淺談電磁場在物理學知識體系中的嵌入

王強

摘 要：工程電磁場”是高校電氣工程專業一門重要的專業基礎課程。本文闡述了電磁場課程特點和地位，針對學生學習電磁場中遇到的問題，為提高教學效果，提出了理論結合實際，并結合電磁場在電氣工程中的應用來提高學生的學習興趣；采用對比總結的方法，構架課程體系，引導學生思考記憶；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，引導學生自主學習，加強教學效果。

關鍵詞：電磁場課程；電氣工程；精品課程；教學效果

一、結合電氣工程相關課程及生產實例講解電磁場的應用

由于電磁場課程數學公式和理論較多，學生感覺很枯燥，而且該課程在電氣工程教學體系中是作為專業基礎課，與物理課程中的電磁學相似，不少學生認為該課程并沒有電氣工程中其他專業課重要，而且看不到電磁場理論可以應用的領域。

事實上，電氣工程分析計算時一般采用集中參數，如電壓、電流等，很少采用微觀上的分布參數，如電場、磁場等來處理。由高等數學中的微積分可知，集中參數實際上是分布參數積分而得。因此，電力系統中的電能從電廠傳送到負荷，實際過程是電能以電磁場的形式沿電力系統各元件傳遞至電器。因此在“電力系統分析”、“電機”和“高電壓技術”等課程的基礎理論分析中經常借助電磁場理論，如變壓器和電機磁場分析、電機中的氣隙磁場波形和轉子電樞反應等概念，以及輸電線路電路參數的建立及輸電線路下方地面附近的電磁場分布規律，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。

結合電氣工程其他專業課來講解電磁場的應用可以讓學生了解學習電磁場的重要性。教師可以結合工程實際如緊湊型輸電線路和同桿雙回線路的電場和磁場計算、跨步電壓等，讓學生了解科研和工作中可能用到的電磁場知識，讓學生有興趣學習，對學習電磁場提高重視。

二、對比總結，形成主線，構架課程體系

學生在學習電磁場過程中應了解電磁場知識的總體結構，學會對比總結，使學習難度降低，方便記憶相關公式和概念，如表1。

在講授過程中應重點講述通量和環量，散度和旋度，點乘和叉乘，因為在表1中的四種場，其基本定理和方程均是以上述概念為基礎。如靜電場中的環路定理和高斯通量定理的積分形式分別涉及環量和通量，而微分形式則分別涉及旋度（叉乘）和散度（點乘）。

在講述各類場的電磁現象和原理時還應把握各種量之間的關系，形成一條主線，以便學生學習和做題時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度、電位移矢量和電位，而基本方程中涉及的也就是電場強度和電位移矢量。在講授時從庫侖定律出發定義電場強度，由電荷計算電場強度公式出發定義電位，從而建立電位和電場強度的關系，也就是靜電場環路定理，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度的關系，涉及散度和散度定理。其他幾種場也可以形成一條主線，建立各物理量的聯系。

在講授過程中還應對比總結。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，這個定理在每種場的基本方程中體現得很充分，應在各個場中總結該定理的應用。

三、結合軟件教學，使概念形象化

學習電磁場的難度還在于電磁場概念非常抽象，因此可以結合matlab、Ansoft Maxwell和Ansys等軟件將場形象化，通過場圖描述場的分布規律。

利用Ansoft maxwell軟件仿真兩個平行圓柱形導體，兩導線間介質為空氣，電位大小相等符號相反，電場分布如圖1，電場強度幅值如圖2。從上面兩個圖中可以清楚看到：導體內部電場強度為0；電場強度矢量線從正電荷出發終止于負電荷；電場強度矢量線之間沒有交點，說明空間上任意一點電場強度大小和方向是唯一的，進一步可以延伸至靜電環路定理，即電場強度沿閉合環路積分為0。

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

四、利用精品課程，加強教學效果

在精品課程中除了課件、每章節知識點、典型例題及考試重難點這幾個模塊外，還應增加參考教材及相關讀物、電磁場課程結構及與其他課程間的聯系、工程實踐應用、軟件應用、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，以適合不同層次學生學習的需要。可以適當增加一些相關電磁場實驗的故事，不僅可以提高學生學習積極性，也可以使學生領會做科研做實驗的艱苦和樂趣。工程實踐應用可以采用500KV雙回輸電線路電場和磁場環境仿真、高海拔500KV緊湊型輸電線電場仿真分析及與常規線路的對比等命題，給出研究背景、研究方法、步驟及結果，增加學生對電磁場學習的興趣，使學得的知識得以應用。自我測試模塊可以采用在線檢測，這可以彌補傳統課堂布置作業帶來的一些問題，如教師批改作業不及時。學生可以利用在線檢測，及時得到正確答案、解題思路和步驟。在這一模塊中也可以設置教師批改作業并給出相應修正，這應視內容而定。

五、結語

工程電磁場課程在電類學科中具有較重要的地位，而學生學習該課程又遇到很多問題，如何解決學生的問題，提高該課程的教學效果值得探索和實踐。本文圍繞學生遇到的問題及課程特點，從電磁場在電氣學科中的應用、對比總結形成主線、軟件仿真教學及精品課程建設四個方面進行了初步的探索，旨在提高學生的興趣和積極性，降低學習難度，引導自主學習，達到提高電磁場教學效果的目的。

參考文獻：

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