电磁场与电磁波教学指导书

《电磁场与电磁波》

实验指导书

中国农业大学 信息与电气工程学院

2010年 12月

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“电磁场与电磁波”是工科电子类专业一门重要的专业基础课。

由于该课程核心的基本概念、基本理论和分析方法都非常重要，而且系统性、理论性很强，为此在学习本课程时，开设必要的实验，使抽象的概念和理论形象化、具体化，增强学生学习本门课程的兴趣，对学生加深理解和深入掌握基本理论和分析方法，培养学生分析问题和解决问题、设计实验方案的能力等方面，具有极大的好处。

做好本课程的实验，是学好本课程的重要教学辅助环节。 在做每个实验前，请务必阅读实验指导书和教材，弄懂实验原理，认真完成实验预习报告；做完实验后，请务必写出详细的实验报告，包括实验方法、实验过程和结果、心得和体会等。

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目 录

实验一 静电场仿真 实验二 实验三 实验四

恒定电场的仿真 恒定磁场的仿真 电磁波反射与折射 - 3-

实验一 静电场仿真

1．实验目的

建立静电场中电场及电位空间分布的直观概念。

2．实验仪器

计算机一台

3．基本原理

当电荷的电荷量及其位置均不随时间变化时，电场也就不随时间变化，这种电场称为静电场。

点电荷q在无限大真空中产生的

电磁场电磁波实验

实验一 电磁感应定律的验证

一、实验目的

1、通过电磁感应装置的设计，了解麦克斯韦电磁感应定律的内容 2、了解半波天线感应器的原理及设计方法 3、天线长短与电磁波波长的接收匹配关系

二、预习要求

1、麦克斯韦电磁理论的内容 2、什么是电偶极子？

3、了解线天线基本结构及其特性

三、实验仪器

HD-CB-IV电磁场电磁波数字智能实训平台： 1套 电磁波传输电缆： 1套 平板极化天线： 1副 半波振子天线： 1副 感应灯泡： 1个

四、实验原理

麦克斯韦电磁理论经验定律包括：静电学的库仑定律，涉及磁性的定律，关于电流的磁性的安培定律，法拉第电磁感应定律。麦克斯韦把这四个定律予以综合，导出麦克斯韦方程，该方程组系统而完整地概括了电磁场的基本规律，并预言了电磁波的存在。麦克斯韦提出的涡旋电场和位移电流假说的核心思想是：变化的磁场可以激发涡旋电场，变化的电场可以激发涡旋磁场；电场和磁场不是彼

电磁场与电磁波

教 案

: 课程: 电磁场与电磁波

第7章 非导电介质中的电磁波课时:6学时

武汉理工大学信息工程学院

教师：刘岚

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内容

电磁场与电磁波

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电磁场与电磁波

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电磁场与电磁波

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电磁场与电磁波

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电磁场与电磁波

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电磁场与电磁波

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电磁场与电磁波

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电磁场与电磁波

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电磁场与电磁波

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电磁场与电磁波

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电磁场与电磁波

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电磁场与电磁波

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电磁场与电磁波

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第一章

矢量分析

重点和难点

关于矢量的定义、运算规则等内容可让读者自学。应着重讲解梯度、散度、旋度的物理概念和数学表示，以及格林定理和亥姆霍兹定理。至于正交曲面坐标系一节可以略去。

考虑到高年级同学已学过物理学，讲解梯度、散度和旋度时，应结合电学中的电位、积分形式的高斯定律以及积分形式的安培环路定律等内容，阐述梯度、散度和旋度的物理概念。详细的数学推演可以从简，仅给出直角坐标系中的表达式即可。讲解无散场和无旋场时，也应以电学中介绍的静电场和恒定磁场的基本特性为例。

至于格林定理，证明可免，仅给出公式即可，但应介绍格林定理的用途。 前已指出，该教材的特色之一是以亥姆霍兹定理为依据逐一介绍电磁场，因此该定理应着重介绍。但是由于证明过程较繁，还要涉及? 函数，如果学时有限可以略去。由于亥姆霍兹定理严格地定量描述了自由空间中矢量场与其散度和旋度之间的关系，因此应该着重说明散度和旋度是产生矢量场的源，而且也是惟一的两个源。所以，散度和旋度是研究矢量场的首要问题。

此外，还应强调自由空间可以存在无散场或无旋场，但是不可能存在既无散又无旋的矢量场。这种既无散又无旋的矢量场只能存在于局部的无源区中。

重要公式

直角坐标系中的矢量表示：A?Axex?

电磁场与电磁波

Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave

适用范围：2016本科人才培养方案 课程编号：0911607070 学 分：2.5学分 学 时：40学时

先修课程：大学物理、高等数学 适用专业：光电信息科学与工程

建议教材：《电磁场与电磁波》（第四版），谢处方编著，高等教育出版社，2014年 开课单位：电子与电气工程学院

一、课程的性质与任务

课程性质：本课程是光电信息科学与工程专业学生的专业方向任选课，具有很强的综合性。

课程任务：该课程是光电信息科学与工程专业人才培养方案中处于基础地位，主要为后续学习光电类课程打下坚实的理论基础。该课程对应人才培养方案中毕业要求的第1、2、3、5、9条，为第1、2、3、5条培养目标服务。

课程的知识点主要包括矢量分析与场论、电磁场基本规律、麦克斯韦方程组、静态场边值问题的解法、时变电磁场、均匀平面波在无界空间中的传播、均匀平面波的反射与透射、导行电磁波、电磁辐射。上述知识点为后续的物理光学、光电检测技术与应用、激光原理与技术等课程打下良好的基础。通过本课程的学习使学生掌握麦克斯韦方程和边界条件；完整地理解和掌握宏观电磁场的基本性

电磁场与电磁波

Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave

适用范围：2016本科人才培养方案 课程编号：0911607070 学 分：2.5学分 学 时：40学时

先修课程：大学物理、高等数学 适用专业：光电信息科学与工程

建议教材：《电磁场与电磁波》（第四版），谢处方编著，高等教育出版社，2014年 开课单位：电子与电气工程学院

一、课程的性质与任务

课程性质：本课程是光电信息科学与工程专业学生的专业方向任选课，具有很强的综合性。

课程任务：该课程是光电信息科学与工程专业人才培养方案中处于基础地位，主要为后续学习光电类课程打下坚实的理论基础。该课程对应人才培养方案中毕业要求的第1、2、3、5、9条，为第1、2、3、5条培养目标服务。

课程的知识点主要包括矢量分析与场论、电磁场基本规律、麦克斯韦方程组、静态场边值问题的解法、时变电磁场、均匀平面波在无界空间中的传播、均匀平面波的反射与透射、导行电磁波、电磁辐射。上述知识点为后续的物理光学、光电检测技术与应用、激光原理与技术等课程打下良好的基础。通过本课程的学习使学生掌握麦克斯韦方程和边界条件；完整地理解和掌握宏观电磁场的基本性

系别：电气工程及其自动化 班级：电气122班 姓名：董晨辉 学号：2012190201

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电磁场与电磁波

电磁场与电磁波

摘要：变化的磁场可以激发涡旋电场，变化的电场可以激发涡旋磁场；电场和磁场不是彼此孤立的，它们相互联系、相互激发组成一个统一的电磁场，电场和磁场已经成为一个不可分割的整体。麦克斯韦方程组系统而完整地概括了电磁场的基本规律，并预言了电磁波的存在。进一步将电场和磁场的所有规律综合起来，建立了完整的电磁场理论体系，便求解各种宏观电场问题，完善了电磁理论，确立了电荷，电流，电场与磁场之间的普遍联系。

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关键词：麦克斯韦方程组；电磁波；积分；微分

正文：麦克斯韦是英国物理学家，在19世纪建立的描述电磁场的基本方程组。它含有四个方程，不仅分别描述了电场和磁场的行为，也描述了它们之间的关系。在其宏观电磁理论的建立过程中提出了关于位移电流和有旋电场的假说，建立了完整的电磁场理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象的内在联系及统一性，完成了物理学的又一次大综合。于1864年归纳总结出了麦克斯韦方程组，他的这一理论成果为现代无线电电子工业奠定了理论基础，物理学的发展。【1】

电磁场是分布在三维空间的矢量场，矢量分析是研

《电磁场与电磁波》自测试题

???1.介电常数为?的均匀线性介质中，电荷的分布为?(r)，则空间任一点??E? ____________, ??D?

_____________。 2. ?/?； ?

1. 线电流I1与I2垂直穿过纸面，如图所示。已知I1?1A，试问

??l1?H.dl?__ _______；

I1??I2ll1?若??H.dl?0， 则I2?_____ ____。

l2. ?1； 1A

1. 镜像法是用等效的 代替原来场问题的边界，该方法的理论依据是___。 2. 镜像电荷； 唯一性定理

1. 在导电媒质中， 电磁波的相速随频率改变的现象称为_____________， 这样的媒质又称为_________ 。 2. 色散； 色散媒质

1. 已知自由空间一均匀平面波， 其磁场强度为H?eyH0cos(?t??x)， 则电场强度的方向为__________， 能流密度的方向为__________。 2. ez； ?ex

1. 传输线的工作状态有________ ____、_______ _____、____________三种，其中________ ____状态不传递电磁能量。

2. 行波

第一章 矢量分析

前言： 场（标量场、矢量场）概念； % 了解

§1矢量概念 % 1、矢量、标量概念； 2.、单位矢量定义； %理解概念

§2矢量运算 % 1、矢量加减法； 2、两矢量的标量积；3、两矢量的矢量积； %电磁场基础，需熟练计算

§3矢量微分元 % 1、3种坐标系下线元、面元和体积元及广义坐标系下表示； %熟练掌握

§5标量场梯度 % 1、梯度和方向导数 %电磁场基础，需熟练计算

§6矢量场散度----通量、散度概念和物理意义；熟练利用高斯定理计算（不要求验证）；

§7矢量场旋度----环量、旋度概念和物理意义；熟练利用斯托克斯定理计算（不要求验证）；

§8重要矢量恒等式—两个零恒等式（矢矢标、标矢矢）和拉普拉斯表达式； %综合计算

第二章 电磁学基本理论

§1电场基本物理量-----1、掌握库仑定律和

《电磁场与电磁波》试题（13）

一、填空题（每题8分，共40分）

1、 真空中静电场高斯定理的内容是：__________________________________________

_______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________。 2、 等位面的两个重要性质是：①_____________________________________________,

②____________________________________________________________________。 3、 真空中的静电场是__________场和__________场；而恒定磁场是____________场和

__________场。

_。位移电流密度Jd?__________4、 传导电流密度J?___________。

电场能量密度We＝___________。磁场能量密度Wm＝___________。 5