论文部分内容阅读
摘要:通过对“电磁场理论”教学方法的探讨,从多角度分析本课程各章节内容的衔接及与本课程其他相关专业、知识的联系,寻求比较适合电气工程及其自动化专业学生的电磁场理论教学方法,以培养学生使用基于场的观点对电气工程领域中电磁现象、电磁过程及电磁规律进行定性与判断的初步能力,并使其掌握对典型工程电磁场问题进行定量分析的基本技能。
关键词:电磁场;教学方法;电磁现象;电磁过程;电磁规律
作者简介:鲁改凤(1963-),女,河南宜阳人,华北水利水电学院电力学院,副教授,主要研究方向:电力系统安全运行与保护、电磁场教学、研究及电力设计。(河南 郑州 450011)
“电磁场理论”课程是华北水利水电学院电气工程及其自动化专业的一门重要的专业基础课程。它所涉及的内容是电气类各专业学生应具备的知识结构的必要组成部分,同时又是一些交叉领域学科和新兴边缘学科发展的基础。该课程以分析各类电磁场现象、基本规律及其工程原理与方法为主线,旨在培养学生使用基于场的观点对电气工程领域中电磁现象、电磁过程及电磁规律进行定性与判断的初步能力,并使其掌握对典型工程电磁场问题进行定量分析的基本技能。此外,通过本课程与数学、物理紧密关联的电磁场理论的逻辑推理学习,进一步培养学生正确的思维方法和严谨的科学态度,增强学生的适应能力与创造能力。
电磁场理论是在物理电磁学的基础上,利用矢量与场论的数学工具,进一步研究宏观电磁现象和电磁过程的基本规律及其计算方法的理论。在一切与电磁效应相关的领域中,电磁理论是理解近代技术和发展高新技术必不可少的知识本源。在教学中贯穿数学建模的思想,将矢量分析与场论作为最重要的数学工具,为复杂现象提供紧凑的数学描述,便于直观想象和运算变换。
由于本课程涉及前期大学物理的电磁学部分、高等数学、电路、线性代数、矢量分析与场论等课程中的理论知识较多,又对后续的电机学、电机与拖动、电力系统分析、高电压技术、发电厂电气部分、继电保护等课程中的基本理论有较紧密的联系。这对担任本课程教学的教师提出了较高的要求,即一方面需要有较好的物理、数学及电路知识;另一方面需要有比较全面的专业知识。同时,又需要对电力系统的工程实际有较广泛的了解。因此本课程的教学相对而言比较不易。
在教学中,笔者注意到应从以下几方面对学生进行引导。
一、教学应注重循序渐进
由于本课程涉及数学及矢量、场论的内容较多,为了便于以后各章节公式的推导,在课程教学中首先对这部分内容进行回顾,使学生对在学习中将要用到的重要公式有一个先期的了解。如矢量分析、矢量场的通量及环量、散度定理、斯托克斯定理等内容。
各章节的教学,采用从易到难、从静态场到时变场、从电场到磁场再到电磁场、从三维空间到四维空间的循序渐进的教学顺序。从较为容易掌握的静电场理论开始进行研究,这一章节的教学应注意对各种情况进行详细地分析,其中包含对基本方程、分界面上衔接条件、边值问题等理论的推导;分析方法处理;静电能量与力的分析等。为后续各章节的教学打下一个比较好的基础。
后续各章节的教学,应注意与静电场一章的理论进行比较。从静止电荷产生的静电场到研究运动的驻定电荷产生的恒定电场,然后研究电流引入的恒定磁场,接着进行电与磁结合的时变电磁场分析,以及对时变电磁场中比较特殊的、与实际结合较密切的准静态电磁场进行讲解。同时,从时变电磁场的分析,可以推测电磁波的产生。从而逐步进行知识的扩充,使课程知识具有连贯性,学生也比较容易掌握。
二、学习电磁学的科学发展史
引导学生掌握认识客观世界的正确方法,即自然辨证法,要系统科学地学习电磁学的发展史。在对时变电磁场麦克斯韦方程组的教学中,注意从历史发展的角度介绍麦克斯韦四个方程组的研究进程。首先从麦氏第二方程即电磁感应定律进行研究,对定律的形成、感应电动势形式和感应电场的引入进行分析。然后研究麦氏第一方程即全电流定律,引入随时间变化的电场所产生的位移电流的假设。在此基础上提出一套偏微分方程来表达电磁现象的基本规律,即麦克斯韦方程组,这就是经典电磁学的基本方程。
在麦克斯韦方程组的推论过程中,一方面,把电磁感应定律由导体回路推广到媒质中的假想回路,把感应电场推广到总电场而建立磁场与电场的关系,从而揭示变化磁场产生电场。另一方面,解决了安培环路定理与时变场中电荷守恒原理的矛盾,说明时变电场和时变磁场互为旋源,因此,形成了电激励磁,磁激励电的循环,从而揭示电磁波的存在。揭示了电和磁现象是不可分割地联系在一起的,电场与磁场相互影响、相互耦合,构成统一的电磁场。
麦克斯韦方程组,是电磁场理论课程研究的核心。在时变场麦克斯韦方程组的形成过程中,英国物理学家法拉第、俄国物理学家楞次、德国数学家冯·诺依曼、英国数学家麦克斯韦均做出了巨大的贡献。学习电磁学的发展史也可以使学生了解到电磁场理论是物理与数学结合的产物,物理概念用数学语言表达出来具有完美性和精炼性,以及各学科之间具有相关性。
三、把握章节的相关性
在教学中,注意各章节内容的相关性。各章内容均介绍两组基本的微分方程及积分方程、分界面上衔接条件和边值问题等。微分方程及积分方程均从通量及环量、散度及旋度[1]的角度进行分析;分界面上衔接条件为基本方程在分界面上的应用;边值问题则为电场泛生的电位、磁场泛生的磁矢位的表达式。这样分析,学生比较容易理解,讲解也比较容易。
在电场与磁场的对应讲解中,注意对电场的标量积与磁场的矢量积、电荷密度与电流密度、电场泛生的标量电位与磁场泛生的矢量磁矢位、电偶极子与磁偶极子、电荷论与磁荷论、场与源之间的关系等方面进行对应讲解,这样有助于学生加深记忆,教学效果相对较好。
在时变电磁场的研究中,我们可以通过麦克斯韦方程组来分析其特殊场。如在没有时间变化的情况下,可以得到静态场;在电场的二次源忽略、电场对磁场影响的二次源不可忽略的情况下,可以得到电准静态场;在磁场的二次源忽略、磁场对电场影响的二次源不可忽略的情况下,可以得到磁准静态场。在特殊场的求解中,可发现均消失的原时变电磁场的波动性。用麦克斯韦方程组可以把我们所学的各章节内容有机地结合在一起,分析起来比较容易。
四、电磁场在工程中的应用和相关规范
作为电气工程及其自动化专业的专业基础课,本课程不仅与后续专业课程的关系紧密,而且对解释一些电力系统中的电磁现象也发挥了重要的作用。由于笔者一直从事本专业相关专业课程的教学,又在设计行业工作过多年,具备一定的电力系统的实际经验,因此对电磁场在工程中的实际应用有较深的理解。我认为在教学中应注意告诉学生:容易受电磁影响的元件及材料、可能发生电磁现象的场所、电磁场在现实中的应用及预防、电磁场现象分析的结果与我国电力系统及电气专业方面的规范的统一等。
在分析接地电阻时,我们通过计算可知深埋接地极比浅埋接地极时的接地电阻小一倍,接地效果好,这与我国《建筑物防雷设计规范》第4.3.4条规定的“接地体埋于较深的低电阻率土壤中”[2]的要求相一致。在分析计算跨步电压时,可得到在距接地极中心3m远处的跨步电压已减少到人体可以承受的电压值的结论,这也与我国《建筑物防雷设计规范》第4.3.5条规定的“防直击雷的人工接地体距建筑物出入口或人行道不应小于3m,[2]当小于3m时应采取其它措施”的要求相一致。同时,我们在实际工作中,也会采取一些安全措施来阻断跨步电压造成的电流流经人体的通过途径。如雷雨天气若需经过接地极附近时,采取穿绝缘鞋、碎步走、跳着走等措施,均是为了减小跨步电压的危害。在分析准静态场的过程中,应把一些工程中与此部分联系密切的利用或预防的实例告诉学生,以期达到学以致用的目的。通过具体的实例讲解及专业理论的推导,既能活跃课堂气氛,使枯燥的物理、数学推导形象化,又能激发学生学习和探索的兴趣。
五、结论
以上为笔者在电磁场理论教学中的一点体会,本课程涉及的基础学科较多,对教师的专业课程知识的要求较高,同时需要教师密切结合实际进行分析。教学过程的每一步都需要我们认真对待,注意积累专业知识与实际经验,平时注意补充各方面的知识,在教学中随时涉猎其他专业的知识。以期使学生在电磁场领域的思维角度开阔一些,思维触角深入一些,能够掌握宏观电磁场的基本性质及基本规律,能应用场的观点对电力工程中的电磁现象和电磁过程进行初步分析。
参考文献:
[1]冯慈璋,马西奎.工程电磁场导论[M].北京:高等教育出版社,2000.
[2]GB50057-1994,建筑物防雷设计规范(2000年版)[Z].
(责任编辑:苏宇嵬)
关键词:电磁场;教学方法;电磁现象;电磁过程;电磁规律
作者简介:鲁改凤(1963-),女,河南宜阳人,华北水利水电学院电力学院,副教授,主要研究方向:电力系统安全运行与保护、电磁场教学、研究及电力设计。(河南 郑州 450011)
“电磁场理论”课程是华北水利水电学院电气工程及其自动化专业的一门重要的专业基础课程。它所涉及的内容是电气类各专业学生应具备的知识结构的必要组成部分,同时又是一些交叉领域学科和新兴边缘学科发展的基础。该课程以分析各类电磁场现象、基本规律及其工程原理与方法为主线,旨在培养学生使用基于场的观点对电气工程领域中电磁现象、电磁过程及电磁规律进行定性与判断的初步能力,并使其掌握对典型工程电磁场问题进行定量分析的基本技能。此外,通过本课程与数学、物理紧密关联的电磁场理论的逻辑推理学习,进一步培养学生正确的思维方法和严谨的科学态度,增强学生的适应能力与创造能力。
电磁场理论是在物理电磁学的基础上,利用矢量与场论的数学工具,进一步研究宏观电磁现象和电磁过程的基本规律及其计算方法的理论。在一切与电磁效应相关的领域中,电磁理论是理解近代技术和发展高新技术必不可少的知识本源。在教学中贯穿数学建模的思想,将矢量分析与场论作为最重要的数学工具,为复杂现象提供紧凑的数学描述,便于直观想象和运算变换。
由于本课程涉及前期大学物理的电磁学部分、高等数学、电路、线性代数、矢量分析与场论等课程中的理论知识较多,又对后续的电机学、电机与拖动、电力系统分析、高电压技术、发电厂电气部分、继电保护等课程中的基本理论有较紧密的联系。这对担任本课程教学的教师提出了较高的要求,即一方面需要有较好的物理、数学及电路知识;另一方面需要有比较全面的专业知识。同时,又需要对电力系统的工程实际有较广泛的了解。因此本课程的教学相对而言比较不易。
在教学中,笔者注意到应从以下几方面对学生进行引导。
一、教学应注重循序渐进
由于本课程涉及数学及矢量、场论的内容较多,为了便于以后各章节公式的推导,在课程教学中首先对这部分内容进行回顾,使学生对在学习中将要用到的重要公式有一个先期的了解。如矢量分析、矢量场的通量及环量、散度定理、斯托克斯定理等内容。
各章节的教学,采用从易到难、从静态场到时变场、从电场到磁场再到电磁场、从三维空间到四维空间的循序渐进的教学顺序。从较为容易掌握的静电场理论开始进行研究,这一章节的教学应注意对各种情况进行详细地分析,其中包含对基本方程、分界面上衔接条件、边值问题等理论的推导;分析方法处理;静电能量与力的分析等。为后续各章节的教学打下一个比较好的基础。
后续各章节的教学,应注意与静电场一章的理论进行比较。从静止电荷产生的静电场到研究运动的驻定电荷产生的恒定电场,然后研究电流引入的恒定磁场,接着进行电与磁结合的时变电磁场分析,以及对时变电磁场中比较特殊的、与实际结合较密切的准静态电磁场进行讲解。同时,从时变电磁场的分析,可以推测电磁波的产生。从而逐步进行知识的扩充,使课程知识具有连贯性,学生也比较容易掌握。
二、学习电磁学的科学发展史
引导学生掌握认识客观世界的正确方法,即自然辨证法,要系统科学地学习电磁学的发展史。在对时变电磁场麦克斯韦方程组的教学中,注意从历史发展的角度介绍麦克斯韦四个方程组的研究进程。首先从麦氏第二方程即电磁感应定律进行研究,对定律的形成、感应电动势形式和感应电场的引入进行分析。然后研究麦氏第一方程即全电流定律,引入随时间变化的电场所产生的位移电流的假设。在此基础上提出一套偏微分方程来表达电磁现象的基本规律,即麦克斯韦方程组,这就是经典电磁学的基本方程。
在麦克斯韦方程组的推论过程中,一方面,把电磁感应定律由导体回路推广到媒质中的假想回路,把感应电场推广到总电场而建立磁场与电场的关系,从而揭示变化磁场产生电场。另一方面,解决了安培环路定理与时变场中电荷守恒原理的矛盾,说明时变电场和时变磁场互为旋源,因此,形成了电激励磁,磁激励电的循环,从而揭示电磁波的存在。揭示了电和磁现象是不可分割地联系在一起的,电场与磁场相互影响、相互耦合,构成统一的电磁场。
麦克斯韦方程组,是电磁场理论课程研究的核心。在时变场麦克斯韦方程组的形成过程中,英国物理学家法拉第、俄国物理学家楞次、德国数学家冯·诺依曼、英国数学家麦克斯韦均做出了巨大的贡献。学习电磁学的发展史也可以使学生了解到电磁场理论是物理与数学结合的产物,物理概念用数学语言表达出来具有完美性和精炼性,以及各学科之间具有相关性。
三、把握章节的相关性
在教学中,注意各章节内容的相关性。各章内容均介绍两组基本的微分方程及积分方程、分界面上衔接条件和边值问题等。微分方程及积分方程均从通量及环量、散度及旋度[1]的角度进行分析;分界面上衔接条件为基本方程在分界面上的应用;边值问题则为电场泛生的电位、磁场泛生的磁矢位的表达式。这样分析,学生比较容易理解,讲解也比较容易。
在电场与磁场的对应讲解中,注意对电场的标量积与磁场的矢量积、电荷密度与电流密度、电场泛生的标量电位与磁场泛生的矢量磁矢位、电偶极子与磁偶极子、电荷论与磁荷论、场与源之间的关系等方面进行对应讲解,这样有助于学生加深记忆,教学效果相对较好。
在时变电磁场的研究中,我们可以通过麦克斯韦方程组来分析其特殊场。如在没有时间变化的情况下,可以得到静态场;在电场的二次源忽略、电场对磁场影响的二次源不可忽略的情况下,可以得到电准静态场;在磁场的二次源忽略、磁场对电场影响的二次源不可忽略的情况下,可以得到磁准静态场。在特殊场的求解中,可发现均消失的原时变电磁场的波动性。用麦克斯韦方程组可以把我们所学的各章节内容有机地结合在一起,分析起来比较容易。
四、电磁场在工程中的应用和相关规范
作为电气工程及其自动化专业的专业基础课,本课程不仅与后续专业课程的关系紧密,而且对解释一些电力系统中的电磁现象也发挥了重要的作用。由于笔者一直从事本专业相关专业课程的教学,又在设计行业工作过多年,具备一定的电力系统的实际经验,因此对电磁场在工程中的实际应用有较深的理解。我认为在教学中应注意告诉学生:容易受电磁影响的元件及材料、可能发生电磁现象的场所、电磁场在现实中的应用及预防、电磁场现象分析的结果与我国电力系统及电气专业方面的规范的统一等。
在分析接地电阻时,我们通过计算可知深埋接地极比浅埋接地极时的接地电阻小一倍,接地效果好,这与我国《建筑物防雷设计规范》第4.3.4条规定的“接地体埋于较深的低电阻率土壤中”[2]的要求相一致。在分析计算跨步电压时,可得到在距接地极中心3m远处的跨步电压已减少到人体可以承受的电压值的结论,这也与我国《建筑物防雷设计规范》第4.3.5条规定的“防直击雷的人工接地体距建筑物出入口或人行道不应小于3m,[2]当小于3m时应采取其它措施”的要求相一致。同时,我们在实际工作中,也会采取一些安全措施来阻断跨步电压造成的电流流经人体的通过途径。如雷雨天气若需经过接地极附近时,采取穿绝缘鞋、碎步走、跳着走等措施,均是为了减小跨步电压的危害。在分析准静态场的过程中,应把一些工程中与此部分联系密切的利用或预防的实例告诉学生,以期达到学以致用的目的。通过具体的实例讲解及专业理论的推导,既能活跃课堂气氛,使枯燥的物理、数学推导形象化,又能激发学生学习和探索的兴趣。
五、结论
以上为笔者在电磁场理论教学中的一点体会,本课程涉及的基础学科较多,对教师的专业课程知识的要求较高,同时需要教师密切结合实际进行分析。教学过程的每一步都需要我们认真对待,注意积累专业知识与实际经验,平时注意补充各方面的知识,在教学中随时涉猎其他专业的知识。以期使学生在电磁场领域的思维角度开阔一些,思维触角深入一些,能够掌握宏观电磁场的基本性质及基本规律,能应用场的观点对电力工程中的电磁现象和电磁过程进行初步分析。
参考文献:
[1]冯慈璋,马西奎.工程电磁场导论[M].北京:高等教育出版社,2000.
[2]GB50057-1994,建筑物防雷设计规范(2000年版)[Z].
(责任编辑:苏宇嵬)