《电磁学论文【优秀10篇】》

电磁学论文 篇1

全书共22章，分为4部分。各章节内容如下：第1部分，天线和传播，含第1-5章：1.MoM/UTD混合方法分析缝隙单极子天线；2.波导球面模展开辐射电磁场和网络理论；3.相控阵天线含互耦效应的电路表示和性能分析；4. 超宽带印刷电路天线的群延迟时域建模和振幅特性分析；5.阻抗锥引起的声波和电磁波衍射。第2部分，微波系统，含第6-9章：6. 77GHz自动远程雷达的介质透镜天线的模式设计和DBF分析；7.使用多传感器合作的行人保护的高精度测距；8. 20GHz下的高精度宽带局部定位系统；9.监控催化剂中电化学过程的微波方法。第3部分，通信技术，含第10-15章： 10.移动电话：集成模拟的推动力和基带与RF电路的数字模块；11.无线工业自动化：显著的趋势还是过高估计？12.旋转系统中使用开槽波导环的亚微妙遥控超宽带数据传输；13.廉价纸质，液态和可变有机质底板上“绿色”喷墨打印的无线传感器节点；14.Matlab/FPGA联合设计具有教学目的的AM接收器；15. 大型风能发电机GSM通信系统的基于MoM的EMI分析。第4部分，电磁场建模的数值方法，含第16-22章：16.表征纳米器件中MaxwellDira复合问题的新型频域和时域技术；17.面向多物理的芯片封装电路板的协同设计和协同仿真的电磁分区方法；18.NVIDIA GPU的并行TLM方法；19.通过稳定迭代方法求解方程组实现数据预失真稳定性增强；20.复杂周期结构分析；21.有限差分的宏观建模；22.可调带通特性的时空周期滤波器结构的分析。书后附有Peter Russer的自传。

本书适合电磁场与微波技术，通信与信息系统领域的研究生和工程人员阅读。

陈涛，博士生

（中国传媒大学理学院）

Chen Tao， Ph D Candidate

电磁学论文 篇2

关键词：电磁学发展世界电化

一、前言

现代人的生活，似乎离不开电。电灯、电话、电视、电影、计算机、电冰箱…，样样都是生活必须用品。一旦停电，日子不知怎么过。但世界上第一个有规模的发电厂（尼加拉水力发电厂，显示了当时电力的需求已渐普遍）开动，不过是1896年的事，距今只有一百多年。(电视连续剧「大宅门描写清末民初电灯、电话初到北京城的情形，相当有意思。)

一百多年间，这个世界上大部份的人的生活，从几乎没有电器用品，到充满了电器用品，这变化不但是巨大得令人难以想象，并且深入到生活、思想、感情…，所有的人生面向。举个有诗意的例子：爱情上受挫折是古今中外诗歌中最常见的题材。古诗中固然有怨恨情人变心的，但也很常见的是所爱之人远在他乡，衷情难诉，以致相思甚苦。例如：古诗十九首「采之欲谁遗，所思在远道。李白长相思「天长路远魂飞苦等等。如今的流行歌曲中，第二种越来越少，第一种却很多。──今日的手机、e-mail等等，使距离不再成为谈情说爱的障碍，但却防不了情人变心。──这也显示了，要了解古人，就要从古人当时的情境来看才能妥切。

也许，很多人有兴趣知道最新奇的发明。但从物理概念的发展而言，更有趣的，也更重要的是；人们怎么会从不知道用电，一步一步，变成了有了用电的能力，终于到了离不开它的地步。这段历史，也最能鲜明地描绘出：以理解大自然为目标的科学研究，对全人类可能（但不必然）产生的巨大影响。

二、古代的电磁观察与应用

1936年，考古学家在巴格达附近挖出了一些铜罐，罐中铺了沥青，沥青上插着铁条。在大约同一地点，还发掘出了一些镀金物品。有研究者便认为这些铜罐就是巴比伦人发明的电池，而镀金物（如果是电镀）是这些东西确是电池之证据。而这些东西，其年代有早到公元前2000年以上的。

如果这是真的，巴比伦人领先了近代电池(伏特，1793)与电镀(1800-35)，将近四千年。

别的文明在电磁方面就没有这样可惊的成绩了。古希腊人发现了琥珀、毛皮等摩擦可以生电，至今英文Electricity的字根，尚是希腊文的琥珀。但对他们说来，天上的雷电，仍然是宙斯大神的脱手武器。中国人很早就知道天然磁石会吸铁，带电物会吸小物体（东汉王充27-97「论衡电磁力之记述：「顿牟拾介，慈石引针），以及利用磁针导航，甚至对磁偏角有所记述(方以智，~1600)。「磁针导航这技术，传到西方，促成了西方的「大探险时代(15-16世纪。1492哥伦布发现美洲，1498达伽马绕过好望角到达印度，1519-22麦哲伦环绕世界一周，称为「三大航海。他们都用磁针罗盘。)也引起了十八世纪以后的殖民主义。

这些电磁的观察与应用，可以使我们感叹古人之智能，特别是巴比伦电池。但巴比伦电池即使是事实，对日后电磁学发展，却没有什么影响。摩擦生电与磁性现象却在停滞千余年之后，在十八世纪的西欧，成为电磁学发展的出发点。

三、电之捕捉与库伦定律

十七世纪末(1684年)，牛顿出版其「自然哲学之数学原理。从此，研究自然界之力之种种，成为物理学之中心课题，一直到今天。但这本书太成功了，力学的现象，从天上行星之运转，到地面苹果落地，似乎它都能精准描述。然而，牛顿此书中只有一种力：万有引力。牛顿也知道自然界绝不止这一种力，例如，杯子打破了，碎片不可能凑起来就合而为一，可见原来把杯子各部份连合成一块的力不是万有引力；万有引力太微弱，不足以使物体聚合成形。故牛顿以后，要做有挑战性的研究，莫过于研究万有引力之外的力。

电与磁都会产生力，而且比万有引力大很多。（如果两块磁铁，吸在一起，使其相聚之力是磁力，就可以分分合合。）因此，十八世纪的欧洲，很多人在研究电与磁。特别是电，更富挑战性。因为电这个东西，虽然摩擦两个适当的物体，就能产生。带电物体会吸小纸片，有时还会在黑暗处冒火花，好玩得很。(当时，还有人发明了摩电器。)但是，却不容易驾驭，一不小心就被它溜掉。

1734年，法国人杜菲（Charles-FrancoisduFay，1696-1739），玩来玩去，玩出心得。他发觉不管是用什么东西摩出来的，电只有两种。他命名之为「玻璃电与「树脂电。只有不同类的电，相互靠近时才会相吸或冒火花，同类的不但不冒火花，还会相斥。他又发明了一个器具：密封的玻璃瓶中，插入一根金属棒，瓶内的一端，挂上两片金箔；瓶外的一端，做成一个小球。带电的物体靠近小球时，金箔就会张开。──这些，今日看来都没有什么了不起，但在电还是「神出鬼没的时候，这是不简单的成就。

然而，每次玩电，都要从头摩起，相当烦人。1745年，荷兰莱顿大学教授穆森布洛克(PetrusvanMusschenbrock，1692-1761)，根据克莱斯特(E.G.Kleist,1700-48)发明的储电器，发表了「莱顿瓶。这也是一个玻璃瓶，内外壁上各贴一圈锡箔纸。内壁可以「充电（把摩擦来的电碰触而输进去），这些电很久都不会跑掉。如果用两根金属线，把内外相连，两金属线的缝隙中就可以产生火花。

今日来看，「莱顿瓶不过是个简单的电容器，但当时极受欢迎。瓶子越做越大，火花也更壮观。可是，电到一下可不是好玩的(也有人特意去尝一下被电的滋味)。这可以说这是人类驯服电的开始（姑且不算巴比伦），但也开始领教了电的威力。

十八世纪初，美国还是欧洲的化外之地，文化落后，更无所谓科学。波士顿的一个做肥皂与蜡烛的工匠，十七个子女中的第十个，自学有成，文采斐然。与欧洲，特别是英国的科学家，保持通信。他从英国进口仪器开始，研究电学而成名，到后来被英国皇家学院选为院士。在美国的独立革命中，他以著名科学家的身份，出使法国，立下大功。也在独立宣言(1776)上签名，成为美国的开国元勋之一。他就是鼎鼎大名的富兰克林(BenjaminFranklin，1709-1790)。

1752年，他在大雷雨中放风筝，把天上的电，收到莱顿瓶中。从此证明了天上的电，与摩擦出来的电是一样的；一般人所怕的雷，声势吓人，其实并不可怕，伤人破屋的是电。进一步，他就发明了避雷针：建筑物上装一根金属针，通到地下，屋中的人就不怕雷了，因为电就会被导入地下。（新英格兰有一教堂中的牧师，认为避雷针保护好人，也保护坏人，有碍上帝的意旨，故在讲道中大加谴责。不料没几天，教堂受到雷击，塌了一角，只好也装上避雷针。）此外，他注意到了两种电有相互扺消的现象，所以他建议把「玻璃电与「树脂电改名为「正电与「负电（模拟于正数与负数之相互扺消）。

富兰克林的正负电命名，沿用至今，但是却有些不幸。因为常用的金属导线中流动的都是电子，而电子上所带的电，却被命名为负电。以致电线中的电流若是向左，其中电子其实是向右跑。

「正数与负数之相互扺消这事中，含有量的关系（+3,-3可以相消，+3,-2就消不干净。）「电荷量之测定，却要归功于法国人库伦(CharlesAugustinCoulomb,1736-1806)。(也有人得到类似的结果，但以他的发表最早，影响也最大。)

库伦出身兵工军官，早年在中美洲驻扎时，把身体搞坏，回国做研究。法国大革命(1789)后退隐家园。他发现了用细长绳索吊挂一根细棍，细棍两端对称以维持水平。两端若受水平方向之微力，则以的绳索之扭曲以平衡之。这「扭称(torsionbalance)可以做很精准的力的测量(至今尚是的测量微小力的最精准工具，但这种实验都是很难做的)。在1785-91年间，他用这工具，反复测量，终于发现了库伦定律：

电荷与电荷之间，同性相斥，异性相吸。其力之方向在两电荷间之联机上。其大小与电荷间之距离之平方成反比，而与两电荷量之大小成正比。

这是电学以数学来描述的第一步。请注意：

(1)此定律用到了牛顿之力之观念。(若无牛顿对力之阐述，很难想象此定律是何形式)。这成了牛顿力学中一种新的力。其与牛顿万有引力有相同之处，如：与距离之平方成反比；亦有不同，如：可以相吸，亦可以相斥。

(2)这定律成了「静电学(即电荷静止时之各种现象)之基础。如今所有电磁学，第一个课题必然是它。

(3)这也是电荷单位的来源。例如：两个相同之电荷，相距一公尺，若其相斥之力为「若干时，称之为一单位。原理上，这「若干可以任意选定，所以电荷单位有好几种。但今日「公制(MKSA)的做法，却是先决定电流单位「安培(理由见后)，再以一安培之电流一秒中的累计量为一「库伦，再间接决定这「若干=9×109牛顿。

(4)这9×109牛顿，相当于九十万公吨的重力──静电力强大的可怕。虽然也可以说一库伦的电荷太大，但无论如何，正负电相消的趋势是很强的。日常的物体中，虽然电荷很多，但几乎都抵消的干干净净，呈现电中性的状态。必须花功夫（如摩擦）才能使其呈现带电状。而且，一不小必就又跑去中和掉，所以难以驾驭。

因此，虽然库伦定律描述电荷静止时的状能十分精准，单独的库伦定律的应用却不容易。以静电效应为主的复印机，静电除尘、静电喇叭等，发明年代也在1960以后，距库伦定律之发现几乎近两百年。我们现在用的电器，绝大部份都靠电流，而没有电荷(甚至接地以免产生多余电荷)。也就是说，正负电仍是抵消，但相互移动。──河中没水，不可能有水流；但电线中电荷为零，却仍然可以有电流！

四、从伏特电池、安培定律到电报、电话：

雷雨时的闪电，或莱顿瓶的火花放电，都是瞬间的事。电虽然在动，但是太快了，很难去研究电流的效果。电池可以供应长时间的电流（直流电）。因此，电池的发明是电磁学上的大事。──这也就是为什么巴比伦电池这样令人惊讶。

十八世纪欧洲人到处掠夺殖民地。当时也没有什么保护生态观念，殖民地出产的珍禽异兽，一股脑捉回家去。亚马逊河出产一种电鱼，能发出瞬间强电，电晕小动物。当然，电鱼也被捉回了欧洲。这引起了不少人研究「动物电的兴趣，也就是动物的身体如何发电。1780年，意大利波隆大学教授加凡尼（LuigiGalvani,1737-1789）发现了用电击死蛙之腿，可引起抽动。而蛙腿夹在不同金属（如铜、锌）间则可发出电来。与他认为这是「动物电效果。

1793年，加凡尼的朋友，比萨大学教授伏特(AlexandroG.A.A.Volta,1745-1827)把一块锌板，一块铜板放到舌头上下，而用铜丝将两板连结，他发觉舌头会感到咸味，而铜丝中有电流现象（如：可使蛙腿抽动）。但不久他发觉这与「动物电无干，因为若不用舌头，而用一片浸过碱水的纸板夹在铜、锌之间，也可生电流。而且，如果用多重的锌、纸、铜、锌、纸、铜、…，会得到更明显的电流(蛙腿抽动不止)。──这就是最早（如果不算巴比伦）的电池(碱性电池)。有了稳定的电源，电流的研究与应用才能展开。电压单位伏特(volt)就是因纪念他的功劳而命名的。

这种「伏特堆(Voltaicpile)，很快被人仿效，越做越大(可以表演连续火花)，以后又有人加以改良，越做越精致。──直到现在，改良电池还是一门专业的学问。

在伏特电池发明后没多久，就有人发现电流可以从溶液中通过。1800年，英国WilliamNicholson(1753-1815)与AnthonyCarlisle(1768-1840)，发现了电解现象，例如水可以被通过的电流被分解为氢与氧。此为电在化合中作用之线索，亦为电解、电镀之原理。但是把电镀技术改善到可以应用，则要到1835年的德国人西门子（ErnstW.Siemens，1816-1892，其弟William,后来成为英国爵士，兄弟创办「西门子公司，至今尚存。）──巴比伦的镀金物如果真是四千年前的电镀做成的，实在令人惊叹。

然而，怎样「定量(测定电流的大小)，还是不容易，当时有人想了各种方法（如利用电线之发热），又难又不准。

电与磁之间，很早便被认为有些关连。记载中，有一间铁铺被雷电击中，铺中铁器都生了磁性。十八世纪以后，很多人在研究放电现象时，都注意到附近的磁针会动。1820年，丹麦哥本哈根大学教授奥斯特(H.C.Oersted,1777-1851)在演讲时表演电流生热，发现一根导线中的电流，会使附近的磁针偏向垂直方向，也就是电流可以产生「磁力；越大的电流，这种现象越明显，而且，这种现象，不受纸板间隔的影响。这发现立时引起了很多人的兴趣。不久，便有人把导线绕成很多重的「线圈，只要很小的电流，就能产生很大的磁力。线圈电流固可使小磁针转动，但如果是一个固定的大磁铁，线圈也会反向而动。──同年，德国人ChristophSchweigger(1779-1850)与JohannC.Poggendorff，就用这方法制成电流计。从此，电流成为物理（或工业）中测定最方便的量之一。这也就是为什么在公制中，先订电流单位「安培，再订电量单位「库伦之原因。

法国物理学家安培(AndreMarieAmpere,1775-1836)立刻想到：所有磁性的来源，或许都是电流。他在1820年，听到奥斯特实验结果之后，两个星期之内，便开始实验。五个月内，便证明了两根通电的导线之间也有吸力或斥力。这就是电磁学中第二个最重要的定理「安培定律：

两根平行的长直导线中皆有电流，若电流方向相同，则相吸引。反之，则相斥。力之大小与两线之间距离成反比，与电流之大小成正比。

（安培也写下了两小段电流作用力之量化描述，可以计算各种形状的电流间之力。如今这称为比奥─沙伐定律。Jean-BaptisteBiot,1774-1862,FelixSavart1791-1841两人与安培几乎同时进行类似的实验）。

公制中，用安培定律以定义电流单位「安培：两个平行之同向同大小之电流，相距一公尺，若其相吸之力为2×10-7牛顿/公尺时，称之为一安培。这电流单位在使用上有其方便，例如一百瓦的电灯中的电流大约一安培。这2×10-7牛顿/公尺是很小的，故平常在两根电线中，相互之力不太容易察觉。──但做成线圈后，可以产生很大的力。

以后，安培又证实了通了电流的筒状线圈之磁性，与磁铁棒完全一样。故他提出假说：物质之磁性，皆是由物质内的电流而引起的。这使「磁性成为「电流的生成物。（这也解释了为什么磁铁没有单极的）。──他后来被誉为「电磁学的始祖(电与磁从此在物理中是分不开的)。他的名字，也成了电流的单位。

安培早慧，但一生不幸。（童时亲见其父在法国大革命时上断头台，娶妻甚贤，但又早逝）。在听到Oersted之发现后，立刻意识到电流与电流之间必有力在，洞察力惊人。

安培这个发现，在应用上极为重要。它提出了用电流而发出动力，使物体动起来的方法，准确而可靠。因此，它是电流计(以及各种电表)、电马达、电报，电话之原理。特别是电报，在1835年以后就成了新兴事业，大赚其钱。然而，在开始时，也有人对这些新玩意感到恐惧而抗拒。（例如：对电磁学也有贡献的大数学家高斯KarlF.Gauss,1777-1855。）──电报业风光了一百多年。时至今日，卫星通讯发达以后，电报业就没落了。

安培定律之后，电磁学理论与应用之发展可以说「风起云涌。1825年，英WilliamStrugeon(1783-1850)发明电磁铁，使这种作用力更方便有效。1826年，德UniversityofCologne的数学教授欧姆(GeorgeS.Ohm,1789-1854)，发表了欧姆定律，厘清了电压、电流、电阻间的关系(V=iR)。这个定律是以后所有电路理论的开端。但他发现了欧姆定律后，反而被攻击而辞职，失业了好几年后他才另外找到工作。电流消耗能量的关系式，则要到1839年，才被英国的焦耳(JamesPrescottJoule,1818-69)确定（焦耳定律P=i2R）。这成为以后电力买卖的计价基础。

十九世纪的美国，挟其地大物博之优势，发展极快。美国人好新奇，敢冒险，在电器的发明上，领先全世界。美国人亨利(JosephHenry,1799-1878)，原在一个乡下学校教书，并做研究（当时在美国这是少见的）。1829年，他改良电磁铁，发明电报的原理。(据说他比法拉第更早一年发现电感现象，但未发表)。后来他转往NewJerseyCollege(以后的PrincetonUniversity)任教。1835年，美国画家摩斯(SamuelF.B.Morse,1791-1872)，发明了摩斯电码（MorseCode），制成了电报的第一个原型。从此，电报开始发展成新兴工业。1854-58年，英国Univ.ofGlasgow的凯尔文（WilliamThomson，后来封爵LordKelvin,1824-1907），研究越洋电缆理论，促成大西洋两岸之电讯。他也因此发财。1876年，美国人贝尔(AlexanderG.Bell,1874-1922)发明电话。贝尔的家传技艺是audiology(帮助聋哑的技术)。他发明电话后成为巨富，热心公益。他的公司，至今尚存。晚年他宣称讨厌电话，隐居加拿大东北极寒之地纽芬兰。

焦耳、凯尔文现在的名气，多因其热学上的成就，(焦耳之热功当量，凯尔文之绝对温标)。而且，他们合作，发现了气体膨胀时，温度下降（Joule-ThomsonEffect），这是冷冻机原理。但这发明当时英国的工业界不感兴趣。焦耳去世较早。凯尔文1892之封爵，也是因越洋电缆。

为什么冷冻机原理当时引不起英国工业界的兴趣？为什么用途广泛的电马达（其原理只是安培定律）没有很早的发展？其中重要原因之一是这些都要大量的电力，而当时还没有一个便宜的发电方法（电池发电太贵了）。因此，用电量较小的通讯器材（电报、电话），就率先发达。对当时的一般民众而言，生活中用电还是少见的事。电报是紧急时才用的，而电话也只有少数有钱人才装得起。

要等发电机成功之后，用电量大的器材，才能发展。而电器之普及，也才能实现。

五、法拉第定律与发电机：

公认的实验天才法拉第(MichaelFaraday,1791-1867)是伦敦一位铁匠之子。少年时在一家书店做学徒。当时，皇家研究所（RoyalInstitute）的所长达维(SirHumphreyDavy,1778-1829)为了教育大众(也为了争取经费)，举办了一系列的通俗演讲。法拉第去认真听讲，并做了完整的笔记，装订成册。以后他便以这一套笔记，受到达维赏识，被聘为皇家研究所的助理(1812)。不久，他在实验方面的才能，便显露出来，成为达维的得力助手。达维退休以后，他被任命为所长(1821)。

达维是电解专家(1807年发现了钠与钾)。法拉第早年是达维的助手，他对电解有很周密的研究。他发现了通电量与分解量有一定的关系，并且与被分解的元素之原子量有一定的关系。由此，可以大致导致两个结论：(1)每个原子中有一定的电含量（以今日而言，是一定的电子数）。（2）原子在化合时，这些电量起了作用，而通电可使化合物分解。因此，牛顿寻求的分子中的化合之「力，必与电有关。（此想法在1807年由达维提出，法拉第进一步加以验证，至今尚是正确的。）

法拉第少年失学，缺少科学方面的正式训练，这是他的缺点，但也可能是他的优点。他不长于数学，但有极强的「直感。他在电与磁的直感的基础是「场与「力线概念。

牛顿的万有引力定律提出之初，受到很多质疑。其中之一是：很多人认为，两个相距遥远的物体，无所媒介，而相互牵引，是不可置信的（连牛顿本人对此也有所犹疑）。但是由于万有引力之大获成功，这种「超距力的概念，不久便被普遍接受了。电磁学中的「库伦、「安培等力之观念，起始时亦是这种「超距力。

在牛顿前一百年的英国人吉伯特(WilliamGilbert,1540-1603)是伊利莎白一世的御医。他的一本「论磁(DeMagnete,1600)是有系统地研究电磁现象的第一本书（大部份说磁，因其在当时比较有用），其重要性是扬弃了磁性之神秘色彩，以一种客观的自然现象来描述之。吉伯特之「论磁中曾提出「力线之观念。这就是说：磁性物质发出一种「力线，其它磁性物质遇到了这「力线便受到力之作用。这样就避过了「超距力的「反直觉。

(a)力线不断、不裂、不交叉打结，但可以有起头与终止。例如：电场之力线由正电荷发出，由负电荷接受。力线的数量与电荷之大小成正比。（磁场以「磁北极为正，「磁南极为负。）

(b)力线像有弹性的线，在空中互相排斥又尽量紧绷。其密度与施力之大小成正比。

(c)力线有方向性，电力线之方向是对正电荷之施力方向（负电受力方向相反），在磁力线是对「磁北极之施力方向（「磁南极受力方向相）。

法拉第则更进一步，提出了「场的概念：空中任意一点，虽然空无一物，但有电场或磁场之存在，这种「场可使带电或带磁之物质受力。而「力线则是表现「场的一种方式。但是，法拉第的「场观念，当时也受到强烈的质疑与反对。最重要的理由是这观念不及「超距力之精确。把「场观念精确化，数学化的是后来的麦克斯威。

他对电磁学最重要的贡献是「电感之发现。──有磁性的磁铁，可以使附近的无磁性的铁棒磁化。根据安培的发现，通了电流的筒状线圈的磁性与磁铁棒相同，实验上它也可以使其附近的无磁性的铁棒磁化。法拉第就想：是否也可以用通了电流的筒状线圈来引起其附近另一个筒状线圈中的电流？

他1824年开始做实验，起初找不到什么结果。直到1831年，他用了四百多英尺的电线做了两个互相套合的线圈，才在无意中发现：在第一线圈中的电流关掉的瞬间，第二线圈中有瞬间的电流产生，甚至冒火花。他继续研究，发现第一线圈中的电流有变化时，第二线圈中才有电流。而第一线圈中的电流变化越快，第二线圈中的电流越大。法拉第接着又发现，一个移动的磁铁或通了电流的筒状线圈，也可以使附近的线圈中，产生感应电流。──这就是电磁学中第三个最重要的「法拉第定律。

这个定律与库伦、安培都不同；它是动态的。第一线圈中的电流变化越快，第二线圈中的电流越大。（这是变压器原理）。或磁铁、有电流的筒状线圈，移动得越快，第二线圈中的电流也越大。这就是「发电机(把动能化成电能)的原理。

法拉第也知道他这发现的重要。发现之后，皇家研究所举办成果展览。英国财政大臣也来参观。看到助手们表演火花放电以娱伦敦民众，不太高兴，便问法拉第：你花了政府这么多钱，就为了表演？法拉第冷冷地回答了四个字：Youwilltaxit!(你会有一天抽它的税)。

法拉第做了一辈子研究，退休时(1855)两袖清风，不知何去何从(当时没有退休金制度)。英维多利亚女皇则早准备了房子、终身俸及封爵，给他一个惊喜。法拉第接受了房子及终身俸，坚辞封爵。

但是，实用的发电机却不是那么简单，法拉第定律之后五十年才在美国做出来。

美国人爱迪生(ThomasA.Edison,1847-1931)号称「发明大王，拥有（或共享）的专利，有1093项，至今无人打破纪录。其中包括电灯、录音、电影等等，对「电化世界有决定性影响。1879发明的白炽电灯(以碳化纤维为灯丝)，造成轰动，是第一个人人都感到非要不可的电器。但他在发电机的竞争上，却输给了对手。可能的原因是他太执着于直流电（他甚至宣扬交流电危害人类）。──以法拉第定律而言，交流发电机的制作比较顺理成章，而且，交流电才能使用变压器，利于长途输电。

他的竞争对手是西屋(GeorgeWestinghouse,1846-1914)与特斯拉(NicolaTesla,1856-1943,也有700项专利，包括变压器、日光灯，交流电马达)。特斯拉年轻时从匈牙利移民美国，先在爱迪生手下做事，但他热心做交流电，与爱迪生不合，辞职后去挖沟。后来辗转被西屋雇用。1882年，特斯拉制成第一部交流发电机。他们对交流电机之发展，使「西屋公司成为电机工业之百年重镇。

1896尼加拉瀑布水力发电开始。世界的电化，从此展开。但电磁学的故事，还没有完。

六、麦克斯威与无线电

与法拉第之实验天才对比，麦克斯威（JamesClerkMaxwell,1831-1879）则是长于数学的理论物理学家的典型。他生于苏格兰的一个小康之家。自幼便充份显示了数学之才能。他先在阿伯丁(Aberdeen)大学任教，以后转往剑桥。在物理中，今日麦克斯威之重要性，几可与牛顿、爱因斯坦等量齐观。但生前，麦克斯威并不受其故乡苏格兰之欢迎（爱丁堡大学不要他，死时亦未有公开之表扬）。他在剑桥大学则受到重用，出任CavendishLaboratory的首任所长。

他在1855年，发表了「法拉第之力线一文，受到将退休的法拉第的鼓励。1862年，他由理论推导出：电场变化时，也会感应出磁场。这与法拉第的电感定律相对而相成，合称「电磁交感。此后他出版了「电磁场的动态理论（ADynamicTheoryofElectromagneticField,1867），「电磁论(TreatiseonElectricityandMagnetism,1873)，其重要性可以与牛顿的「自然哲学的数学原理相提并论。

通过了数学（主要是「向量分析），麦克斯威写下了著名的「麦克斯威方程式，不但完整而精确地描述了所有的已知电磁场之现象，而且有新的「预言。其中最重要的是「电磁波：

(1)由于「电磁交感，故电磁场可以在真空中以「波的形式传递。

(2)计算之结果，这波之速度与光速一致，故光是一种「可见的电磁波。

(3)这种波亦携带能量、动量等，并且遵从守恒律。(1884波亭定理，英JohnHenryPoynting,1852-1814是麦克斯威的学生，他推导出电磁场中的能量的流动关系式。)

「光是一种电磁波！这句话现在是常识，在当年则骇人听闻。麦克斯威只靠纸上谈兵（数学运算），就做大胆宣言，也难怪当年根本不信有电磁波的人居多。但他自己却信心满满。有人告诉他有关的实验结果，不完全成功，他毫不在意。他有信心他的理论一定是对的。──以后的理论物理学家很多人就学了他这种态度。有一个物理学者(Dirac)的一个理论被实验证明是错的。他就抱怨：这么美的理论，上帝为什么不用？

德国人赫兹(HeinrichR.Hertz,1857-1894,KarlsruhePolytechnic)是第一个在实验室中证明电磁波存在的人。他先把麦克斯威的电磁学改写成今天常见的形式(1884)。然后在1886-88年，做了一系列的实验，不但证明电磁波存在，而且与光有相同波速，并有反射、折射等现象，也对电磁波性质（波长、频率）定量测定。当然，也同时发展出发射、接收电磁波的方法。──这是所有「无线通讯的始祖。──此时麦克斯威墓木已拱。

一般人都说无线电的发明人是意大利的马可尼(GuglielmoMarconi1874-1937，获1909年诺贝尔奖)。俄国人则说是波波夫(AleksandrPopov,1859-1906,Univ.St.Petersburg)。但在推广实用上与影响力上，马可尼似乎领先一步。(特斯拉也有无线电的专利，但时间更晚。)1901年，马可尼实验越洋广播成功，轰动一时，从此开始了广播工业。

七、结语

麦克斯威的电磁理论（经赫兹改写），成为现在理工科的学生都要修的电磁学。简单的说来，电磁学核心只有四个部份：库伦定律、安培定律、法拉第定律与麦克斯威方程式。并且顺序也一定如此。这可以说与电磁学的历史发展平行。其原因也不难想见；没有库伦定律对电荷的观念，安培定律中的电流就不容易说清楚。不理解法拉第的磁感生电，也很难了解麦克斯威的电磁交感。

这套电磁理论，在物理学中，是与牛顿力学分庭抗礼的古典理论之一。如果以应用之广，经济价值之大而言，犹在牛顿力学之上。但也不能忘记，如果没有牛顿力学中力之概念，电磁学也发生不了。电磁学中的各定律，也无法理解。因此，普通物理中，也必然先教力学再教电磁。

电磁学论文 篇3

关键词：电磁学实验；教学改革；创新能力

作者简介：刘静（1977-），女，河南灵宝人，西藏民族学院信息工程学院，讲师；程江洁（1980-），男，陕西蒲城人，西藏民族学院信息工程学院，讲师。（陕西？咸阳？712082）

中图分类号：G642.423?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）23-0076-01

电磁学实验是工科院校学生的一门基础必修课，所涉及的误差分析、数据处理、基本实验方法、基本实验仪器操作等都是学生从事其他专业实验课的基础知识和基本实验技能的训练。[1]电磁学实验在整个学生创新能力和科学试验素质的培养过程中起着基础和桥梁的作用。随着科学技术的日新月异，电磁学实验教学也需要跟上时代的步伐，与时俱进，着力培养具有创新能力的学生。本文以西藏民族学院为例，探讨了对电磁学实验教学进行的相应的改革，以期达到理想的教学效果。

一、转变重理论、轻实验的思想观念

电磁学实验课程和理论课程同等重要，不能轻实验重理论。有些人甚至认为根本不用开设实验课，是浪费时间。这种想法不仅仅在部分教师当中存在，而且在学生当中也普遍存在这种想法。这无形中导致了学生上实验课敷衍了事的学习态度，实验课的课堂纪律远远比不上理论课，学生在实验课中也很难得到相应的能力培养和提高。久而久之，教师和学生都觉得上实验课没有意思，实验课就是一种负担，既费力又无法收到相应的教学效果。有些教师干脆在实验课上讲理论，把原本以培养学生科学探索能力和实践能力为主的实验课变成了理论课的延伸，完全偏离了实验课的培养目标。

然而，电磁学实验课程除了能加深学生对相应理论知识的理解之外，还能培养学生的科学研究能力和创新实践能力，所以理应得到教师和学生的足够重视。只有在重视的基础上才能消除消极学习的心态带来的负面影响，才能树立积极和主动学习的态度，进而完全冲破重理论轻实验的思想观念的束缚。

二、转变僵化实验教学程序，激发学生实验热情

长期以来，电磁学实验课采取的教学程序就是学生课前预习实验—教师讲解实验目的及原理—教师演示实验—学生做实验及完成实验—学生提交实验报告。[2]这种流水线式的教学过程抹杀了学生的好奇心和主动学习的源动力，学生仿佛成了流水线旁作业的流水工，整个实验过程也变成了对教师演示过程的不完全复制，在此期间没有任何过多的思考和探索。这样的实验课程失去了对学生创新能力的培养，也失去了实验课程的真正意义。在正式上实验课之前，教师会把实验的内容布置给学生，留给学生充分的时间去预习实验。学生大都只是通过网络和教材把实验目的、实验原理以及实验步骤等内容照搬到预习报告上，实现了位置的迁移，但并没有真正理解和掌握，所以预习实验等同虚设，学生预习实验的效果不尽如人意。按照预先设定的程序，教师在仔细讲解完实验目的、实验原理等内容后就开始演示实验，所以学生觉得听不听实验目的和原理都无关紧要，只要看懂记住教师的操作过程就可以了，从而忽视了教师对实验目的及原理的讲解，只注重教师在接下来的演示实验的操作过程。紧接着学生的实验操作就基本上是老师实验操作过程的机械化重复，而没有添加任何的思考。有些学生急功近利，为了逃避自己动手做实验，在教师演示完实验后就抄写数据为写实验报告做准备。有些学生虽然能够按照教师要求自己动手做实验，但也缺乏对“为什么这么做”的思考。做完实验，实验数据的处理也只是机械套入事先写好的公式，有些学生甚至随意编造实验数据，只为求得更好的实验结果。

只有对传统的教学程序进行改革，建立合理的电磁学实验教学程序，才能激发学生学习的主动性。改革后的教学程序如下：学生课前预习实验—学生做实验—发现问题—展开讨论—完成实验及提交实验报告。与上述传统的教学程序不同的是，教师不再演示实验，而是将实验的主动权切实交给学生，只是在学生遇到问题时给予适当的点拨，如果遇到仪器操作的问题，比如水平仪的调整，教师可以给学生口头的指导，然后要求学生耐心调整，而不是越俎代庖。如果遇到原理上的问题，教师可以引导学生找教材上相应的理论知识，激发学生主动探究问题的能力。如果遇到共性的问题，可以在大范围内引导学生进行讨论，并对讨论得出的结果给予积极评价，从而使得学生得到相应的鼓励，激发学生积极实验的主动性。由此可见，整个实验过程，学生是主体，教师是主导，有利于学生创新实践能力的开发与培养。

三、调整实验教学内容，培养学生的实验创新能力

实验教学必须从思想上得到教师和学生的重视，在教学程序上突出教师主导、学生主体的教育理念，还必须在教学内容上进行相应的革新，才能有效激发学生进行电磁学实验的兴趣，更有利于学生实验创新能力的培养。根据“基于经典、充实内容”的原则，对传统电磁学实验的教学内容进行重新调整和整合，保持一定数量的经典验证性实验的基础地位，大力开发综合设计实验项目，组成的新的电磁学实验教学体系。

电磁学经典实验基本是验证性的实验，虽然对于学生创新能力的培养十分有限，但是对于学生的基本科研能力和实验技能的培养却担负着基础和桥梁的作用。比如密立根油滴实验是静电场的经典实验，该实验培养学生的观察能力和动手协调能力，同时学生通过该实验能够加深对电荷量子性的理解。虽然是基础性实验，但是该实验的操作的确有一定难度，很多学生会在实验仪器的调试上花费很多的时间。同时该实验也考验着学生的耐心，比如调整水平仪中的气泡的操作，并不是一蹴而就的事情。继而，学生会发现找油滴的过程也不是想象中那么顺利，有些学生会因此沮丧而放弃实验。所以经典实验除了培养学生基本操作技能之外，对学生良好的心理状态也是一种考验和培养。教师在学生苦于观察不到油滴时给予学生正确及时的理论指导，纠正学生错误的操作行为，然后鼓励学生继续调整操作，直至观察找到油滴为止。学生在教师的适当点拨下，通过自己的努力找到油滴，增强了学生的实验信心，同时也培养了学生的基本实验技能。

只有在通过验证性实验对学生基本能力有所培养的基础上开发综合设计实验项目，才能实现学生创新实践能力的培养。教师在给出综合设计实验项目后，要求学生通过查阅文献制订实验方案，然后要求学生对方案的可行性进行评估，在实验设备允许的范围内找出最佳实验方案，设计出相应的实验步骤，然后独立进行实验探索，最后撰写小论文完成综合设计实验。对于学生实验过程中出现的问题，教师组织小组同学共同探究解决，并在实验报告中对实验过程中的问题进行讨论并给出合理化建议。

四、改革实验考核体系，提高学生实验的主动性

以往只凭实验报告对学生进行考核的方法比较片面，有些学生一学期都做实验，最终抄写他人实验报告，也能取得较好实验成绩。这种考核方式不能全面考查学生的实验技能，不利于实验教学的有效进行。现行的考核办法改革为：考试成绩=平时成绩50%+操作考试30%+理论考试20%。[3]其中，平时成绩=预习10%+实验操作30%+数据处理60%。该方法的实施可以比较全面地考查学生在实验各环节的表现，使学生主动参与实验的积极性大大提高。

五、实践与总结

通过电磁学实验教学的改革，学生“重理论、轻实验”的学习态度得到了明显改善，实验能力、实验素养明显提高。随着电磁学实验教学改革不断深化，将进一步加强学生对理论和应用的融合的能力，提高学生的动手能力，开阔学生的视野，整合学生的系统知识，提高包括物理素质在内的综合素质，培养创新精神和创新能力，从而在后续专业课程中实现学生创新能力的可持续化培养。

参考文献：

[1]李恩普，等。大学物理实验[M].北京：国防工业出版社，2009.

[2]李国峰，李剑生，陈华。大学物理实验教学中培养学生创新能力的探索与研究[J].高校实验室工作研究，2009,99(1):14-15.

电磁学论文 篇4

【关键词】电磁场与电磁波； 教学方法；教学改革

0 引言

“电磁场与电磁波”是普通高等院校本科通信工程专业的专业基础课程，一般是安排在大三上学期。通过学习，可以使学生应用电磁场的基本理论去分析工程电磁场以及相关领域的电磁场问题，为后续课程“微波技术”以及“天线工程”的学习奠定基础。然而“电磁场与电磁波”由于涉及到大量的物理以及数学知识，一直被认为是难学、难教的专业基础理论课。学生在学习的过程中对于大量的公式推导，显得十分枯燥，所以学生学习积极性不高，纯粹是为了考试而学习[1]。因此如何改变这种让人困惑的教学现状已经成为各个高校教学改革的重中之重。经过几年的教学和实践，本人在“电磁场与电磁波”教学方面取得了一定的经验，现从教学内容、教学方法和实验内容建设三个方面进行研究并给出一些改革的方案。

1 教学内容

我校通信工程专业开设了“微波技术”、“天线工程”以及“光纤通信”等专业课程，这些专业课程与“电磁场与电磁波”紧密相连，像“电磁场与电磁波”里面的时变电磁场、电磁波传播、导行电磁波、电磁波的辐射等内容都会对后期的专业课有着极其重要的作用，这时我们就应该要适当的调整授课重点，在这些内容上可以适当的增加内容；而对于静态场边值问题的求解不必要对每个公式进行详细的推导和说明，可以结合一些商业软件建模通过商业软件来计算和分析电磁场求解问题，这样既可以增加学生的兴趣也可以避免繁琐的公式推导[2]。对于后面章节像均匀平面电磁波的传播是电磁波传播部分的基础，可以重点介绍一下，可以结合生活中的例子来介绍电磁波的传播特性以及应用，比如天线的设计等。

2 教学方法

传统的黑白两书的板书式教学方式已近不适合当今多元化教学的需求，对于“电磁场与电磁波”这门比较抽象、复杂的课程，我们需要借助多媒体，通过形象的图片、动画来帮助学生来理解电磁场的概念性问题以及电磁波传播的特性，这些内容是板书无法带给学生的。但是单一的多媒体教学，如果老师只是对着多媒体读，那也同样失去了多媒体教学的优势，最好的办法是将板书式和多媒体式教学两者结合起来，在传统的板书教学基础上适当的增加一些关于电磁场与电磁波的形象动画，可能会达到更好的效果[3]。另外，可以在课堂上穿插一些商业软件的应用教学，如HFSS、ADS、FEKO等，让学生更加直观的了解工程电磁场的分析与应用，可以为学生在后期的课程设计以及毕业设计指定导向，也可以为将来从事电磁场微波技术以及天线设计掌握必备的技术手段。图1、2分别给出了采用HFSS以及ADS设计阵列天线以及Wilkinson功分器的界面。

3 实验内容

我校目前“电磁场与电磁波”实验教学在硬件和软件教学方面还有待提高，为了更好的使学生将课本知识与实践结合，不能只停留在MATLAB以及其它软件上进行仿真实验，还需要增加学生的动手能力，比如开展天线的实际研发、滤波器的设计等，通过设计制作这些器件，让学生在制作的过程中发现问题，并且了解一些常用器件的使用方法，如矢量网络分析仪的使用[4]。因此我们将在课程设计中设计一些题目，在学生完成建模仿真后，联系一些厂家或则研究所，由学生自己去制作实物天线并独立完成天线的测试，最终完成天线的设计与制作，如图3所示。

图1 HFSS商业软件设计界面

图2 ADS商业软件设计界面

4 结束语

“电磁场与电磁波”是通信工程专业非常重要的一门理论基础课，本文针对我校目前该理论课教学存在的问题，在教（下转第209页）图3 4G通信频段的笔记本天线

学内容、教学方法和实验内容三个方面做了研究，提出结合多媒体教学、商业软件教学以及实践操作等方法，不仅可以激发学生的学习兴趣，提高教学效果，而且还可以为学生下面的课程设计和毕业设计提供导向，为下一步深入学习“微波技术”以及“天线工程”等课程打下坚实的基础。

【参考文献】

[1]叶宇煌。“电磁场与微波技术”课程设置初探[J].高等理科教育，2003（1）：124-125.

[2]边莉，张起晶，刘鑫，等。电磁场与微波技术系列课程教学内容重构[J].电气电子教学学报，2013，35（4）：48-50.

电磁学论文 篇5

例如：在LC振荡电路中，电容器放电完毕时，电路中的电流最大，自感电动势为零．学生难以理解．

错误认识一：电容器放电完毕时，由I＝q/t可知，q＝0，I也应等于零．

错误认识二：电容器放电完毕时，q=0，电容器两极间的电压U＝0，由I＝U/R可知电流I应等于零．

错误认识三：既然电容器放电完毕时，电流强度I最大，由I＝＝ε/R可知，自感电动势ε=IR也应最大．

电磁学论文范文 篇6

关键词：电磁场与电磁波；电磁特性；均匀平面波

作者简介：张清河（1969-），男，湖北当阳人，三峡大学理学院，副教授。

基金项目：本文系国家自然科学基金（项目编号：61179025）、三峡大学教学研究项目共同资助的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）14-0071-02

鉴于“电磁场与电磁波”在电子与通信技术领域的重要性，各国高校的电子与信息技术类专业一直将其作为一门必修的基础课程。[1-3]对于电子与信息技术类大学本科专业学生而言，“电磁场与电磁波”无疑是理论性最强、逻辑性最严密、数学工具应用最多、概念最抽象、涉及应用领域最广的课程之一。学好这门课，对培养学生严谨的科学思想、科学分析问题的能力、复杂抽象的逻辑思维能力、勇于开拓的创新精神等将起着十分重要的作用。笔者在三峡大学（以下简称“我校”）电子信息科学与技术、光信息科学与技术两个本科专业讲授“电磁场与电磁波”课程多年，根据该课程的特点和知识体系，结合学生实际，采用多样化教学方法、新颖独特的教学内容，强化理论与实际应用相结合，激发了学生的学习兴趣，有效地改善了教学效果。

一、教材内容灵活处理

我校选用文献[4]作为电磁场与电磁波课程教材，它同时也是国内多所高校选用的教材。在多年讲授的基础上，对教材中的一些内容进行了灵活处理，取得了良好的效果。

在“媒质的电磁特性”一节中，教材直接给出了介质表面极化电荷面密度、磁化电流面密度的表达式，没有具体的推导过程，学生理解不了。事实上，这一结论的前提应该是自由空间中单一均匀介质表面，而教材中没有明确这一前提。在讲授这一部分内容时，先推导出任意两种不同均匀介质形成的交界面上极化电荷、磁化电流面密度，然后再退化到自由空间中单一均匀介质表面，下面仅以极化电荷为例。如图1，由于两者介质的极化强度不同，极化迁出与迁入的电荷不相等，导致在交界面的薄层内存在极化面电荷分布。

二、注重课程在新技术领域中的应用

在教学过程中，在阐述基本理论和基本概念的同时，积极引导学生去寻找电磁场与电磁波的应用，特别是在若干新技术领域中的应用，让学生了解电磁场与电磁波在科学技术进步中的作用，极大地激发了学生的学习兴趣，收到了良好的教学效果。

在讲授“均匀平面波在各向异性媒质中的传播”一节时，重点放在均匀平面波在磁化等离子体中的传播。首先介绍了电离层依据电子浓度的不同，具有层状结构的分布特点，如D层、E层、F层等，在地磁场的作用下，电离层具有两个特性角频率，即电子的回旋角频率和等离子体临界频率。并指出电磁波在电离层中的传播特性与这两个频率紧密相关。当电磁波频率接近电子的回旋角频率时，将发生磁共振现象，导致电磁波能量损耗极大，电离层对电磁波的吸收最大，这是短波通信应该尽量回避使用的频率。为了实现卫星通信，电磁波频率必须高于等离子体临界频率，否则信号将不能穿过电离层。另一方面，频率小于临界频率的电磁波不能穿透电离层而被反射，利用电离层对电磁波的反射原理，可以实现短波远距离的通信和远距离目标的探测，这正是天波雷达的基本原理。在讲述“天线阵”一节时，结合现代军事尖端武器装备，讲解了相控阵雷达及相控阵天线的概念，并简要介绍了其工作原理，即通过控制相邻天线之间的相位差，就能够改变天线阵波束最大值的指向，实现主波束在全空间的扫描。讲解电磁波在导电介质中的传播时，结合海水的导电特性，向学生解释了为什么对潜通信要用长波通信。在讲解电磁波的极化概念时，引导学生分析为什么收音机和电视的天线架设不同，并简要介绍了电磁波的极化在微波遥感、光学工程、分析化学等应用领域中的广泛应用。通过理论知识与实际应用相结合，学生对这些问题有了较深的认识，开阔了视野，对本课程的学习兴趣也越来越浓厚。

三、结语

“电磁场与电磁波”课程难学难教，而掌握本课程的理论基础知识，对电子信息类专业的学生来说又非常重要。我们在教学过程中进行了一些有益的探索，通过对教材内容的灵活处理、大量穿插理论知识在高新技术领域中的应用实例等，激发了学生对该课程的学习兴趣，取得了良好的教学效果。

参考文献：

[1]Jin Au Kong.电磁波理论[M].吴季，等，译。北京：电子工业出版社，2003.

[2]柯亨玉。电磁场理论[M].北京：人民邮电出版社，2004.

电磁学论文范文 篇7

变化的电场能够在周围的空间产生磁场是麦克斯韦电磁场理论的第二个要点，也是麦克斯韦对电磁场理论的最主要的贡献．这样，不但传导电流（由电荷运动引起）能够在周围空间产生磁场，而且变化的电场（或“位移电流”）也能够在周围空间产生磁场．也就是说，产生磁场的途径有两种：电流（传导电流）或者变化的电场（或叫做“位移电流”）．甲种本的这个例子所讲的“运动电荷要产生磁潮，可以从两个层次来理解．

一、把“运动电荷要产生磁潮理解为电荷运动形成电流（传导电流），这个电流要产生磁场，这是中学生所能理解的层次．按照这种理解，这个电场是由传导电流产生的，而不是由“位移电流”产生的，即不是由变化的电场产生的．甲种本的论断是错误的．

二、从较高的层次来理解“运动电荷要产生磁潮这句话．电荷的运动是任意的，由于既有速度v，又有加速度a，这个电荷产生的电场和磁场是非常复杂的，要用电动力学的方法才能处理，一般中学生不可能理解到这一层次，而且这时在运动电荷产生的磁场中，既有由变化的电场产生的，也有由传导电流产生的，到底哪一部分主要，要视电荷的运动情况及观测点的位置而定．在电荷附近（近场区）磁场主要由传导电流产生，所以不能简单地认为“这个磁场是由变化的电场产生的”．

电磁学论文范文 篇8

关键词：教学方法；电磁场与电磁波；类比；创新

作者简介：黄麟舒（1975-），女，湖南常德人，海军工程大学电子工程学院，讲师；柳超（1963-），男，湖南岳阳人，海军工程大学电子工程学院，教授。（湖北 武汉 430033）

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）23-0068-02

一、“电磁场与电磁波”课程和类比教学简介

“电磁场与电磁波”课程历来是一门疑难课程。尤其是在教学改革后，这主要有三个方面的原因：课程理论性强，公式繁杂，理论抽象；实验设备不配套，实验设备投入大，院校缺乏开设电磁场与电磁波实验的条件，理论与实践脱节；随着近几年的教学改革，此类课程的课时被大幅压缩，有的学时分配减少约三分之一，教学自由度受到很大限制。该课程被学生视为天书，被列为大学阶段难学的课程前列。为激发学员的学习兴趣，改善“老师讲得津津有味，学生听得昏昏欲睡”的局面，急需对这门课程的教学方法进行改进。经过几年的不懈努力，不断总结完善，将多种教学手段综合运用，积累了一些有利于该课程的教学方法。

类比教学是一种比较教学，对象是几种不同的教学内容，它们必须有先后，是用已学的课程知识来导入新课知识，使学生学习起来有参照，易于接受。在“电磁场与电磁波”课程中引入类比的教学策略，不但可以提高教学效率，从教学效果看，学员也相对容易接受新知识。但教师在教学中处理教学内容时，需要注意简繁有度、重点突出，调动学生的联想记忆、想象力等能力，通过类比方法掌握新知识点。

二、类比教学方法的实施

“电磁场与电磁波”课程的类比教学方法有几种实施策略。有的是课程、领域之间的横向类比，例如与“大学物理”相关知识点的类比，“电磁场”和“流体力场”、“电磁波”和“机械横波”的比较。有的则是纵向类比，譬如该课程本身的静电场和静磁场、静电场和恒定电流场等的对比。在如下几个方面对“电磁场与电磁波”课程教学进行类比探讨，目的是探索适合该课程的行之有效的教学方法，以提升学生的学习兴趣和效率，培养学生的创新能力。

1.课程之间的类比。

即“电磁场与电磁波”和“大学物理”的类比。

首先需明确“电磁场与电磁波”并非“大学物理”的简单重复。高等院校的“大学物理”课程一般安排在大学一年级下学期，而“电磁场与电磁波”课程一般安排在大学三年级上学期或下学期，它们之间有先后且有衔接。因此，“电磁场与电磁波”不仅包含“大学物理”中的静电场、恒定磁场、电磁感应、时变电磁场的麦克斯韦方程等内容，还包括磁介质及磁化、边值问题及其解法、正弦电磁场、场的复数和瞬时值表示、标量位函数和矢量位函数、波动方程及其解、平面波的传播规律、电磁辐射等内容，是后续课程“微波技术”、“天线与电波传播”的基础课。而且，在大学物理中学过的浅显的电磁学往往是一些特例，而“电磁场与电磁波”深入介绍了电磁场与电磁波的一般性的基本特性及规律，学生需要学习的是更多一般性的规律，而且内容侧重时变电磁场和波的规律研究。因此，“电磁场与电磁波”既与大学物理有衔接又有区别，教学中如果借助类比的教学方法，从“大学物理”过渡到“电磁场与电磁波”的知识点，既可以节省授课时间，又能为学员所接受。

举一个证明方法的例子。“大学物理”中麦克斯韦方程组是以积分形式给出的，而“电磁场与电磁波”中以积分和微分形式给出，学生在理解时微分形式比积分要难，所以比较好的方式是采用类比方法讲述微分形式。譬如，在讲解麦克斯韦方程第一方程时，即传导电流和变化的电场均产生磁场的推广的安培环路定理时，先写出已学“大学物理”中的积分形式：

让学生推导微分形式，要提醒学生推导中要用到前面所学数学知识旋度定理，实际教学中大部分学生都能从如下所示步骤推出微分形式：

s是以L为边界的任意曲面，故有：。

由于能够推导出微分形式，学生由被动抄写变为主动推导，加入了主观思考，调动了积极性，使得其踊跃去推导另外三个方程，比如利用散度定理由磁通连续性原理的积分形式推导出微分形式，自己总结得到磁场是无散场的推论。学生在探究过程中水到渠成地掌握了麦克斯韦方程的两个重要定理的微分和积分形式。故激发了学生探究的兴趣，也活跃了课堂气氛。可见，类比教学可激发学生学习兴趣，提高课堂授课质量。

2.课程自身知识点的纵向类比

在时变电磁场中，电和磁是紧密联系的两种现象。虽然某些电现象和磁现象在本质上相异，但宏观现象上有很好的相似性，启发我们在教学方法上注意到这种研究方法的相似性。在各章节讲授完成进行章节小结时，譬如在小结恒定磁场时，先与学生一道回顾静电场是由电荷量不随时间变化的静止电荷产生的电场。而恒定磁场是恒定电流在周围空间产生的对于运动电荷有力的作用的一种场。在讲授内容上，这两种场有很相似的现象，对应着很相似的知识点。例如：电介质的极化现象与磁介质的磁化现象，电场的场量、位函数等等，详细对比见表1。在掌握了电现象的基础上，利用电磁对偶关系，理解磁现象的相关知识就容易些，而且更加深了对其本质的理解。

在前面讲授静电场时，首先给出电场强度的定义，讨论真空中的静电场，然后讨论介质中的静电场，在不同介质的交界面上，静电场会发生变化，讨论场量的边界条件，最后介绍电容，讨论静电场的能量与力的计算方法。在讲授恒定磁场时，如同讨论静电场一样，先讨论真空中的恒定磁场，然后再讨论磁介质在恒定磁场作用下发生的磁化现象，然后再分析介质中的恒定磁场，接下来讨论恒定磁场方程及其边界条件，电感、磁场能量和磁场力的计算。为了清晰地表现这种宏观的对称性，文献[3]给出了几种电场和磁场的典型的对偶关系应用，见表2。利用该表进行课程小结，既缩短了知识传授与接受的过程，又有助于对知识融会贯通，便于记忆。

更进一步，引入磁荷和磁流后，对于时谐场，可以推导出只有电流源和只有磁流源的麦克斯韦方程，可以看到两个方程组的数学形式完全相同。对偶形式可见下表3。

则可由另一个方程组得到另一个方程组。如果按照上述各量的互换关系，可由一类问题的边界条件得到另一类问题的边界条件（如只存在磁流源的边界条件），那么由一类问题的解经上述各量互换后即可得到另一类问题的解，这就是所谓的二重性或对称性。概括地说，如果描述两种不同物理现象的方程具有相同的数学形式，则它们的解也将具有相同的数学形式，这样的事实称为二重性或对偶性。利用二重性原理，可由电流源激发的电磁场的一般解法及其结果，直接导出磁流源激发的电磁场的一般解法。

另外，恒定电场与静电场在一定条件下机理类似，故也可以用类比方法进行教学。首先交代恒定电流场的产生是：将一块导体与电源的两个极板相连，由于两个极板之间始终存在一定的电位差，在导体中形成电场，迫使自由电子维持连续不断的定向运动，从而形成电流，或者说，若电源的电压与时间无关，导体中的电流强度是恒定的，导体中的电场也是恒定的。

无外源区中均匀导电介质内部的恒定电流场方程和无源区中的均匀介质内部的静电场方程分别归纳如表4所示。从表中容易看出，在不包括电源局外场的导电媒质中恒流电场的基本方程与无电荷分布区域内静电场的基本方程有相似的形式。

由表可见，两种场非常相似。恒定电场和静电场一样，也与时间无关。由于两个场的电位函数均满足拉普拉斯方程，所以如果两个场用电位表示的边界条件相同时，则两个场的解必然相同。因此对于某一恒流电场的边值问题，如果对应的静电场边值问题是已经有解的，则恒流电场的解便可以直接写出，只需将ε换成σ、q换成I、换成等相对应的物理量就可以了，而不需要重新计算。这种方法称为静电比拟法。为了培养学生的创新思维可进一步引导学生思考：在什么条件下二者可比拟？如何形成这种条件。由此引出实验室研究静电场时常用的一种方法，即静电比拟法，用恒流电场模拟静电场，而实验室在恒流电场中进行测量比在静电场中容易得多。所以利用类比的方法能启发学生步步深入。

还有电磁波与机械波都是横波，都具有横波的特性等方面的类比，水波的传播与电磁波能的传播的类比，电磁场与流体力场的类比等等，也可以采用类比的教学策略进行更加形象、直观的传授，启发创造性思维。

三、结束语

提高教学质量和实效始终是高等院校的工作重点。如何为学生创造一个宽松、活泼的课堂学习氛围？如何引导学生自发学习，超越自我？如何为学生打下宽厚的知识基础，以便能够为其将来的某一领域的研究打下基础？这些都需要教育工作者在实践中进行深入研究。实践教学结果表明，类比教学方法运用于“电磁场与电磁波”课程中，有利于提升学生的学习积极性和能动性，教学效果得到提升。

参考文献：

[1]杨儒贵。电磁场与电磁波[M].北京：高等教育出版社，2010.：122-143.

[2]梁昌洪。关于电磁理论的若干思考[J].电气电子教学学报，2004，26（1）：1-8.

[3]葛文萍，贾振红，山拜·达拉拜。探索解决电磁场理论难教难学的方法[J].理工高教研究，2007，26（5）.

[4]周雪芳，钱胜，李齐良。电磁场与电磁波精品课程建设的探索与实践[J].中国电力教育，2011，（4）.

电磁学论文 篇9

关键词：电机学；建构主义；变压器；旋转电机

作者简介：赵海森（1982-），男，河北邢台人，华北电力大学电气与电子工程学院，讲师；刘晓芳（1961-），女，内蒙古呼和浩特人，华北电力大学电气与电子工程学院，教授。（北京102206）

基金项目：本文系北京市优秀教学团队，“电机学”部级精品课建设项目（项目编号：GJ2011023）的研究成果。

中图分类号：G642     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2012）13-0049-02

“电机学”是高等学校电气工程学科的重要专业基础课程，同时也是许多后续专业课程的基础。由于其具有涉及知识面广、理论性强以及时空概念抽象等特点，该课程长期以来一直被认为电气专业既难教又难学的课程，学生也称之为“天书”。华北电力大学（以下简称“我校”）经过十几年努力，通过三维动画、人机交互以及可视化等现代科学技术，开发了基于多媒体的辅助教学课件，成功解决了电机内部电磁场的可视化问题。[1，2]在教学过程中如何能够较透彻地讲授一些涉及电磁场理论方面难于理解的、抽象的物理概念，使得学生能够在课堂上更容易接受，这就有必要结合现代认知理论对“电机学”这门课程的讲授技巧以及教学方法进行相应改进。本文针对这一问题，将建构主义认知理论应用于“电机学”变压器和旋转电机部分的教学实践中，在激发学生学习热情的同时，取得了明显教学成果。

建构主义认知理论是高等教育心理学中认知理论的重要一个分支，该理论主要关注如何利用原有的认知结构与信念来建构新知识，强调学习的主动性、社会性与情感性，该认知理论的观点主要包括接受知识、建构学习过程以及教学生长点三方面。[3]以下分别对这三个方面的理论及其在“电机学”教学中的应用展开论述。

一、建构主义接受知识方面的理论及其应用

1.接受知识方面的理论描述

在学生接受新知识方面，该理论强调学习是学生主动建构内部心理表征的过程，并不是把知识机械地从外界搬到记忆中，而是以原有经验为基础来建构新知识体系。这就要求对于“电机学”的学习并不是单一地接受电机理论知识，而是要紧密联系以往所学知识并将其应用于新知识学习中，进一步构建新的知识体系。例如，在“电机学”课程之前，学生已经学过“电路”、“大学物理―电磁学”等基础课程，这使得学生初步具备了从“路”的角度去分析一些电力工程实际问题的能力，同时，对于“场”的概念也具有了一定认识。而“电机学”是一门集电路、磁场以及磁路结构为一体的交叉性综合课程，其基本要求就在于让学生在学习过程中熟练掌握磁场和电路的基本物理概念，并利用其从磁路角度分析变压器和电机内部的电磁关系，最终能够实现利用一种等值电路来描述上述电磁关系，以达到分析工程实际问题的目的。

2.典型教学实例分析

在“电机学”绪论部分教学内容中，需要对磁路的概念进行介绍，为后续变压器和旋转电机部分的基本电磁关系奠定基础。该部分内容中涉及磁路基本定律和一些基本物理概念，例如磁动势、磁通、磁阻等，在上“电机学”之前，学生并未接触过上述概念。只通过书本中的文字描述对磁路基本定律进行学习，学生理解起来较抽象且难度较大。如果将该部分内容与“电路”中所学的电路模型进行对比讲解，便可明显增快学生认知过程。为此，引入如图1所示的简单磁路模型及其等效磁路图，图中F为磁动势，Φ为磁通，Rm为磁路磁阻。在教学过程中，以此图为例引导学生将图示等效磁路和已经学过的电路模型进行对比分析，并进一步将磁路分析中所涉及的磁动势、磁通、磁通密度、磁阻、磁导等一系列抽象物理概念与学生知识体系中所掌握的电动势、电流、电流密度、电阻、电导等概念进行一一比较，寻找两者的共同点，这样便有助于学生对上述抽象物理概念的理解，达到事半功倍的效果。

二、建构主义在学习过程方面的理论及其应用

1.建构学习过程方面的理论描述

在学习过程方面，该理论强调学习过程既包括建构新信息、新知识结构体系，又需要对原有知识体系进行改造与重组。这就要求在“电机学”学习过程中，针对某一部分的知识点，在课堂上不能单纯地灌输，应将教学内容中前后有关联的知识点有机联系在一起，做到融会贯通。

2.典型教学实例分析

在“电机学”中，一种重要的分析方法是将电机内部磁通按其作用和分布特点分为主磁通和漏磁通两部分对基本电磁关系进行分析，然后利用电磁感应定律和基尔霍夫定律分别列出各个绕组的电路方程进而得出等值电路。在变压器教学部分，由于变压器属于静止电机，学生能够直观接受其实际结构及其基本工作原理，尤其是对于主磁通和漏磁通的理解，故该部分内容相对而言较容易讲授，如图2（a）所示变压器的二维模型图，图中Φm为主磁通、Φs1和Φs2分别为原副边漏磁通。但对于旋转电机而言，受三维结构影响，学生对电机绕组分布及铁芯结构尚缺乏深入了解，无法深刻认识电机主磁通和漏磁通的特点。为此，可建立电机三维物理模型，对其各部分漏磁场进行可视化描述，如图2（b）中的主磁通Φm和漏磁通Φs1所示。在此基础上，进一步通过分析漏磁通产生位置及性质的差异，将漏磁通分为槽漏磁、端部漏磁和谐波漏磁三部分。利用上述方法讲解后，可使学生对电机三维结构进行全面了解的基础上，更加深入理解“电机学”中利用主磁通-漏磁通法分析旋转电机基本电磁关系的分析方法，同时也可以完成对变压器和旋转电机基本电磁关系分析方法的整合和重组。

三、建构主义在教学生长点方面的理论及其应用

1.教学生长点方面的理论描述

在教学生长点方面，该理论强调教学不能无视学生的经验，应该把学生现有知识或经验作为讲授新知识的起点并引导学生从中“生长”出新的知识经验。这就要求教师在教学过程中，需要寻找从已经讲授内容中衍生出来的和未讲知识的结合点，帮助学生利用已经构建的知识体系去学习未知的、抽象的电机理论知识。

2.典型教学实例分析

在电机学教学内容中，电机内部磁场分布以及磁极判别通常是初学者比较难理解的内容。此前的学习过程中学生已经较熟练掌握了变压器基本电磁关系部分的知识，为此，在讲授该部分内容时，结合变压器基本结构及电磁关系，将其与电机之间建立必要联系，为分析电机的磁路和磁极服务，所设计的课件如图3所示。其中，图3（a）为单相壳式变压器铁芯模型；假设其绕组通入直流电，所通入电流流向、磁通路径和形成的N、S磁极如图3（b）所示，然后将壳式变压器的气隙由细长型变为圆形，可得磁路和N、S磁极如图3（c）所示；进一步将变压器外圆和槽形也变为圆形，便可得到如图3（d）所描述的电机简化模型，可以看出此时的磁路仍在铁心范围内，而N、S磁极仍在铁芯内圆。

利用上述方式对电机内部磁场和磁极进行分步讲解后，得出的旋转电机可以看作带有气隙的变压器，使得学生能够在课堂上结合以往所学变压器知识对旋转电机结构和内部磁场以及磁极判别进行认知，同时，进一步引导学生从变压器的角度去理解旋转电机，这也有助于后续教学内容中同步电机和异步电机中等值电路内容的顺利开展。

四、总结

“电机学”课程的教学内容涉及知识面广、物理概念抽象且较难理解。本文将建构认知理论融入“电机学”课堂教学中，一方面，从认知理论角度将以往学过的知识用于建构新的知识体系；另一方面，在学生对新知识学习的过程中改进了讲授技巧和教学方法，降低了对电机学中抽象物理概念的理解难度。实际课堂教学实践表明，结合现代认知理论所改进的讲授技巧和教学方法明显提高了学生对“电机学”的学习兴趣，同时也能够适应不同认知特点及不同知识层次的学生，对教学过程中新知识的学习以及能力培养方面均起到了积极作用。

参考文献：

[1]罗应立，刘晓芳，陈希强，等。电机学多媒体课件的体系结构和知识表示方法[J].电气电子教学学报，2004,(1):60-64.

电磁学论文 篇10

关键词：单极感应 麦克斯韦场方程 狭义相对论 电磁感应定律

一、单极感应现象的发现及其简介

单极感应现象是轴对称磁体绕其对称轴转动时产生的一种特殊的电磁感应现象，十九世纪和二十世纪的科学家尝试用磁力线来形象的解释这一现象，主要有两种观点：M理论认为磁场随磁体一起旋转，N理论认为磁场不随磁体一起旋转。本文主要回溯历史上有关单极感应现象的研究，以及通过狭义相对论和现代电磁理论试解释单极感应现象。

单极感应现象是指轴对称磁体绕其对称轴转动时外部回路产生电流的现象。当磁体转动时回路中有电流通过。法拉第（Faraday）最先发现该现象。当装置触头分别位于旋转磁体的一端轴处和中间位置时，回路中的电流最大如果磁体相对于观察者静止，回路中的ABC部分以同样大小的角速度ω向相反方向转动，回路中将会出现同样的电流；以稳定电流的电磁铁代替永久磁体，并以导体片覆盖电磁铁的表面，当电磁铁以ω 绕其对称轴旋转时，回路中也能出现电流。对于如何解释这种现象，法拉利认为磁感线不随磁铁转动，是磁铁在磁场中感应出电流，但这与安培分子电流假说矛盾，安培理论认为物质的磁性起源于分子环流，因此，如果存在磁力线，它们就应该随着分子环流的运动而运动。这样，当磁铁转动时，磁力线就会随着磁铁一起转动。因此，韦伯认为磁力线随磁体转动，但究竟应该怎么解释呢。轴对称磁体绕其对称轴转动时，在惯性参考系中，空间各点的磁场大小是不随时间发生变化的，磁场仍然是静场，那么为何能在静止的回路中产生电流呢，为了解决这个问题有了以后的单极感应开路实验。

二、Pegram 的实验

Pegram 深信M 理论假说已经被了，于是1917 年进行了再一次的实验Pegram 的实验装置。螺线管A 的内径为29cm、长60cm，按每厘米 55 匝绕制而成；与螺线管同轴的圆柱形电容器B 由铜皮制成，外筒直径为25cm，长为60cm，两端封闭，上端留一个孔，以使连接静电计的屏蔽线穿过。内筒C 的直径为10cm，长33cm，由硬橡胶棒支住；铜条DE 沿径向架设于内外筒之间，这样可以通过推下导体棒EF 从而使内圆筒能够与外圆筒任意连接，或是通过推下检流计的连接DG 从而内圆筒可以与静电计连接。静电计由一个小的四分仪和一个很轻的镀银的云母针制成的，灵敏度为0.87×10-4 伏/分格。Pegram 使同轴电容器（与螺线管固在一起）与铜条同时以每分钟900 转的速度绕其对称轴旋转。接着给螺线管接入励磁电流，并推动棒EF，铜条DE 两端与内外电容器筒相接；然后拉动棒EF，使内筒由屏蔽线与静电计相接，关闭励磁电流，测量内筒上是否带有电荷。结果实验中静电计发生了偏转，于是 Pegram 从静电计的偏转确认电容器被充电了。由于实验过程中，外电路和磁体一起转动，而在回路中却有电流通过。因此，如果用M 理论假说是无法解释的，因而Pegram 认为他的实验证实了Barnett 和Kennard的实验结果，即证明了N 理论成立；而且表明在单极感应中“感生电动势的位置”是在运动的导体中，且它完全不依赖于磁场的转动。

三、用相对论解释单机感应现象

单极感应的争论在历史上是围绕“磁力线是否随磁铁转动”这一问题展开的。 然而， 今天的多数物理学家已认识到‘磁力线运动’的提法没有意义， 并认为经典电动力学的所有问题都可由麦克斯韦理论解决而无须借助力线概念。 我们认为， 虽然力线概念在处理某些问题时有其好处， 但决非必不可少； 对于某些问题（如单极感应）， 力线的引用特别是“运动力线” 的提法更是有害无益。

由相对论结论与传统观点比较来看，相对论抛弃了原有的争论，而是从拎一个角度看待问题，与实验室静止的观察者会观察到电极化强度不为0，而随动观察者会观察到电极化强度为0，这是由于相对论的修正，如果纠结于M与N理论之间，则沦于表象。

参考文献：

[1] 梁灿彬，池无量，梁竹健：对单极感应理论的一点澄清，北京师范大学；

[2]周建忠，刘炜：论“单极感应”电磁现象所蕴含的物理规律，西北大学学报，2009年5月，第7卷第3期；