随着信息技术的飞速发展,电磁场与波在电子信息技术中的应用与日俱增,它是通信、电子、电气、电力和电机等应用学科的重要理论基础。本书编写的目的是为了提高电磁场与波这一课程的教学质量,以促进读者知识、能力全面发展,本书在普通物理电磁学的基础上系统阐述了宏观电磁场与波的基本理论和基本分析方法, 重点介绍了时变电磁场的基本特性及其应用。
本书特点
● 本书内容丰富且起点低、语言流畅,有利于教学或自学。
● 本书在结构上突出重点、分散难点,编写时特别注重通过调用学生原有的知识推导出新的知识,从而形成了本书演绎法与归纳法有机结合的特点。
● 本书注重理论与实际紧密结合,将科研实践与成果引入了教材,并在每章章末附有大量习题,起到了巩固理论知识的目的。
无
本书阐述了宏观电磁现象的基本规律和基本的分析方法,它是通信、电子、电气、电力和电机等应用学科的重要理论基础。随着信息技术的飞速发展,更是要求从事电子信息技术的人员通晓和掌握电磁场与电磁波的基本特性、分析方法及其应用。因此,本课程是电子信息类和通信类专业本科学生必须具备的知识结构的重要组成部分。
本书的参考学时为48~64学时,全书共分为9章。电磁场是矢量场,第1章矢量分析为研究电磁场的运动规律提供必要的数学基础。第2章场论给出了电磁场理论的基本框架:麦克斯韦方程、连续性方程和洛仑兹力公式,是全书阐述的重点。第3、4章为静态场部分。第5~8章为时变场内容,其中第5、6章的平面波部分也是全书阐述的重点。第9章为均匀传输线理论。目录中标注“*”号的内容可根据专业的需要和学时的多少由教师酌情取舍。每章末都配备较多数量的习题供广大师生选择,书末附有第1~8章大部分习题的简单答案。
本书的编写以提高场与波教学质量,促进学生知识、能力和素质全面发展为目标,形成了贯穿全书的一些特点。
1编写原则
(1)低起点、少而精的原则。第1章通俗细致地讲述了矢量分析,只要学过微积分和电磁学,就是本书的最佳读者。
(2)突出重点、分散难点的原则。重要的公式在附录1中汇总。重要的概念、定理和结论用通俗的语言进一步阐释,有利于教学或自学。
(3)温故知新的原则。考虑到知识创新绝非平地起高楼,编写时特别注重通过调用学生原有的知识导出新的知识。
2演绎法与归纳法的有机结合
本书从宏观结构体系上看是演绎法,采用公理化叙述体系;而细节上采用归纳法,如常用坐标系、偶极子和均匀平面波等都是先特殊后一般。
3全书内容上的几点新意
(1)将科研成果引进教材,34节似稳电磁场的两道例题既来自科研实践,又是分布参数影响的好例子。
(2)第4章静态场边值问题补充了圆柱坐标系三维的分离变量法,目的是与导行电磁波中圆波导场解“接轨”;格林函数法既让镜像法有所归属,又有助于日后学习并矢格林函数。
(3)第7章讲赫兹磁偶极子时引进对偶原理、讲惠更斯面元时引进等效原理。这两条原理的引入时机比较恰当。
(4)第8章严格证明了:理想矩形波导中的任一TE模均可等效为电场z分量等于零的线极化均匀平面波对该波导斜入射所形成的合成场,丰满了部分波的概念。
(5)第9章为均匀传输线理论。这是因为长线理论既是“场路结合”的典范,又是学习微波技术的最重要的基础。如果没有微波方面的后续课程,则选用本书最为精当。
在本书的编写过程中。丁卫平副教授编写了第1、2章,李平辉副教授编写了第9章,王增和教授编写了第3~8章并负责全书统稿。此外,王平胜、韩明哲、薛惟超、许鹏、苟少伟、路虎云等同学在文字录入和习题解答方面做了大量有益的工作。
作者
2007年1月
随着信息技术的飞速发展,电磁场与波在电子信息技术中的应用与日俱增,它是通信、电子、电气、电力和电机等应用学科的重要理论基础。本书编写的目的是为了提高电磁场与波这一课程的教学质量,以促进读者知识、能力全面发展,本书在普通物理电磁学的基础上系统阐述了宏观电磁场与波的基本理论和基本分析方法, 重点介绍了时变电磁场的基本特性及其应用。 本书特点 ● 本书内容丰富且起点低、语言流畅,有利于教学或自学。 ● 本书在结构上突出重点、分散难点,编写时特别注重通过调用学生原有的知识推导出新的知识,从而形成了本书演绎法与归纳法有机结合的特点。 ● 本书注重理论与实际紧密结合,将科研实践与成果引入了教材,并在每章章末附有大量习题,起到了巩固理论知识的目的。
第1章矢量分析
11常用坐标系
111三种常用坐标系的构成
112不同坐标系坐标单位
变量之间的关系
113不同坐标系坐标单位
矢量之间的关系
12矢量函数
121矢量表示法
122矢量函数
13标量函数的梯度(gradient)
131标量场的等值面和
等值线
132方向导数
133梯度(gradient)
14矢量函数的散度(divergence)
141矢量场的矢量
线(力线)
142矢量场的通量
143散度(divergence)
144高斯散度定理
15矢量函数的旋度(rotation)
151矢量的环量
152矢量的旋度(rotation)
153斯托克斯定理
16矢量恒等式与格林定理
161哈密顿一阶微分算子
及恒等式
162哈密顿二阶微分算子
及恒等式
163格林定理
17亥姆霍兹定理(Helmholtz)
171无旋场、 无散场和
调和场
172亥姆霍兹定理
习题
第2章电磁场基本方程
21电磁场的源
211电荷和电荷密度
212电流和电流密度
213电量不变性与连续性
方程
22电场、 磁场和洛仑兹力
221电场
222磁场
223洛仑兹力
23法拉第电磁感应定律
24麦克斯韦方程组
241麦克斯韦方程组
242麦克斯韦方程组的
物理意义
243限定形式的麦克斯韦
方程组
25边界条件
251H的边界条件
252E的边界条件
253D和B的边界条件
26复数形式的麦克斯韦方程
261谐变电磁场场量的
复数表示法
262麦克斯韦方程组的
复数形式
263复介电常数
27电磁能量守恒与转化定律
271坡印廷矢量和坡印
廷定理
272坡印廷定理的复数
形式
273坡印廷矢量的瞬时值
和平均值
习题
第3章静态电磁场
31静电场
311基本方程与边界条件
312电位函数
313电偶极子
314电能与电容
315静电场的算例
32恒定电流的电场
321基本方程与边界条件
322电位函数
323恒定电场与静电场的
对偶
324恒定电场的算例
33恒定电流的磁场
331基本方程与边界条件
332矢量磁位
333磁偶极子
334磁场的能量
335互感与自感
336恒定磁场的计算实例
34似稳电磁场
341似稳场的基本方程
342基尔霍夫定律
343似稳场的算例
习题
第4章静态场边值问题
41唯一性定理
411静态场边值问题分类
412唯一性定理
42分离变量法
421直角坐标系中的分离
变量法
422极坐标系中的分离
变量法
*423圆柱坐标系中的分离
变量法
43镜像法
431静电场中的镜像法
*432恒定磁场中的镜像法
433电轴法
434镜像法小结
*44格林函数法
441格林函数法的基本
思想
442泊松方程的基本积分
公式
443格林函数法的积分
公式
444格林函数举例
习题
第5章无界空间中的均匀平面波
51无耗媒质中的均匀平面波
511理想介质中的波动
方程
512波动方程的解
513理想介质中均匀平面
波的传播特性
514均匀平面波解的推广
52沿任意方向传播的均匀
平面波
521沿x轴方向传播的
均匀平面波
522沿y轴方向传播的
均匀平面波
523沿任意方向传播的
均匀平面波
53电磁波的极化
531线极化
532圆极化
533椭圆极化
54媒质的分类
541良导体条件
542媒质的分类
543导电媒质中的场方程
55有耗媒质中的均匀平面波
551有耗媒质中的波动
方程及其解
552传播常数和波阻抗的
计算
553有耗媒质中均匀平面
波的传播特性
*56电磁波的传播速度
561相速与视在相速
562群速度
563能量速度
习题
第6章均匀平面波的反射与折射
61反射定律与折射定律
62对两种不同媒质分界面的
垂直入射
621均匀平面波垂直入射
到理想导体表面
622均匀平面波垂直入射
到理想介质表面
*623均匀平面波垂直入射
到有耗媒质表面
*63对多层媒质分界面的垂直入射
631半波长夹层介质
6321/4波长的涂敷层
633消除良导体表面的
反射
64对两种不同媒质分界面的
斜入射
641均匀平面波斜入射到
理想介质表面
*642均匀平面波斜入射
到导体表面
习题
第7章电磁波的辐射
71矢量磁位与标量电位
711时变场的动态位
712谐变场的动态位
72滞后位
73电偶极子的辐射
731电偶极子的数学模型
732电偶极子的矢量磁位
*733电偶极子的标量电位
734电偶极子的电磁场解
735电偶极子的辐射场
736电偶极子的辐射特性
74方向函数与方向图
741方向函数
742方向图
*743方向系数
*75磁偶极子的辐射
751磁偶极子的模型
752磁偶极子的矢量磁位
753磁偶极子的电磁场解
754对偶原理
755磁偶极子的辐射特性
756磁偶极子的辐射功率
*76惠更斯元的辐射
761等效原理
762惠更斯元的辐射场
763惠更斯元的辐射特性
*77对称振子
771结构和辐射场解
772半波振子及其电参数
习题
第8章导行电磁波
81广义传输线理论
811横电模
812横磁模
813混合模
814TEM模
82矩形波导的传输模式
821TM传输模
822TE传输模
*823平面波的斜入射与矩形
波导中的导行波
824矩形波导中的模式
简并
83矩形波导的传输特性
831矩形波导的特性参数
832TE10模的传输特性
833TE10模的场结构
*834TE10模与斜入射
*835波导壁上的面电流
*836TE10模的损耗估算
*84圆形波导
841圆波导中的TM模
842圆波导中的TE模
843圆波导中电磁波的传输
特性
844圆波导中常用模式的
场结构
*85同轴波导
851同轴线上的主模
852同轴线上的高次模
习题
第9章均匀传输线理论
91传输线的等效电路和
电报方程
911传输线的等效电路
912传输线的电报方程
92传输线上的波
921传输线方程的解
922传输线的分类
923波的参量
93端接负载的无耗传输线
931端接负载的无耗传输线
上的电压波和电流波的
表示式
932输入阻抗、 反射系数和
驻波比
94无耗传输线的三种工作状态
941行波状态
942驻波状态
943行驻波状态
95特殊终端条件的传输线
96传输线电路
97传输线的功率传输和匹配
971传输功率与效率
972传输线损耗
973源和负载失配
98史密斯圆图
981阻抗圆图
982导纳的计算
99传输线的阻抗匹配
991用四分之一波长变换器
进行阻抗匹配
992单短截线匹配
910传输线的瞬态分析
9101瞬时响应以及信号
反射图
9102脉冲传输
911路量和场量的比较
习题
附录
附录1必须牢记的若干公式
和定理
附录2矢量代数和矢量分析常用
公式
附录3勒让德方程与勒让德
多项式
附录4贝塞尔方程与贝塞尔函数
附录5狄拉克δ函数简介
附录6球坐标下的散度与旋度
附录7二维域有限元法计算公式的
证明
附录8任意形状的磁偶极子模型的
矢位
部分习题答案