淺談電磁場在物理學(xué)知識(shí)體系中的嵌入

王強(qiáng)

摘 要：工程電磁場”是高校電氣工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。本文闡述了電磁場課程特點(diǎn)和地位，針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)電磁場中遇到的問題，為提高教學(xué)效果，提出了理論結(jié)合實(shí)際，并結(jié)合電磁場在電氣工程中的應(yīng)用來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；采用對(duì)比總結(jié)的方法，構(gòu)架課程體系，引導(dǎo)學(xué)生思考記憶；采用matlab和Ansys等軟件，使電磁場理論形象化、直觀化；充分利用精品課程，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，加強(qiáng)教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：電磁場課程；電氣工程；精品課程；教學(xué)效果

一、結(jié)合電氣工程相關(guān)課程及生產(chǎn)實(shí)例講解電磁場的應(yīng)用

由于電磁場課程數(shù)學(xué)公式和理論較多，學(xué)生感覺很枯燥，而且該課程在電氣工程教學(xué)體系中是作為專業(yè)基礎(chǔ)課，與物理課程中的電磁學(xué)相似，不少學(xué)生認(rèn)為該課程并沒有電氣工程中其他專業(yè)課重要，而且看不到電磁場理論可以應(yīng)用的領(lǐng)域。

事實(shí)上，電氣工程分析計(jì)算時(shí)一般采用集中參數(shù)，如電壓、電流等，很少采用微觀上的分布參數(shù)，如電場、磁場等來處理。由高等數(shù)學(xué)中的微積分可知，集中參數(shù)實(shí)際上是分布參數(shù)積分而得。因此，電力系統(tǒng)中的電能從電廠傳送到負(fù)荷，實(shí)際過程是電能以電磁場的形式沿電力系統(tǒng)各元件傳遞至電器。因此在“電力系統(tǒng)分析”、“電機(jī)”和“高電壓技術(shù)”等課程的基礎(chǔ)理論分析中經(jīng)常借助電磁場理論，如變壓器和電機(jī)磁場分析、電機(jī)中的氣隙磁場波形和轉(zhuǎn)子電樞反應(yīng)等概念，以及輸電線路電路參數(shù)的建立及輸電線路下方地面附近的電磁場分布規(guī)律，其中分析輸電線路的零序阻抗和電納就是采用電磁場的鏡像法。

結(jié)合電氣工程其他專業(yè)課來講解電磁場的應(yīng)用可以讓學(xué)生了解學(xué)習(xí)電磁場的重要性。教師可以結(jié)合工程實(shí)際如緊湊型輸電線路和同桿雙回線路的電場和磁場計(jì)算、跨步電壓等，讓學(xué)生了解科研和工作中可能用到的電磁場知識(shí)，讓學(xué)生有興趣學(xué)習(xí)，對(duì)學(xué)習(xí)電磁場提高重視。

二、對(duì)比總結(jié)，形成主線，構(gòu)架課程體系

學(xué)生在學(xué)習(xí)電磁場過程中應(yīng)了解電磁場知識(shí)的總體結(jié)構(gòu)，學(xué)會(huì)對(duì)比總結(jié)，使學(xué)習(xí)難度降低，方便記憶相關(guān)公式和概念，如表1。

在講授過程中應(yīng)重點(diǎn)講述通量和環(huán)量，散度和旋度，點(diǎn)乘和叉乘，因?yàn)樵诒?中的四種場，其基本定理和方程均是以上述概念為基礎(chǔ)。如靜電場中的環(huán)路定理和高斯通量定理的積分形式分別涉及環(huán)量和通量，而微分形式則分別涉及旋度（叉乘）和散度（點(diǎn)乘）。

在講述各類場的電磁現(xiàn)象和原理時(shí)還應(yīng)把握各種量之間的關(guān)系，形成一條主線，以便學(xué)生學(xué)習(xí)和做題時(shí)能方便記憶和著手做題。如靜電場中描述場的物理量主要是電場強(qiáng)度、電位移矢量和電位，而基本方程中涉及的也就是電場強(qiáng)度和電位移矢量。在講授時(shí)從庫侖定律出發(fā)定義電場強(qiáng)度，由電荷計(jì)算電場強(qiáng)度公式出發(fā)定義電位，從而建立電位和電場強(qiáng)度的關(guān)系，也就是靜電場環(huán)路定理，其中涉及旋度和斯托克斯定理。高斯通量定理則建立電荷分布與電場強(qiáng)度的關(guān)系，涉及散度和散度定理。其他幾種場也可以形成一條主線，建立各物理量的聯(lián)系。

在講授過程中還應(yīng)對(duì)比總結(jié)。如亥姆霍茲定理即矢量場的分布特性主要由其散度和旋度決定，這個(gè)定理在每種場的基本方程中體現(xiàn)得很充分，應(yīng)在各個(gè)場中總結(jié)該定理的應(yīng)用。

三、結(jié)合軟件教學(xué)，使概念形象化

學(xué)習(xí)電磁場的難度還在于電磁場概念非常抽象，因此可以結(jié)合matlab、Ansoft Maxwell和Ansys等軟件將場形象化，通過場圖描述場的分布規(guī)律。

利用Ansoft maxwell軟件仿真兩個(gè)平行圓柱形導(dǎo)體，兩導(dǎo)線間介質(zhì)為空氣，電位大小相等符號(hào)相反，電場分布如圖1，電場強(qiáng)度幅值如圖2。從上面兩個(gè)圖中可以清楚看到：導(dǎo)體內(nèi)部電場強(qiáng)度為0；電場強(qiáng)度矢量線從正電荷出發(fā)終止于負(fù)電荷；電場強(qiáng)度矢量線之間沒有交點(diǎn)，說明空間上任意一點(diǎn)電場強(qiáng)度大小和方向是唯一的，進(jìn)一步可以延伸至靜電環(huán)路定理，即電場強(qiáng)度沿閉合環(huán)路積分為0。

除了Ansoft Maxwell軟件，也可以利用matlab軟件對(duì)電磁場分布仿真、進(jìn)行公式推導(dǎo)和三維視圖仿真。在科研中有限元軟件Ansys在輸電線路電磁場環(huán)境仿真中也用得較多。這些電磁場仿真軟件對(duì)于分析電磁場和波的問題非常簡便實(shí)用，能將抽象不可見的問題形象化，這在教學(xué)和科研中都有很重要的意義。

四、利用精品課程，加強(qiáng)教學(xué)效果

在精品課程中除了課件、每章節(jié)知識(shí)點(diǎn)、典型例題及考試重難點(diǎn)這幾個(gè)模塊外，還應(yīng)增加參考教材及相關(guān)讀物、電磁場課程結(jié)構(gòu)及與其他課程間的聯(lián)系、工程實(shí)踐應(yīng)用、軟件應(yīng)用、自我測試等模塊。

參考教材及讀物可以列出中外著名教材清單，以適合不同層次學(xué)生學(xué)習(xí)的需要?？梢赃m當(dāng)增加一些相關(guān)電磁場實(shí)驗(yàn)的故事，不僅可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，也可以使學(xué)生領(lǐng)會(huì)做科研做實(shí)驗(yàn)的艱苦和樂趣。工程實(shí)踐應(yīng)用可以采用500KV雙回輸電線路電場和磁場環(huán)境仿真、高海拔500KV緊湊型輸電線電場仿真分析及與常規(guī)線路的對(duì)比等命題，給出研究背景、研究方法、步驟及結(jié)果，增加學(xué)生對(duì)電磁場學(xué)習(xí)的興趣，使學(xué)得的知識(shí)得以應(yīng)用。自我測試模塊可以采用在線檢測，這可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂布置作業(yè)帶來的一些問題，如教師批改作業(yè)不及時(shí)。學(xué)生可以利用在線檢測，及時(shí)得到正確答案、解題思路和步驟。在這一模塊中也可以設(shè)置教師批改作業(yè)并給出相應(yīng)修正，這應(yīng)視內(nèi)容而定。

五、結(jié)語

工程電磁場課程在電類學(xué)科中具有較重要的地位，而學(xué)生學(xué)習(xí)該課程又遇到很多問題，如何解決學(xué)生的問題，提高該課程的教學(xué)效果值得探索和實(shí)踐。本文圍繞學(xué)生遇到的問題及課程特點(diǎn)，從電磁場在電氣學(xué)科中的應(yīng)用、對(duì)比總結(jié)形成主線、軟件仿真教學(xué)及精品課程建設(shè)四個(gè)方面進(jìn)行了初步的探索，旨在提高學(xué)生的興趣和積極性，降低學(xué)習(xí)難度，引導(dǎo)自主學(xué)習(xí)，達(dá)到提高電磁場教學(xué)效果的目的。

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