的理解；在学习过程中进一步培养学生的自学能力，具有一定的逻辑推理能力、分析演绎能力、空间想像能力、抽象思维能力和科学的思想方法，能综合运用所学知识提高分析、计算和解决实际问题的能力、发现问7题和提出问题的能力、创新思维的能力，以及科学精神和创新精神。本课程的教学方法是，课堂上采用启发式和师生互动及多媒体课件教学，贯彻少而精的原则，突出重点，精选教学内容，把握在直观的物理图像与简洁的数学工具结合上的难点，精讲多练；鼓励学生自学；进行双语教学，采用中、英文两种教材，在讲课过程中给出各章节主要的专业英语单词及术语；除个别答疑和集体辅导外，还在网上设置电磁场理论课程的教学园地和电磁场理论教学网站，其网址是
