电磁学论文范文1
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。
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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．
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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.
电磁学论文范文4
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；
电磁学论文范文5
关键词：新型电机；电力学体系；电力学熵；玻尔兹曼定义
中图分类号：TN86 文献标识码：A
1820年，丹麦物理学家奥斯特发现电流具有磁效应，展开了电磁学的研究。1821年安培提出分子电流假设，提出了电动力学。1831年英国物理学家法拉第发现电磁感应，并用它设计制造了人类第一个发电机。1873年麦克斯韦在著作《电磁学通论》中提出麦克斯韦方程组，基本完善了近代电磁学的理论体系。20世纪50年代末，人们开始研究磁流体发电。磁流体发电利用磁场实现能量转化，达到高功率、低污染的效果。本文将从磁流体发电机开始，逐渐深入探讨电力学体系，类比热力学体系，提出能够研究新型电机甚至深化电磁学理论研究的理论体系，电力学熵的概念，对一些电磁学现象进行讨论，为设计新型电机打下基础，并为电磁学理论研究提供新的思路。
一、磁流体发电机
磁流体发电机将带电的流体（离子气体或液体）以极高的速度喷射到磁场中，正负电荷受到洛伦兹力发生相对运动，利用极板收集在磁场中相对运动的正负电荷，通过电荷积累在正负极产生电势差，从而起到发电作用。
磁流体发电机极板间饱和电压研究：不同于多数文献中的推导过程，下面的推导考虑了更实际的情况，得出不同于其他文献中U=Bvd的结果。
考虑到极板间距较小，磁感应强度较大，磁流体流速大等因素，稳定运行时单位时间内输入电荷量视为定值，等效于输入恒定电流I，设i为外电路电流，q为极板电荷，c为极板电容，u为路端电压，R为外电路等效电阻，于是由电荷守恒列出极板电荷微分方程：
由基尔霍夫第二定律（KVL）可知极板间电势差=路端电压u，由一段含源电路欧姆定律可知
于是上式可化为：
显然上式是个一阶线性齐次常系数微分方程由于u、i、q都是关于时间t的函数，采用分离变量法对方程求解并代入初值i=0，t=0可以得到：
饱和电压即为
umax=IR（无限接近）
基于下文内容，新的推导结果能够支持磁流体发电机和普通发电机的稳定状态是等效的。当然，这种新型电机与传统电机也不尽相同，由于引入了电场、磁场，一些相关指标的计算和理论问题的处理不能只用电路知识解决，我们需要构建新的理论体系来研究包含场与电荷体系的新型电机。
二、对比热力学体系建立新的电力学系统
人们曾利用热力学定律研究、设计制造了一系列实用的热机，我们也可以仿照热力学体系利用已有的电磁学定律，建立一个新的电力学体系：
第零定律：等势体、稳恒电路中没有电荷交换。由稳恒条件下电流密度与时间无关得稳恒电流连续性方程可证。
第一定律：能量守恒。采用电动力学中已有的能量守恒定律表述形式：由坡印廷定理和Maxwell方程中的两式：
联立，可以得到场和电荷系统能量守恒定律表示式，其微分形式和积分形式分别为：
第二定律：电荷（正）在自况下只从电势高处移向势低处。
第三定律：热力学第三定律阐述了熵增加原理及完美晶体熵为零的结论，那么不妨假设电力学中也存在熵增加原理。当然这里的熵不是已有的热力学熵，我们不妨称为电力学熵，简称电熵，符号暂定为SE。对于绝电体系（与外界无电荷交换），dq=0，因此熵变恒为零。对于具体熵值的确定，请参看后文的电力学熵的玻尔兹曼定义。
以上3条定律构建了新电力学体系的框架，可以作为电磁学理论研究的新思路。
三、电力学熵
下面我们对定律中最重要的物理量――电熵进行讨论。
1.电熵的定义（微分形式）：设系统的电荷量为q，平均电势为Φ，则
2.电熵的物理意义：判断电学过程的自发性，或者说是否对外界造成影响。
描述场与电荷体系能够做功的程度。类似于温度升高，不能做功的能量增加；电势升高，可以做功的静电能增加。
反映电荷分布的混乱程度。不同于中性分子，电荷在导体上均匀分布时更为秩序，因为电荷分布受导体自身物理性质影响，如导体表面曲率。
3.计算：利用带电体系静电能微分方程dE=Φdq，可得Φ2dSE=-dE可见静电能自发地耗散导致电熵增加，符合实际。上文定义的电熵同克劳修斯熵一样只适用于平衡体系，因此有关电熵的计算要借助坡印廷定理及后文中的玻尔兹曼定义。但上述变换技巧是具有广泛意义的，甚至可以应用于微观，因为后文将体现Φ2具有特殊意义。
四、实际问题
电场力做功：假设在真空中有一对孤立的充满电的理想极板，让带电粒子横向通过，粒子将会受到电场力的作用发生偏转并被加速，消耗了电场的能量。由电容器静电能公式
可知，能够维持板间电压的有效电荷减少了，这是电荷分布改变导致的。电荷向边缘集中加剧边缘效应，导致了能量的损失。
当将上述极板接如电路维持其电压恒定时，外源提供的能量既要供给电场力做功，又要维持电荷分布，其值应大于粒子增加的动能。电动力学已经证明，这个值是静电场做功的2倍。
由于该系统能够做功程度下降，可知电熵增加，便捷的解释了上述现象。
磁流体发电机：从对磁流体发电机启动过程的讨论，我们看到磁流体发电机能够输出稳定电流是有理论依据的，电动力学指出电路中的电能都是由运动的电磁场传输的。从电熵角度看，磁流体发电机启动时由于外电路电流趋于与输入电流相等，即电荷增量趋近于零，电熵趋近于一个定值，说明整个电机趋向于一个稳定状态，类似于传统直流发电机形成的稳恒电路。
上文还提到磁流体发电机与传统电机略有不同，是因为磁流体进入磁场后，在没有能量输入的情况下电熵减小，这意味着磁流体对外界一定造成了其他影响。不妨利用电磁学中的磁荷理论，将其与上一个问题类比，我们可以得出磁荷分布改变的结论。因此要维持匀强磁场的磁感应强度，需要外界提供能量，只是磁场力对外不做功，这解释了磁铁需要“充磁”。
在上述问题中，电熵在定性描述电荷分布上取得了成功，但这种描述很模糊，并且与热力学中的克劳修斯熵类似，它们都只能描述体系的平衡状态，非平衡状态下，定义无法描述熵变，但玻尔兹曼熵的提出使熵的概念在自然科学中被广泛应用，并有学者证明了两种熵是等价的。为了扩大电熵的适用范围，我们尝试赋予电熵玻尔兹曼定义形式。
五、电力学熵的玻尔兹曼定义
在玻尔兹曼孤立系统中从微观角度可以证明克劳修斯熵和玻尔兹曼熵的等价性。由克劳修斯熵的定义以及dQ的微观意义，在玻尔兹曼孤立系统中
进而，利用全微分变换和斯特令公式可以推导出玻尔兹曼熵S=k1nΩ
基于这个思路，我们对电熵定义式做相似的处理，根据玻尔理论中能级的概念，我们认为能级上粒子的电势能与能级能量成正比，于是有
e为粒子平均电荷量，m、n为常数，对比可知，电熵具有玻尔兹曼熵的形式，只是温度T被参量-nΦ2替代，因此电熵与玻尔兹曼熵的形式呈线性关系，所以
SE=k′1nΩ
k′Q为电力学熵的玻尔兹曼常数，其值与玻尔兹曼常数k有关。
综上所述，在玻尔兹曼孤立系统中，我们证明了电力学熵具有玻尔兹曼熵的形式，这意味着电熵是场与电荷系统的状态函数并能反映电荷分布的结论同时得到证明，电力学第三定律得到补充（完美晶体电熵和热力学熵均为0）。我们预期电力学熵与热力学熵一样具有重要意义。再开系中有关电熵形式的问题暂不讨论。
结论
对磁流体发电机的讨论引起了对电力学体系中更深层理论问题的讨论，新的电力学体系能够研究与电场、磁场紧密结合的新型电机，同时利用状态函数电力学熵，可以对电磁学理论进行更深入的研究。电力学熵的基本定义同克劳修斯熵一样具有局限性，而电熵的玻尔兹曼化证明了其能有效反映场与电荷体系的性质，并扩大了其适用范围。电力学熵因此获得了在以后的各种研究中被广泛应用都可能。
电磁学论文范文6
关键词 高等电磁场 数值计算 教学方法
中图分类号：G642.41 文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2017）15-0001-02
一、引言
当前我国通信产业蓬勃发展，呈现出与电子产业融合的趋势。各大通信运营商和设备商对电子科学与技术专业研究生的人才需求量迅速增加，同时也对该专业研究生理论素养和实践能力的要求越来越高。《高等电磁场理论》作为一门重要的理论基础课程，是相关专业研究生高阶课程学习的基础，也是研究生创新研究的理论思想源泉。该课程内容涵盖场论、电磁波传播特性和原理、辐射与散射、谐振以及数值算法等研究方向，其特点是对数学物理方法中偏微分方程求解能力具有较高要求。鉴于该课程强烈的数学物理背景，在教学实践中如何把握理论知识和工程技术的结合与平衡，是一个值得长期研究探讨的问题。
二、教学实践中存在的问题
《高等电磁场理论》这门课程涵盖知识点非常广泛，而且需要学生具备较强的数学物理方法分析能力，在有限的课时内，采用有效的教学方法，才能使学生将各个知识点融会贯通，充分理解，并转化为创新能力。
1.教学内容的衔接
电子科学与技术专业硕士研究生一般都在本科阶段完成了《电磁场与电磁波》和《微波技术基础》两门课程的学习。在进入《高等电磁场理论》课程时，可能会存在学习目标不明确，学习兴趣不足的问题。同时来自非电磁场相关专业的研究生，可能在场论和偏微分方程求解能力方面存在一定欠缺。这些问题都给学生的学习带来困难，影响教学效果。我们需要认真考虑教学内容的衔接，激发学生的W习兴趣，帮助学生完成该课程学习。
《电磁场与电磁波》和《微波技术基础》是工科类高校电子工程、信息工程、通信工程等本科专业学生的必修课程，是电子信息大类专业学生的基础知识部分。在课程定位上，其作为专业基础课，将为后续应用技术课程奠定基础。这两门课程内容主要包含对各类电磁现象和微波技术的初步规律性描述，用到的数学方法主要涉及微积分等基础工具。《高等电磁场理论》作为研究生理论课程，需要引导学生对场论进行详细回顾，建立数学方法解决物理问题的指导思想。对于非电磁场背景的研究生，需要指导学生自主高效完成相关电磁场和数学基础的知识储备学习。教学内容上，不能停留在孤立物理现象的数学描述和解释，需要帮助学生建立完备的知识体系，具备采用数理方法总结普遍性宏观电磁场理论的能力。
2.应用技术的结合
《高等电磁场理论》课程包含唯一性定理、镜像原理和惠更斯原理等重要电磁原理的数学推导学习。不同于本科学习，该课程要求学生不仅能够理解原理内容，而且能够借助数学工具进行相应的理论梳理推导，并分析研究电磁散射和辐射等现象，同时具备转化为实际问题解决能力。为了使学生建立扎实完备的数学体系，同时不陷入纯粹的数学推导，需要结合一定的工程应用技术知识，引导学生利用课程中的研究方法和原理，开展自身研究课题的创新分析。
电子科学与技术专业研究生的研究内容主要包括天线和射频技术研究、高频电路设计研究、微电子技术和计算电磁学算法研究等方向。在掌握基本原理知识的基础上，需要鼓励学生在各自的研究领域基于电磁场原理进行实际问题的分析和解决。例如指导学生基于镜像原理进行定向天线设计，解决基站天线架设问题，以及完成简单边界条件下散射问题的简化，将理论研究与工程创新充分结合。
3.数值方法教学
高等电磁理论中数值方法知识是计算电磁学研究的重要内容。根据教学经验，大部分学生会对其中复杂繁琐的数学推导望而生畏，影响其对数值方法的学习信心建立。数值方法的特点是要将电磁问题数学模型化，然后结合计算机技术进行快速计算处理。各类算法纷繁复杂，特性各异，需要正确合理引导，才能达到预期教学效果。
为了帮助学生深入理解电磁学数值算法核心思想，需要在课堂讲解的基础上，指导学生针对具体的电磁问题进行编程计算，在实践过程中结合电磁场理论，分析各类电磁现象，摸索物理规律。例如针对理想线天线辐射问题，引导学生采用矩量法和有限元法分别进行编程计算，比较两种算法差异和特点，深刻理解算法内核。随着计算电磁学的快速发展，目前业内涌现出大量商业电磁仿真软件，如HFSS、FEKO和CST等。在讲解算法原理的同时，也需要向学生介绍多种商业软件，并培养学生进行工具软件的操作技能。
三、结语
本文针对“高等电磁场理论”课程教学过程中存在的一些问题展开讨论，分别对教学内容的衔接、应用技术的结合和数值方法教学相关内容进行分析，探索以上问题的解决方法，使学生建立充分的学习兴趣和学习信心，掌握理论结合实践的科学方法论，提高该课程的教学效率，保证课程的教学质量，具有一定的参考价值。
参考文献：
[1] 周前能等.《CMOS射频集成电路》课程教学探索[J].素质教育论坛，2016，（8）.
[2] 袁明辉，莫礼东.CAI在《电磁场理论》教学中的应用[J].科技创新导报，2015，（2）：134-135.
