1、 學(xué) 院：電子信息工程學(xué)院 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 課題一： 1873年，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋出版了巨著A Treatise on Electricity and Magnetism,集中總結(jié)了他的電磁場(chǎng)理論。提出了電磁場(chǎng)方程組，預(yù)言了電磁波的存在，指出了電磁波與光波的同一性。搜索此原文，精讀并撰寫(xiě)學(xué)習(xí)體會(huì)。麥克斯韋于1873年正式出版了集電磁學(xué)理論之大成的巨著一一電磁通論（A Treatise on Electricity and Magnetism）。這是一部系統(tǒng)而完整的電磁學(xué)經(jīng)典著作，又是一部極為優(yōu)秀的電磁學(xué)教科書(shū)。書(shū)中匯總了他過(guò)去電磁學(xué)研究的心得和幾篇論文的主要觀點(diǎn)，全面系統(tǒng)地總結(jié)了前人有

2、關(guān)電磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和研究成果，并給出其理論解釋和數(shù)學(xué)表述，形成一套系統(tǒng)的，更具普遍性和預(yù)言能力的一般性理論，達(dá)到數(shù)理統(tǒng)一的高度。這部著重大意義，完全可以同牛頓的自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理和達(dá)爾文的物種起源相提并論。麥克斯韋方程組在電磁學(xué)中的地位和牛頓定律在力學(xué)中的地位相當(dāng)，堪稱經(jīng)典。其物理概念清新，數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)美，電磁時(shí)空對(duì)稱，邏輯體系嚴(yán)密的特點(diǎn)令無(wú)數(shù)科學(xué)人嘖嘖稱奇。且適用范圍極廣，不僅適用于高速微觀領(lǐng)域，其理論更適用于電學(xué)，電磁學(xué)，光學(xué)等等。從麥克斯韋方程組的建立過(guò)程中，我可以領(lǐng)悟到，麥克斯韋的成功絕非偶然。他的嚴(yán)謹(jǐn)，刻苦，務(wù)實(shí)，堅(jiān)毅，正是科研人員最需要的素質(zhì)。我們也可以從他的科研方法上看到其蘊(yùn)含的豐富

3、的物理思想。如麥克斯韋把電場(chǎng)、磁場(chǎng)、流速場(chǎng)類比，使法拉第的科學(xué)思想數(shù)學(xué)化，為建立電磁場(chǎng)理論過(guò)程跨出了重要的一步。麥克斯韋重視物理實(shí)驗(yàn),善于運(yùn)用數(shù)學(xué)工具分析物理問(wèn)題,善于精確表述科學(xué)思想，善于從實(shí)驗(yàn)出發(fā)，經(jīng)過(guò)敏銳的觀察和思考，應(yīng)用嫻熟的數(shù)學(xué)技巧，經(jīng)過(guò)慎密的分析和推理,大膽提出假設(shè),建立新理論,并使其理論接受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)從而形成系統(tǒng)、完整的理論。由此可見(jiàn)，尋找正確的適用于自己的方法，保持謙遜嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度，務(wù)實(shí)勤奮的科研作風(fēng)，才能在科研路上取得累累碩果。課題二：“場(chǎng)”的概念是哪位科學(xué)家首先提出？（1850，M. Faraday）,搜索資料詳細(xì)敘述。“力線”和“場(chǎng)”概念的提出2000多年前,人們就發(fā)現(xiàn)

4、了帶電體之間、磁石之間具有相互作用。對(duì)于這種現(xiàn)象，歷代的科學(xué)家都提出了不同的看法和解釋。有的認(rèn)為是超距的瞬時(shí)作用，有的則認(rèn)為是供助于中介空間的近距離作用。由于人們看到的只是物體之間的排斥和吸引，至于帶電體和磁石周?chē)烤故鞘裁矗瓤床灰?jiàn)，也摸不著，只能是一種推測(cè)。在很長(zhǎng)一段時(shí)間里,電磁相互作用的超距觀點(diǎn)在物理學(xué)中占統(tǒng)治地位，不少學(xué)者都用超距的瞬時(shí)作用描述電磁現(xiàn)象。然而法拉第卻與眾不同，他不僅是超距作用的判逆者，而且在實(shí)驗(yàn)和理性思維相結(jié)合的基礎(chǔ)上提出了“力線”和“場(chǎng)”的思想。1821年法拉第關(guān)于載流導(dǎo)線繞磁極轉(zhuǎn)動(dòng)的研究，使他認(rèn)識(shí)到：磁力是圓形力，圓形力是簡(jiǎn)單的，且能用于電磁現(xiàn)象的解釋。他還認(rèn)為載流

5、導(dǎo)線周?chē)囟ù嬖谥撤N“張力”狀態(tài)，這種張力是可以通過(guò)媒介傳遞的近距作用，這里已初步包含了“力線”和“場(chǎng)”概念的胚種。電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，使“力線”概念成了法拉第思想的核心.1831年11月24日，法拉第在向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)宣讀電磁感應(yīng)的論文中首次使用“磁力線”這個(gè)詞。他稱磁力線是這樣一些曲線，“它們能用鐵屑描繪出來(lái)，或者對(duì)于它們來(lái)說(shuō),一根小磁針將構(gòu)成一條切線。”以后他在實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常地、大量地用鐵屑顯示磁力線，并把它作為思考問(wèn)題的工具.隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展,法拉第對(duì)磁力線的概念認(rèn)識(shí)也逐步深入.1832年3月26日，他在日記中寫(xiě)到,與磁力線類似,在帶電體之間有“電力線”。1837年他在研究介質(zhì)如何影響電力時(shí)

6、發(fā)現(xiàn)，用一塊絕緣材料隔開(kāi)的兩個(gè)導(dǎo)體板組成的電容器，比由真空隔開(kāi)的電容器能夠容納更多的電荷量，而板間所夾的物質(zhì)不同，電容器容納的電量也不同。為了解釋這種現(xiàn)象，他假設(shè)介質(zhì)中的分子產(chǎn)生了某種極化狀態(tài)，兩金屬板上的電荷是借助于板間電介質(zhì)內(nèi)相互鄰近的極化分子的作用逐點(diǎn)傳遞過(guò)去的，他把介質(zhì)分子的這種極化狀態(tài)推廣到真空中的以太粒子的形變上，這種形變是沿著曲線傳播的,由此明確地引入了“電力線”的概念.上述工作使法拉第堅(jiān)信,電和磁的作用不是沒(méi)有中介地從一個(gè)物體傳到另一個(gè)物體。他設(shè)想在磁體、載流導(dǎo)體、帶電體的周?chē)臻g存在著某種由磁和電產(chǎn)生的像以太那樣的連續(xù)介質(zhì)，起著傳遞磁力和電力的媒介作用，這實(shí)際上是“場(chǎng)”概念的

7、萌芽。1845年他第一次使用了“磁場(chǎng)”這個(gè)詞，兩年后他又單獨(dú)使用“場(chǎng)”這個(gè)詞，這是物理學(xué)中第一次提出的作為近距作用的“場(chǎng)”的概念。法拉第不僅提出了場(chǎng)的物理概念，而且還深刻地提出了電磁作用傳播的思想，指出電磁作用的傳播是需要時(shí)間的，這與瞬時(shí)的超距作用觀點(diǎn)是根本對(duì)立的。課題三：電磁場(chǎng)理論可用于產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)電磁場(chǎng)理論可用于產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)。比如，超導(dǎo)磁共振成像的均勻強(qiáng)磁場(chǎng)獲得。搜索資料，闡述某一產(chǎn)品設(shè)計(jì)概念設(shè)計(jì)中，用到的電磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)知識(shí)。 微波爐是一種用微波加熱食品的現(xiàn)代化烹調(diào)灶具。微波是一種電磁波。這種電磁波的能量不僅比通常的無(wú)線電波大得多，而且還很有"個(gè)性"，微波一碰到金屬

8、就發(fā)生反射，金屬根本沒(méi)有辦法吸收或傳導(dǎo)它；微波可以穿過(guò)玻璃、陶瓷、塑料等絕緣材料，但不會(huì)消耗能量；而含有水分的食物，微波不但不能透過(guò)，其能量反而會(huì)被吸收。 從1992年11月開(kāi)始實(shí)施了中日地震電磁波觀測(cè)和研究項(xiàng)目,該電磁波觀測(cè)資料真實(shí)完整地觀測(cè)記錄到麗江等29次近震電磁波異常的發(fā)展過(guò)程;對(duì)29個(gè)地震的特征作了對(duì)比觀測(cè)研究,表明地震電磁波異常有3種發(fā)展類型,與之對(duì)應(yīng)建立了3種地震電磁波預(yù)報(bào)規(guī)則;初步提出利用地震電磁波預(yù)報(bào)地震的模式;分析、討論TOA電磁波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)越性,并在一定程度上對(duì)發(fā)展地震電磁波觀測(cè)找到了有效的前兆信息觀測(cè)方法和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這將對(duì)地震電磁波的觀測(cè)和研究以及對(duì)地震短臨預(yù)報(bào)起到一

9、定的推動(dòng)作用。 課題四：編制程序繪制電偶極子的電場(chǎng)與電位3D和2D空間分布圖。Matlab源程序如下電勢(shì)分布模擬：q=1; d=2; e0=8.854187817*10.-12; x=-3:0.1:3; y=-3:0.1:3; x,y=meshgrid(x,y); z=q.*(1./sqrt(y-1).2+x.2)-1./sqrt(y+1).2+x.2)./(4*pi*e0); mesh(x,y,z);圖像： 電場(chǎng)分布，源程序如下： q=1;d=2; e0=8.854187817*10.-12; x=-3:0.1:3; y=-3:0.1:3; x,y=meshgrid(x,y); z=q.*(

10、1./sqrt(y-1).2+x.2+0.01)-1./sqrt(y+1).2+x.2+0.01)./(4*pi*e0);contour(x,y,z); px,py=gradient(z); hold on streamslice(x,y,px,py,'k')圖像：課題五：證明金屬導(dǎo)體內(nèi)的電荷總是迅速擴(kuò)散到表面，弛豫時(shí)間？證明：將代入電流連續(xù)性方程，考慮到介質(zhì)均勻，有 由于 則將其代入前式可得 eerr=ÑÑ=×Ñ=×Ñ 所以任意瞬間的電荷密度為 其中是時(shí)的電荷密度，式中具有時(shí)間

11、的量綱，稱為導(dǎo)電介質(zhì)的弛豫時(shí)間或時(shí)常數(shù)，它是電荷密度減少到其初始值的所需的時(shí)間，由上式可見(jiàn)電荷按指數(shù)規(guī)律減少，最終流至并分布于導(dǎo)體的外表面。課題七：求置于無(wú)限大接地平面導(dǎo)體上方距導(dǎo)體面h處的點(diǎn)電荷q的電位，繪制電位分布圖；并求解、繪制無(wú)限大接地平面上感應(yīng)電荷的分布圖。 利用鏡像法，可以將無(wú)限平面導(dǎo)體改換成一個(gè)鏡像電荷，坐標(biāo)是(0, 0, -h)，電量為-q，在z>0的任意點(diǎn)(x, y, z)，新系統(tǒng)的電勢(shì)與原本系統(tǒng)的電勢(shì)完全相同；而且滿足邊界條件導(dǎo)體的電位為零。在空間直角坐標(biāo)系中，電位可表示為無(wú)線大平面導(dǎo)體的感應(yīng)電荷密度(x,y)為代碼：clearq=1;h=2;eps=1/(36*pi

12、)*10(-9);x=-3:0.1:3;y=-3:0.1:3;x,y=meshgrid(x,y);z=q.*(1./sqrt(y-h).2+x.2+0.01)-1./sqrt(y+h).2+x.2+0.01)./(4*pi*eps); rou=q*h./(x.2+y.2+h2).(3/2);figure(1);contour(x,y,z,100);px,py=gradient(z);streamslice(x,y,-px,-py,'k')axis(-3 3 0 3);xlabel('x');ylabel('y');grid ontitle(

13、9;電場(chǎng)/電位分布圖')figure(2);contourf(x,y,rou);title('感應(yīng)電荷分布圖')課題八： 沿z向分布無(wú)限長(zhǎng)線電荷等距置于x=0平面兩側(cè)，距離d，線密度分別為l ，-l，求解電位且繪制等位面方程。仿照點(diǎn)電荷的平面鏡像法，可知線電荷的鏡像電荷為-l，位于原電荷的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。以原點(diǎn)為參考點(diǎn)。得線電荷l電位為同理得鏡像電荷-l𝜌電位任一點(diǎn)（x,y）的總電位用直角坐標(biāo)表示為其等位面方程為m為常數(shù)，方程可化為該方程表示圓心在（x0,y0），半徑為R0的一族圓每給定一個(gè)m（m>0），對(duì)應(yīng)一個(gè)等位圓，此圓電位是現(xiàn)用MATLAB畫(huà)出不同m

14、值時(shí)的等位圓圖，設(shè)d=1，l=1.6×程序如下： X,Y=meshgrid(-1.5:0.01:1.5,-0.5:0.01:0.5);fi=1.6e-19/(4*pi*8.854e-12).*log(X+1).2+Y.2)./(X1).2+Y.2);m=sqrt(X+1).2+Y.2)./(X-1).2+Y.2);c,h=contour(X,Y,fi,'k'); clabel(c,h); hold on grid on xlabel('Y') ylabel('X') 運(yùn)行結(jié)果：課題九橫截面如圖所示的導(dǎo)體長(zhǎng)槽，上方有一塊與槽相互絕緣的導(dǎo)體

15、蓋板，截面尺寸為a×b=10×10cm，槽體的電位為零，蓋板的電位為U0=100V，采用有限差分法求此區(qū)域內(nèi)的電位并繪制等位線。clear；clc;hx=17;hy=11;v1=ones(hy,hx);v1(hy,:)=zeros(1,hx);for i=1:hy v1(i,1)=0; v1(i,hx)=0;end;v2=v1;maxt=1;t=0;k=0;while(maxt>1e-6)k=k+1;maxt=0;for i=2:hy-1 for j=2:hx-1 v2(i,j)=(v1(i,j+1)+v1(i+1,j)+v2(i-1,j)+v2(i,j-1)/4;t

16、=abs(v2(i,j)-v1(i,j);if (t>max) max=t;end;end;end;v1=v2;end;subplot(1,2,1)mesh(v2);axis tight;subplot(1,2,2)contour(v2,10);hold on x=1:1:hx;y=1:1:hy;xx,yy=meshgrid(x,y);gx,gy=gradient(v2,1,1);axis tight;plot (1,1,hx,hx,1,1,hy,hy,1,1, 'k');課題十： .設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)程序繪制無(wú)耗、無(wú)界、無(wú)源簡(jiǎn)單煤質(zhì)中的均勻平面電磁波傳播的三維分布圖（動(dòng)態(tài)、靜態(tài)

17、均可）。源程序：clc;clear;close all;% 設(shè)定程序中所用參數(shù)e0 = 1e-9/(36*pi);%真空中的介電常數(shù)u0 = pi*4e-7;%真空的磁導(dǎo)率f = 3e8;%電磁波的頻率w = 2*pi*f;%角頻率beta = w*sqrt(u0*e0);%相位常數(shù)Z0 = sqrt(u0/e0); %理想介質(zhì)的波阻抗phye = pi/4; % Ey 的初始相位。Ey_m = 50; % Ey 的幅值x = linspace(0,6,500);% x 軸t = 0;%設(shè)置 t 的初值，t的單位是 nsa_zero = zeros(1,length(x); %全零矩陣Ey =

18、 Ey_m*cos( w*t*1e-9 - beta*x + phye ); %電場(chǎng) Ey 的表達(dá)式figure; %作圖顯示n = 1;%用來(lái)作為動(dòng)畫(huà)每一幀的變量y = 0:10;X,Y = meshgrid(x,y); %利用函數(shù) meshgrid 將矢量映射成二維數(shù)組。for t = 1:0.05:400 Ey = Ey_m*cos( w*t*1e-9 - beta*X + phye ); surf(X,Y,Ey); %利用函數(shù) surf 繪制Ey 曲面圖。 shading interp; colormap(jet); xlabel('沿 x 軸方向傳播'); ylabe

19、l('y軸'); zlabel('電場(chǎng) Ey'); title('均勻平面電磁波電場(chǎng) Ey的波陣面的傳播'); M(n)=getframe; n = n+1; endmovie(M,10);仿真結(jié)果課題十一：設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)程序繪制良導(dǎo)體中均勻平面電磁波傳播的三維分布圖（動(dòng)態(tài)、靜態(tài)均可），以及場(chǎng)強(qiáng)隨集膚深度的變化規(guī)律。代碼：z=0:pi/30:6*pi;x=zeros(1, 181);y=zeros(1, 181);alpha=0.03;E0=0.5;H0=0.3;Ex=E0*exp(-alpha*z).*sin(z);Hy=H0*exp(-alpha

20、*z).*sin(z);figure(1);plot3(Ex, z, y,'r','LineWidth',2);hold on;x1=0.5*ones(1,21);y1=zeros(1,21);z1=0:20;plot3(x1,z1,y1,'b-','LineWidth',2);plot3(x, z, Hy,'b');x2=zeros(1,21);y2=0.3*ones(1,21);plot3(x2,z1,y2,'b-','LineWidth',2);grid on;set(gca,

21、'ydir','reverse','xaxislocation','top');xlabel('Ex(V/m)');zlabel('Hy(A/m)');ylabel('z(m)');legend('Ex', 'Hy');figure(2);delta=0:0.001:1;E=0.5*exp(-1./delta);plot(delta,E);xlabel('(m)');ylabel('E(V/m)');title('場(chǎng)強(qiáng)隨集膚深度變化關(guān)系曲線')課題十二：編制計(jì)算機(jī)程序，動(dòng)態(tài)演示電磁波的極化形式。對(duì)于均勻平面電磁波，當(dāng)兩個(gè)正交線極化波的振幅與初相角滿足不同條件時(shí)，合成電磁波的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量的模隨時(shí)間變化的矢端軌跡。解：源