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简介
本书是按照电子信息与电气类专业“电磁场与电磁波”课程教学的基
本要求,本着深入浅出、通俗易学的原则而编写的。为了更适合电子信息
与电气类专业学生的学习,本书在给出了“场”的基本方程和一般概念与
分析方法后,重申噗着墨于“波”的基本特性与传播过程分析。
本书共分11章,主要内容包括:矢量分析与场论,电场、磁场与麦克
斯韦方程,介质中的麦克斯韦方程,矢量位与标量位,静态场的解,自由
空间中的电磁波,非导电介质中的电磁波,导电介质中的电磁波,波的反
射与折射,等等。本书最后对电磁波的导引和辐射进行了简要的介绍。每
章之后均附有本章小结和丰富的习题,书末附有大部分习题参考答案。
本书可作为普通高等院校通信工程、电子信息工程、电子科学与技术
、自动化、电气工程及其自动化等专业的本科生教材,也可供从事“电磁
场与电磁波”方向的工程技术人员参考。
目录
第1章 矢量分析与场论/1
1.1 矢量的表示和运算/1
1.1.1 矢量与标量/1
1.1.2 矢量的代数运算/2
1.1.3 标量场与矢量场/4
1.2 正交坐标系/4
1.2.1 正交坐标系的概念/4
1.2.2 笛卡儿坐标系/5
1.2.3 圆柱坐标系/6
1.2.4 球坐标系/7
1.2.5 三种坐标系中单位矢量之间的关系/8
1.3 矢量函数的通量与散度/10
1.3.1 矢量的通量/10
1.3.2 散度/12
1.3.3 高斯散度定理/14
1.4 矢量函数的环量与旋度/15
1.4.1 矢量的环量/16
1.4.2 矢量场的旋度/16
1.4.3 斯托克斯定理/20
1.5 标量函数的方向导数与梯度/21
1.5.1 标量场与等值面/21
1.5.2 方向导数/21
1.5.3 梯度/22
1.6 格林公式/25
1.7 亥姆霍兹定理/26
1.7.1 散度和旋度的比较/26
1.7.2 亥姆霍兹定理/26
1.8 矢量场的分类/27
本章小结/28
习题1/30
第2章 电场、磁场与麦克斯韦方程/33
2.1 电场力、电场强度与电位/34
2.1.1 电场力与电场强度/34
2.1.2 电位/35
2.2 磁场力、磁感应强度与磁位/36
2.2.1 磁场力与磁感应强度/36
2.2.2 矢量磁位/37
2.2.3 标量磁位/40
2.3 洛伦兹力/40
2.4 电偶极子/41
2.5 磁偶极子/43
2.6 由电通量与高斯定律导出麦克斯韦第一方程/46
2.6.1 电通量/46
2.6.2 麦克斯韦第一方程/46
2.7 由电磁感应定律与斯托克斯定律导出麦克斯韦第二方程/47
2.8 由磁通量与高斯定律导出麦克斯韦第三方程/47
2.9 由安培环路定律与斯托克斯定律导出麦克斯韦第四方程/48
2.9.1 传导电流、运流电流和位移电流/48
2.9.2 电流连续性原理/50
2.9.3 麦克斯韦第四方程/51
2.10 微分形式的麦克斯韦方程组/52
2.11 麦克斯韦方程的积分形式/54
2.12 麦克斯韦方程的时谐形式/56
2.13 电磁场的能量与坡印廷矢量/57
本章小结/61
习题2/62
第3章 介质中的麦克斯韦方程组/64
3.1 分子模型/64
3.2 电介质及其极化/65
3.2.1 极化的概念/65
3.2.2 极化矢量P/66
3.2.3 介质的分子模型与极化矢量/67
3.2.4 高密度介质中的电场/68
3.2.5 考虑极化效应的麦克斯韦方程组/70
3.3 折射率与相对介电常数/72
3.4 介质的磁化/74
3.4.1 磁化的概念/74
3.4.2 磁化电流与磁化矢量M/74
3.4.3 磁场强度/74
3.4.4 磁介质/75
3.5 介质中的麦克斯韦方程组/76
3.6 电磁场的边界条件/77
本章小结/84
习题3/86
第4章 矢量位与标量位/88
4.1 矢量位A/88
4.2 标量位φ/88
4.3 用位函数φ和A表示的非均匀波动方程/89
4.4 利用场源ρ和J求解位函数φ和A/92
4.5 李纳-维谢尔位函数/94
本章小结/98
习题4/99
第5章 静态场的解/100
5.1 泊松方程和拉普拉斯方程/100
5.1.1 静态场中的麦克斯韦方程组/100
5.1.2 泊松方程和拉普拉斯方程/102
5.2 对偶原理/105
5.3 叠加原理和唯一性定理/106
5.3.1 边界条件的分类/106
5.3.2 叠加原理/106
5.3.3 唯一性定理/107
5.4 镜像法/107
5.4.1 点电荷与无限大平面导体的合成场计算/107
5.4.2 电介质分界面的镜像电荷/109
5.4.3 球形边界问题/111
5.4.4 圆柱形边界问题/112
5.5 分离变量法/113
5.5.1 笛卡儿坐标系中的分离变量法/113
5.5.2 圆柱坐标系中的分离变量法/116
5.6 格林函数法/118
5.6.1 静电场边值问题的格林函数法表达式/119
5.6.2 简单边界的格林函数/121
5.7 有限差分法/122
本章小结/125
习题5/126
第6章 自由空间中的电磁波/128
6.1 波的数学描述/128
6.2 均匀平面波与三维波动方程/129
6.3 电波与磁波/130
6.4 自由空间中的平面电磁波/131
6.4.1 随时间变化的单色平面波/132
6.4.2 均匀平面电磁波的特性/133
6.5 波的极化/136
6.6 电磁波谱/141
本章小结/143
习题6/143
第7章 非导电介质中的电磁波/145
7.1 非导电介质中的电磁波方程/145
7.2 平面电磁波在理想介质中的传播/147
7.3 平面电磁波在非理想介质中的传播/148
7.3.1 等效复介电系数/148
7.3.2 波动方程及其解/149
7.4 低密度气体中的电磁波/150
7.5 高密度介质中的电磁波/152
7.6 复数折射率的相关结论/153
7.7 相速度与能流速度/154
7.8 色散/157
7.9 相速与群速/158
本章小结/160
习题7/160
第8章 导电介质中的电磁波/162
8.1 导电介质的一般模型/162
8.2 导电介质在高频或低频时的特性/163
8.2.1 介质的折射率与导电介质的频率特性/163
8.2.2 导电介质的趋肤深度/165
8.2.3 导电介质的趋肤效应/167
8.3 导电介质中的电磁波/169
8.3.1 导电介质中波的传播特性/169
8.3.2 良导体中的均匀平面电磁波/172
8.4 等离子体对波的反射/175
本章小结/177
习题8/178
第9章 电磁波的反射与折射/179
9.1 电磁波传播的边界条件/179
9.2 传播矢量/182
9.3 平面边界的反射与透射/183
9.4 反射波的极化/191
9.5 法向入射/192
9.6 全折射与全反射/194
9.6.1 全折射/194
9.6.2 全反射/195
9.7 反射波的相位变化/196
9.8 各向异性媒质中的平面电磁波/197
本章小结/198
习题9/200
第10章 导行电磁波/203
10.1 电磁波在均匀导波装置中传播的一般特性/203
10.1.1 电磁波在均匀导波装置中的传播/203
10.1.2 均匀导波装置中的TEM波、TE波和TM波/205
10.1.3 均匀导波装置中的导行波传输特性/207
10.2 TEM传输线/209
10.2.1 传输线方程及其时谐稳态解/209
10.2.2 传输线的传输特性参数/213
10.2.3 无损耗传输线的工作状态/215
10.3 矩形波导/221
10.3.1 矩形波导中的TM波/221
10.3.2 矩形波导中的TE波/222
10.3.3 矩形波导中的TE10波/224
10.4 圆柱形波导/228
10.4.1 圆柱形波导中的TM波/228
10.4.2 圆柱形波导中的TE波/230
10.5 导波系统中的功率传输与损耗/232
10.5.1 波导的功率传输和功率容量/232
10.5.2 波导的损耗和衰减/233
10.6 谐振腔/235
10.6.1 同轴谐振腔/235
10.6.2 矩形谐振腔/236
10.6.3 谐振腔的品质因素Q/237
10.7 介质波导和光纤简介/238
10.7.1 介质波导/238
10.7.2 光纤/238
本章小结/240
习题10/241
第11章 辐射系统简介/242
11.1 缓慢移动的加速点电荷的辐射/242
11.2 自由电荷的能量散射/246
11.3 束缚电荷辐射的散射/247
11.4 电偶极子天线的辐射/248
11.5 天线的辐射电阻/250
11.6 天线的增益/251
11.7 磁偶极子天线的辐射/251
本章小结/256
习题11/256
附录A 一些有用的数学结论/257
附录B 计算雅可比行列式/261
附录C 矢量D、H、E、B、P、M之间的关系/262
附录D 相关的国际单位/263
附录E 相关的物理常数/264
附录F 中英文术语对照表/266
习题参考答案/272
参考文献/280
1.1 矢量的表示和运算/1
1.1.1 矢量与标量/1
1.1.2 矢量的代数运算/2
1.1.3 标量场与矢量场/4
1.2 正交坐标系/4
1.2.1 正交坐标系的概念/4
1.2.2 笛卡儿坐标系/5
1.2.3 圆柱坐标系/6
1.2.4 球坐标系/7
1.2.5 三种坐标系中单位矢量之间的关系/8
1.3 矢量函数的通量与散度/10
1.3.1 矢量的通量/10
1.3.2 散度/12
1.3.3 高斯散度定理/14
1.4 矢量函数的环量与旋度/15
1.4.1 矢量的环量/16
1.4.2 矢量场的旋度/16
1.4.3 斯托克斯定理/20
1.5 标量函数的方向导数与梯度/21
1.5.1 标量场与等值面/21
1.5.2 方向导数/21
1.5.3 梯度/22
1.6 格林公式/25
1.7 亥姆霍兹定理/26
1.7.1 散度和旋度的比较/26
1.7.2 亥姆霍兹定理/26
1.8 矢量场的分类/27
本章小结/28
习题1/30
第2章 电场、磁场与麦克斯韦方程/33
2.1 电场力、电场强度与电位/34
2.1.1 电场力与电场强度/34
2.1.2 电位/35
2.2 磁场力、磁感应强度与磁位/36
2.2.1 磁场力与磁感应强度/36
2.2.2 矢量磁位/37
2.2.3 标量磁位/40
2.3 洛伦兹力/40
2.4 电偶极子/41
2.5 磁偶极子/43
2.6 由电通量与高斯定律导出麦克斯韦第一方程/46
2.6.1 电通量/46
2.6.2 麦克斯韦第一方程/46
2.7 由电磁感应定律与斯托克斯定律导出麦克斯韦第二方程/47
2.8 由磁通量与高斯定律导出麦克斯韦第三方程/47
2.9 由安培环路定律与斯托克斯定律导出麦克斯韦第四方程/48
2.9.1 传导电流、运流电流和位移电流/48
2.9.2 电流连续性原理/50
2.9.3 麦克斯韦第四方程/51
2.10 微分形式的麦克斯韦方程组/52
2.11 麦克斯韦方程的积分形式/54
2.12 麦克斯韦方程的时谐形式/56
2.13 电磁场的能量与坡印廷矢量/57
本章小结/61
习题2/62
第3章 介质中的麦克斯韦方程组/64
3.1 分子模型/64
3.2 电介质及其极化/65
3.2.1 极化的概念/65
3.2.2 极化矢量P/66
3.2.3 介质的分子模型与极化矢量/67
3.2.4 高密度介质中的电场/68
3.2.5 考虑极化效应的麦克斯韦方程组/70
3.3 折射率与相对介电常数/72
3.4 介质的磁化/74
3.4.1 磁化的概念/74
3.4.2 磁化电流与磁化矢量M/74
3.4.3 磁场强度/74
3.4.4 磁介质/75
3.5 介质中的麦克斯韦方程组/76
3.6 电磁场的边界条件/77
本章小结/84
习题3/86
第4章 矢量位与标量位/88
4.1 矢量位A/88
4.2 标量位φ/88
4.3 用位函数φ和A表示的非均匀波动方程/89
4.4 利用场源ρ和J求解位函数φ和A/92
4.5 李纳-维谢尔位函数/94
本章小结/98
习题4/99
第5章 静态场的解/100
5.1 泊松方程和拉普拉斯方程/100
5.1.1 静态场中的麦克斯韦方程组/100
5.1.2 泊松方程和拉普拉斯方程/102
5.2 对偶原理/105
5.3 叠加原理和唯一性定理/106
5.3.1 边界条件的分类/106
5.3.2 叠加原理/106
5.3.3 唯一性定理/107
5.4 镜像法/107
5.4.1 点电荷与无限大平面导体的合成场计算/107
5.4.2 电介质分界面的镜像电荷/109
5.4.3 球形边界问题/111
5.4.4 圆柱形边界问题/112
5.5 分离变量法/113
5.5.1 笛卡儿坐标系中的分离变量法/113
5.5.2 圆柱坐标系中的分离变量法/116
5.6 格林函数法/118
5.6.1 静电场边值问题的格林函数法表达式/119
5.6.2 简单边界的格林函数/121
5.7 有限差分法/122
本章小结/125
习题5/126
第6章 自由空间中的电磁波/128
6.1 波的数学描述/128
6.2 均匀平面波与三维波动方程/129
6.3 电波与磁波/130
6.4 自由空间中的平面电磁波/131
6.4.1 随时间变化的单色平面波/132
6.4.2 均匀平面电磁波的特性/133
6.5 波的极化/136
6.6 电磁波谱/141
本章小结/143
习题6/143
第7章 非导电介质中的电磁波/145
7.1 非导电介质中的电磁波方程/145
7.2 平面电磁波在理想介质中的传播/147
7.3 平面电磁波在非理想介质中的传播/148
7.3.1 等效复介电系数/148
7.3.2 波动方程及其解/149
7.4 低密度气体中的电磁波/150
7.5 高密度介质中的电磁波/152
7.6 复数折射率的相关结论/153
7.7 相速度与能流速度/154
7.8 色散/157
7.9 相速与群速/158
本章小结/160
习题7/160
第8章 导电介质中的电磁波/162
8.1 导电介质的一般模型/162
8.2 导电介质在高频或低频时的特性/163
8.2.1 介质的折射率与导电介质的频率特性/163
8.2.2 导电介质的趋肤深度/165
8.2.3 导电介质的趋肤效应/167
8.3 导电介质中的电磁波/169
8.3.1 导电介质中波的传播特性/169
8.3.2 良导体中的均匀平面电磁波/172
8.4 等离子体对波的反射/175
本章小结/177
习题8/178
第9章 电磁波的反射与折射/179
9.1 电磁波传播的边界条件/179
9.2 传播矢量/182
9.3 平面边界的反射与透射/183
9.4 反射波的极化/191
9.5 法向入射/192
9.6 全折射与全反射/194
9.6.1 全折射/194
9.6.2 全反射/195
9.7 反射波的相位变化/196
9.8 各向异性媒质中的平面电磁波/197
本章小结/198
习题9/200
第10章 导行电磁波/203
10.1 电磁波在均匀导波装置中传播的一般特性/203
10.1.1 电磁波在均匀导波装置中的传播/203
10.1.2 均匀导波装置中的TEM波、TE波和TM波/205
10.1.3 均匀导波装置中的导行波传输特性/207
10.2 TEM传输线/209
10.2.1 传输线方程及其时谐稳态解/209
10.2.2 传输线的传输特性参数/213
10.2.3 无损耗传输线的工作状态/215
10.3 矩形波导/221
10.3.1 矩形波导中的TM波/221
10.3.2 矩形波导中的TE波/222
10.3.3 矩形波导中的TE10波/224
10.4 圆柱形波导/228
10.4.1 圆柱形波导中的TM波/228
10.4.2 圆柱形波导中的TE波/230
10.5 导波系统中的功率传输与损耗/232
10.5.1 波导的功率传输和功率容量/232
10.5.2 波导的损耗和衰减/233
10.6 谐振腔/235
10.6.1 同轴谐振腔/235
10.6.2 矩形谐振腔/236
10.6.3 谐振腔的品质因素Q/237
10.7 介质波导和光纤简介/238
10.7.1 介质波导/238
10.7.2 光纤/238
本章小结/240
习题10/241
第11章 辐射系统简介/242
11.1 缓慢移动的加速点电荷的辐射/242
11.2 自由电荷的能量散射/246
11.3 束缚电荷辐射的散射/247
11.4 电偶极子天线的辐射/248
11.5 天线的辐射电阻/250
11.6 天线的增益/251
11.7 磁偶极子天线的辐射/251
本章小结/256
习题11/256
附录A 一些有用的数学结论/257
附录B 计算雅可比行列式/261
附录C 矢量D、H、E、B、P、M之间的关系/262
附录D 相关的国际单位/263
附录E 相关的物理常数/264
附录F 中英文术语对照表/266
习题参考答案/272
参考文献/280
编著还有:黄秋元、程莉、胡耀祖
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