电磁学论文范文

【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1HFSS商业软件设计界面

图2ADS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34G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.

电磁学论文范文篇2

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；

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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.