本書(shū)從經(jīng)典電磁理論及其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)出發(fā),系統(tǒng)地描述了電磁場(chǎng)和電磁波的基本規(guī)律。全書(shū)共9章,內(nèi)容包括
矢量分析基礎(chǔ)、靜電場(chǎng)、恒定電場(chǎng)與恒定磁場(chǎng)、靜電場(chǎng)的解、時(shí)變電磁場(chǎng)、均勻平面電磁波、電磁波的反射和透射、導(dǎo)行電磁波、天線(xiàn)基本理論。書(shū)中有大量的例題,每章均附有習(xí)題。
本書(shū)內(nèi)容深入淺出,對(duì)電磁理論既有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)和計(jì)算分析,又注重其物理意義的講述。
本書(shū)適合作為高等院校電子工程、通信工程、電子信息工程、微電子和應(yīng)用電子技術(shù)等本科專(zhuān)業(yè)的 “電磁場(chǎng)與電磁波” 及 “電磁場(chǎng)理論” 課程教材,適當(dāng)取舍后也可作為其他相關(guān)專(zhuān)業(yè)的教材和參考書(shū), 還可作為其他電子工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)的大學(xué)本科生和電信、電子工程技術(shù)人員的參考書(shū)。
由本書(shū)作者編寫(xiě)、西安電子科技大學(xué)出版社2012年出版的《電磁場(chǎng)與電磁波》教材已經(jīng)使用六年。在此期間,國(guó)內(nèi)一些大專(zhuān)院校已將該書(shū)作為電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè) “電磁場(chǎng)與電磁波” 課程的教學(xué)教材使用。西安電子科技大學(xué)的通信工程學(xué)院、電子信息工程學(xué)院及微電子學(xué)院也先后采用該書(shū)作為本科生 “電磁場(chǎng)與電磁波” 課程的教材并使用多年,任課的教師對(duì)該書(shū)部分內(nèi)容和結(jié)構(gòu)提出了一些意見(jiàn)和建議,對(duì)書(shū)中出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行了指正。作者對(duì)此虛心接受,并表示感謝。
在電子信息飛速發(fā)展的今天,作為專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課的 “電磁場(chǎng)與電磁波” 的教材內(nèi)容也需要適當(dāng)?shù)刎S富與更新,以使之更加完善,更加適應(yīng)當(dāng)下學(xué)生們對(duì)該課程的需要。此次出版我們把書(shū)名修改為《電磁場(chǎng)與電磁波教程》。參照西安電子科技大學(xué)幾個(gè)學(xué)院新的《“電磁場(chǎng)與電磁波”課程教學(xué)大綱》,根據(jù)使用原書(shū)的教師和學(xué)生的反饋意見(jiàn),同時(shí)考慮到新的教學(xué)理念和啟發(fā)式的教學(xué)思想,我們?cè)诒3衷滩捏w系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,對(duì)全書(shū)內(nèi)容進(jìn)行了較大幅度的修改和補(bǔ)充。
具體修訂內(nèi)容如下:
(1) 對(duì)原教材中各章節(jié)的筆誤和印刷錯(cuò)誤進(jìn)行了全面的修正。
(2) 去除了各章節(jié)過(guò)于簡(jiǎn)單和過(guò)于繁瑣的習(xí)題,增加了具有思維性的習(xí)題。
(3) 鑒于近幾年各電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè) “電磁場(chǎng)與電磁波”課程學(xué)時(shí)的壓縮,本書(shū)刪除了原教材第2章中的 “電場(chǎng)力”、 第3章中的 “磁場(chǎng)力” 和 “磁標(biāo)位” 以及第4章中的 “復(fù)變函數(shù)法”。
(4) 對(duì)第8章和第9章的內(nèi)容進(jìn)行了大幅的修改,并對(duì)其部分內(nèi)容進(jìn)行了更新。
(5) 去除了原教材附錄D中的 “考研試題精選”,增加了近三年的考研試題。
本書(shū)在采納多位長(zhǎng)期從事 “電磁場(chǎng)與電磁波” 課程教學(xué)的老師的建議,比較國(guó)內(nèi)外近期同類(lèi)書(shū)籍的材料取舍,保持原教材的體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,采用數(shù)理并重的方式精編而成。本書(shū)注重理論聯(lián)系實(shí)際,注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力,重點(diǎn)突出,簡(jiǎn)潔明了,通俗易懂。
本次修訂中,朱滿(mǎn)座教授修訂了第1、2、4章及附錄,盧智遠(yuǎn)教授修訂了第3、6、7章,侯建強(qiáng)副教授修訂了第5、8、9章。
西安電子科技大學(xué)牛中奇教授仔細(xì)審閱了本書(shū)稿,提出了多條修改意見(jiàn)。研究生陳澤宇、李志浩、蔣沅臻等同學(xué)
做了部分書(shū)稿的錄入和部分插圖的描繪工作, 在此一并表示衷心感謝。
西安電子科技大學(xué)出版社的毛紅兵和戚文艷為本書(shū)的出版做了大量的工作,也在這里表示誠(chéng)摯的謝意。
值得說(shuō)明的是,本書(shū)的習(xí)題解答也將于2020年年初由西安電子科技大學(xué)出版社出版發(fā)行,其中附有2019年碩士研究生入學(xué)試題及解答。
由于作者水平有限,書(shū)中不足之處在所難免,望使用該書(shū)的老師、同學(xué)及其他讀者批評(píng)指正。
第1章 矢量分析基礎(chǔ) 1
1.1 矢量分析 1
1.1.1 矢性函數(shù) 1
1.1.2 矢性函數(shù)的求導(dǎo)與積分 2
1.2 場(chǎng)論 2
1.2.1 場(chǎng)的基本概念 2
1.2.2 標(biāo)量場(chǎng)的等值面 3
1.2.3 矢量場(chǎng)的矢量線(xiàn) 4
1.3 標(biāo)量場(chǎng)的方向?qū)?shù)和梯度 5
1.4 矢量場(chǎng)的通量和散度 7
1.4.1 通量 7
1.4.2 散度 9
1.5 矢量場(chǎng)的環(huán)量和旋度 10
1.5.1 環(huán)量定義 10
1.5.2 環(huán)量面密度 11
1.5.3 旋度 12
1.6 亥姆霍茲定理 14
1.6.1 矢量場(chǎng)的分類(lèi) 14
1.6.2 亥姆霍茲定理 15
1.7 圓柱坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系 15
1.7.1 圓柱坐標(biāo)系 15
1.7.2 球坐標(biāo)系 17
習(xí)題 20
第2章 靜電場(chǎng) 22
2.1 庫(kù)侖定律與電場(chǎng)強(qiáng)度 22
2.1.1 庫(kù)侖定律 22
2.1.2 電場(chǎng)強(qiáng)度 23
2.2 高斯定理 24
2.2.1 立體角 24
2.2.2 高斯定理 26
2.3 靜電場(chǎng)的旋度與靜電場(chǎng)的電位 28
2.3.1 靜電場(chǎng)的旋度 28
2.3.2 靜電場(chǎng)的電位 29
2.3.3 電位微分方程 30
2.4 電偶極子 33
2.4.1 電偶極子的電位和電場(chǎng) 33
2.4.2 外電場(chǎng)中的電偶極子 35
2.5 電介質(zhì)中的場(chǎng)方程 35
2.5.1 電介質(zhì)的極化 35
2.5.2 極化電介質(zhì)產(chǎn)生的電位 36
2.5.3 電介質(zhì)中的場(chǎng)方程 38
2.5.4 介電常數(shù) 39
2.6 靜電場(chǎng)的邊界條件 40
2.7 導(dǎo)體系統(tǒng)的電容 42
2.7.1 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體 42
2.7.2 電位系數(shù) 43
2.7.3 電容系數(shù)和部分電容 43
2.8 電場(chǎng)能量與能量密度 47
2.8.1 點(diǎn)電荷系統(tǒng)的靜電能 47
2.8.2 分布電荷系統(tǒng)的靜電能 48
2.8.3 能量密度 49
習(xí)題 51
第3章 恒定電場(chǎng)與恒定磁場(chǎng) 53
3.1 恒定電場(chǎng)的基本概念 53
3.1.1 電流強(qiáng)度和電流密度 53
3.1.2 歐姆定律和焦耳定律 55
3.1.3 電流連續(xù)性方程、恒定電場(chǎng)的
散度 57
3.1.4 電動(dòng)勢(shì)、恒定電場(chǎng)的旋度 58
3.2 恒定電場(chǎng)的基本方程和邊界條件 60
3.2.1 基本方程 60
3.2.2 邊界條件 61
3.3 恒定電場(chǎng)與靜電場(chǎng)的比擬 64
3.4 磁場(chǎng)、磁感應(yīng)強(qiáng)度 67
3.4.1 安培定律 67
3.4.2 磁感應(yīng)強(qiáng)度、畢奧—薩伐爾
定律 68
3.5 恒定磁場(chǎng)的基本方程 71
3.5.1 磁通連續(xù)性原理 71
3.5.2 安培環(huán)路定律 71
3.5.3 真空中恒定電場(chǎng)的基本方程 72
3.6 矢量磁位 73
3.6.1 矢量磁位的引入 73
3.6.2 矢量磁位的微分方程 74
3.7 磁偶極子 75
3.7.1 磁偶極子的場(chǎng) 76
3.7.2 外場(chǎng)中的磁偶極子 77
3.8 磁介質(zhì)中的場(chǎng)方程 77
3.8.1 磁介質(zhì)的磁化 77
3.8.2 磁介質(zhì)產(chǎn)生的磁場(chǎng) 78
3.8.3 磁場(chǎng)強(qiáng)度 80
3.8.4 磁導(dǎo)率 81
3.8.5 磁介質(zhì)中恒定磁場(chǎng)的基本方程 82
3.9 恒定磁場(chǎng)的邊界條件 84
3.9.1 磁感應(yīng)強(qiáng)度B的邊界條件 84
3.9.2 磁場(chǎng)強(qiáng)度H的邊界條件 85
3.9.3 H或B在界面兩側(cè)的方向關(guān)系 85
3.10 電感 86
3.10.1 自感 86
3.10.2 互感 86
3.10.3 電感的計(jì)算方法 86
3.11 恒定磁場(chǎng)的能量 89
3.11.1 恒定電流系統(tǒng)的磁場(chǎng)能 89
3.11.2 用場(chǎng)量表示的恒定磁場(chǎng)能量 91
習(xí)題 93
第4章 靜態(tài)場(chǎng)的解 96
4.1 邊值問(wèn)題的分類(lèi) 96
4.2 唯一性定理和電位疊加原理 97
4.2.1 格林公式 97
4.2.2 唯一性定理 98
4.2.3 拉普拉斯方程解的疊加原理 98
4.3 鏡像法 99
4.3.1 平面鏡像法 99
4.3.2 球面鏡像法 100
4.3.3 圓柱面鏡像法 103
4.3.4 介質(zhì)平面鏡像法 105
4.4 分離變量法 106
4.4.1 直角坐標(biāo)系中的分離變量法 106
4.4.2 圓柱坐標(biāo)系中的分離變量法 110
4.4.3 球坐標(biāo)系中的分離變量法 113
4.5 格林函數(shù)法 115
4.5.1 靜電邊值問(wèn)題的格林函數(shù)法
表示式 115
4.5.2 簡(jiǎn)單邊界的格林函數(shù) 118
4.5.3 格林函數(shù)的應(yīng)用 121
4.6 有限差分法 123
4.6.1 差分原理 123
4.6.2 差分方程的數(shù)值解法 124
習(xí)題 126
第5章 時(shí)變電磁場(chǎng) 130
5.1 法拉第電磁感應(yīng)定律 130
5.2 位移電流 132
5.3 麥克斯韋方程組 134
5.3.1 麥克斯韋方程組的微積分
形式 134
5.3.2 麥克斯韋方程的輔助方程
——本構(gòu)關(guān)系 136
5.3.3 洛侖茲力 136
5.4 時(shí)變電磁場(chǎng)的邊界條件 137
5.4.1 一般情況 138
5.4.2 兩種特殊情況 140
5.5 時(shí)變電磁場(chǎng)的能量與能流 142
5.6 正弦電磁場(chǎng) 144
5.6.1 正弦電磁場(chǎng)的復(fù)數(shù)表示法 145
5.6.2 麥克斯韋方程的復(fù)數(shù)形式 146
5.6.3 復(fù)坡印廷矢量 146
5.6.4 復(fù)介電常數(shù)與復(fù)磁導(dǎo)率 147
5.6.5 復(fù)坡印廷定理 148
5.6.6 時(shí)變電磁場(chǎng)的唯一性定理 149
5.7 波動(dòng)方程 150
5.8 時(shí)變電磁場(chǎng)中的位函數(shù) 152
習(xí)題 155
第6章 均勻平面電磁波 157
6.1 無(wú)耗媒質(zhì)中的平面電磁波 157
6.1.1 無(wú)耗媒質(zhì)中波動(dòng)方程的解 157
6.1.2 均勻平面電磁波的傳播特性 160
6.1.3 向任意方向傳播的均勻
平面電磁波 163
6.2 有耗媒質(zhì)中的平面電磁波 166
6.2.1 有耗媒質(zhì)中的波動(dòng)方程及
復(fù)介電常數(shù) 166
6.2.2 有耗媒質(zhì)中的均勻平面電磁波的
傳播特性 168
6.2.3 良導(dǎo)體中的均勻平面電磁波的
傳播特性 170
6.3 電磁波的極化 172
6.3.1 直線(xiàn)極化 172
6.3.2 圓極化 173
6.3.3 橢圓極化 174
6.4 電磁波的相速和群速 175
6.5 各向異性媒質(zhì)中的平面電磁波 177
6.5.1 等離子體中的平面電磁波 178
6.5.2 鐵氧體中的平面電磁波 182
習(xí)題 186
第7章 電磁波的反射和折射 189
7.1 平面電磁波在不同媒質(zhì)界面上的
反射和折射 189
7.1.1 反射定律和折射定律 190
7.1.2 菲涅爾公式 192
7.2 平面電磁波向?qū)щ娒劫|(zhì)界面的
垂直入射 197
7.2.1 媒質(zhì)2為良導(dǎo)體 198
7.2.2 媒質(zhì)2為理想導(dǎo)體 201
7.3 平面電磁波向理想介質(zhì)界面的
垂直入射 205
7.4 平面電磁波向理想導(dǎo)體界面的
斜入射 208
7.4.1 垂直極化波向理想導(dǎo)體界面的
斜入射 209
7.4.2 平行極化波向理想導(dǎo)體界面的
斜入射 210
7.5 平面電磁波向理想介質(zhì)界面的
斜入射 213
7.5.1 全透射現(xiàn)象 214
7.5.2 媒質(zhì)1中的總電磁場(chǎng) 215
7.5.3 全反射 217
習(xí)題 221
第8章 導(dǎo)行電磁波 224
8.1 平行導(dǎo)體間的橫電波 224
8.2 矩形波導(dǎo) 227
8.3 TE10波 232
8.4 其他形狀波導(dǎo) 237
8.5 波導(dǎo)的連接、彎扭和激勵(lì) 242
習(xí)題 244
第9章 天線(xiàn)基本理論 246
9.1 基本輻射元 246
9.2 天線(xiàn)的電參數(shù) 249
9.3 對(duì)稱(chēng)振子 251
9.3.1 對(duì)稱(chēng)振子的輻射場(chǎng) 252
9.3.2 半波對(duì)稱(chēng)振子的方向性 253
9.3.3 對(duì)稱(chēng)振子的輸入阻抗 253
9.4 方向性增強(qiáng)原理 256
9.5 地面對(duì)天線(xiàn)性能的影響 259
9.5.1 鏡像法的應(yīng)用 259
9.5.2 理想導(dǎo)電地平面上的水平
半波振子 260
9.5.3 直立天線(xiàn)·地網(wǎng) 261
習(xí)題 263
附錄A 常用矢量公式 265
附錄B δ函數(shù) 268
附錄C 特殊函數(shù) 271
附錄D 近年考研試題 276
參考文獻(xiàn) 280