工程电磁场第一章
0引言
教育部电子信息与电气学科教学指导委员会 基础课教学指导分委员会
《电磁场》课程教学基本要求
0.1 为什么要学工程电磁场
电磁学三大实验定律： 库仑定律， 安培定律， 法拉第定律。
Michael Faraday André-Marie Ampère (1775～1836)
麦克斯韦的贡献： 位移电流假设和理论总结
梯度、散度和旋度 定义、计算公式和运算规则 散度定理、斯托克斯定理 格林定理、亥姆霍兹定理
1.1 矢量分析公式 1.矢量代数公式 （１）标量、矢量和单位矢量 只有大小，没有空间方向的量称为标量。 不仅具有大小，而且具有空间方向的量称为矢量。
1 矢量分析与场论基础
本章提示：
矢量分析和场论是重要数学工具 矢量函数的微分与积分的运算规则 场的基本概念 导出标量场的等值面方程 矢量场的矢量线方程 源点和场点及其相互关系 平行平面场和轴对称场 标量函数方向导数，梯度的定义
直角坐标系梯度计算公式和梯度运算规则 矢量函数通量，散度的定义 直角坐标系散度计算公式和散度运算规 散度定理 矢量函数环量和环量面密度概念 旋度的定义 直角坐标系中旋度计算公式和旋度运算规则 斯托克斯定理 哈米尔顿算子的定义和运算规则 格林定理和亥姆霍兹定理 三种常用坐标系中有关的计算公式
赫兹的贡献： 位移电流假设验证，电磁波
位移电流假设
麦克斯韦 电磁场方程组
电磁学三大实验定律
库库仑仑定定律律
安培定律
法拉第定律
电磁学与电磁场
电路理论与电磁场
工程电磁场 面向工程的教学体系
基本方程 微分形式
实验定律——基本原理——边值问题——数值计算
场的性质——场的分布规律 工程 场源 媒质 应用
电磁理论 电磁学 电磁场 电磁场与电磁波 电动力学
电场强度E (V/m) － 8000 8000 200/f 200/f 67 67 67/f1/2 14 9.85f1/2 28
磁场强度H (A/m)
7000 7000/f2 900/f 0.9/f
1.13 1.13 0.17/f 0.17/f1/2 0.036 0.026f1/2 0.073
磁感应强度B (μT) 9000 9000/f2 1100/f 1.1/f 1.4 1.4 0.21/f
冯慈璋、马西奎主编《工程电磁场导论》
马信山、张济世、王萍编著《电磁场基础》
倪光正主编《工程电磁场原理》
雷银照《电磁场》
刘鹏程主编《工程电磁场简明手册》
王泽忠、全玉生、卢斌先编著《工程电磁场》
Ansoft Maxwell
Ansoft公司的Maxwell 是一个功能强大、结果精确、易于使用的二 维/三维电磁场有限元分析软件。包括静电场、静磁场、时变电 场，时变磁场，涡流场、瞬态场和温度场计算等，可以用来分 析电机、传感器、变压器、永磁设备、激励器等电磁装置的静 态、稳态、瞬态、正常工况和故障工况的特性。
工程电磁场
电气工程及其自动化专业规范 电气工程及其自动化专业认证标准
学科基础课： 电路ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ论 工程电磁场 模拟电子技术 数字电子技术 微机原理与应用 计算机语言与程序设计 信号分析与处理 自动控制原理
专业基础课： 电机学 电力电子技术基础 电力系统基础
应用背景 电力系统 通信系统 电磁兼容
电气工程 信息工程 生物电磁学
Maxwell 还可产生高精度的等效电路模型以供Ansoft 的SIMPLORER 模块和其它电路分析工具调用。
主要内容
第1章 矢量分析与场论基础 第2章 静电场的基本原理 第3章 恒定电场的基本原理 第4章 恒定磁场的基本原理 第5章 时变电磁场的基本原理 第6章 电磁场边值问题的解析方法 第7章 电磁场边值问题的数值方法 第8章 电磁场的能量和力 第9章 平面电磁波 第10章 电路参数的计算原理 第11章 电气工程中的电磁场问题
电磁场的工程应用 实验： 仿真实验 实物实验
0.3 怎样学好工程电磁场课
1、认真听课，积极答问。 2、死记硬背，毫无意义。 3、梳理思路，总结经验。 4、开阔眼界，扩展知识。 5、适量练习，熟练掌握。 6、重视数学，终身受益。 考核方式： 实验成绩＋测验+平时成绩+期末考试成绩
考试形式：闭卷
0.4 参考书
2-D Magnetostatics (2-D静磁场)
绝缘子电位分布图
绝缘子电场强度分布图
±800kV换流阀屏蔽罩表面电场计算
状态1—边界元结果
状态1—有限元结果
有限元比边界元结果大4% 左右
P30
波导电磁场场分布
表4 时变电场和磁场的公众暴露导出限值(rms值)
频率范围 <1Hz 1Hz -8Hz 8Hz -25Hz 0.025kHz-0.8kHz 0.8kHz -3kHz 3kHz -150kHz 0.15MHz -1MHz 1MHz -23MHz 23MHz -2500MHz 2.5GHz -10GHz 10GHz -300GHz
Copper Ball: Diameter 1 cm Mass 4.66 g
Ref: W.Brisley & B. S. Thornton: Brit. J. Appl. Phys., v.14, p.682, 1962
提升力
Reaction Field
Magnetic Force
Levitation Force (mN): Theory 45.72 Lorentz 42.04 Maxwell Str 44.60 Virt Work 44.73
0.21/f1/2 0.044
0.028f1/2 0.088
0.2 工程电磁场课学些什么内容
数学工具：矢量分析与场论
基本原理： 静电场的基本原理 恒定电场的基本原理 恒定磁场的基本原理 时变电磁场的基本原理 分析计算方法： 镜像法、分离变量 有限元法
专题讨论： 电磁场的能量 电磁波 电路参数计算
民用
军工
地磁场、太阳耀斑、磁暴
雷电
汽轮发电机
水轮发电机
变压器
变电站
雷达
电磁波暗室（无反射）
电场脉冲模拟器
开阔地试验
磁悬浮分析
For 1 cm levitation:
Drive:
Current 1320 A Freq 400 kHz
Coil:
Radius 1.0 cm Wire 0.89 mm