本书讲述“电磁场与波”的基本概念、基本分析与计算方法以及基本原理。本书力求内容精练，物理概念清晰，文字易懂，便于自学。本书包括：矢量分析、静电场、恒定电场、静磁场、时变电磁场、平面电磁波、规则传输系统以及电磁波的辐射和接收的理论8章，本书每章均精选了适量的例题和习题，例题和习题涵盖核心内容，选题广泛，难易适中。
本书可供工科信息工程、电子科学与技术、微电子以及电气工程等专业的本科生以及专科生用作教材，也可供高校有关专业的学生和有关科技人员用作参考书。
本书是为高等学校工科电气信息类各专业本科生学习电磁场与波课程而编写的教学用书。本书不仅可供工科电子类诸多专业的本科生、专科生使用，而且可供其他相近专业的本科生使用。同时，该教材还可供各相关技术领域的工程技术人员作为自学读物。
本书较为全面、系统、深入地阐述和电磁场与波有关的基本理论、基本概念及基本分析方法。本书内容精炼，由浅入深，概念清晰，推导严谨；内容结构模块化，文字易懂，便于教学研究型及教学型课程的讲授和自学。本书每章均精选大量的例题和习题。其中例题及习题涵盖核心内容，选题宽泛，难易兼顾，独树一帜。
本书特点
系统、精炼的内容，满足多种方式的教学需求；
清晰、严谨的叙述，梳理难易适度的基础知识；
典型、丰富的例题，精析核心内容的问题求解；
新颖、宽泛的习题，激发解决问题的创新思维。
电磁场与波课程是电子信息类专业本科生必修的一门重要的专业基础课，它涉及的内容是电子信息类专业本科学生应具备的知识结构的必要组成部分，同时又是众多相关的交叉学科的生长点和新兴边缘学科发展的基础。
本书是为高等学校工科电气信息类各专业本科生学习电磁场与波课程而编写的教学用书。作者以本书中的主要内容作为素材，在近几届“电磁场与波”和“电磁场”两门课程的授课中使用，收到较好的教学效果。
本书的编写宗旨是，根据实际需要，较为全面、系统、深入地阐述和电磁场与波有关的基本理论、基本概念及基本分析方法。对于理论和概念的表述力求准确明了；对有关定律、定理和重要公式的证明和推导，力求严谨、易懂以及富有启发性。
本书共分8章。第1章是学习本课程的数学理论和工具。第2～4章是静态场的内容，主要阐述静电场、恒定电场和静磁场的基本规律、电场与磁场的求解、位函数及其方程以及电容、电导、电感和磁路的计算等。第5章主要介绍麦克斯韦方程组和电磁场运动的基本规律，在较系统地引出麦克斯韦方程组和不同媒质交界面处的边界条件的基础上，介绍时变电磁场的坡印亭定理、波动方程和位函数以及时谐电磁场的复数表示。第6～8章是平面电磁波、导行电磁波以电磁波的辐射方面的内容，它们构成了电磁场与波理论中有关波的主要内容，是研究电磁波各种基本问题的基础。本书借鉴国内外优秀教材的成功之处，并结合编者多年从事电磁场与微波技术领域多门课程的教学经验编写而成。本书具有以下特点:
①按照电气信息类宽口径专业设定教材内容，适当突破目前相关教材内容侧重强电或弱电的瓶颈，采取强电和弱电兼顾、场与波并重的方式组织内容。
②在知识结构安排上，以理论分析和数学推导为基础，采用由浅入深、由简到繁和模块化处理以及从特殊到一般的循序渐进方法阐述相关内容，这不仅有助于学生建立电磁场与波理论的整体概念，而且便于任课教师根据课时和不同层次的学生灵活地取舍和组合“特殊”和“一般”的内容，兼顾教学研究型和教学型的课堂教学内容。
③在注重电磁场与波的基本概念、基本规律和基本分析方法的基础上，重视电磁场与波理论中重点和难点问题或一般教材中讲述较少内容的介绍，以扩大修课学生的知识面，激发学生运用电磁场与波的理论解决综合性问题的兴趣；适时地加强电磁场与波理论中涉及的定理、定律、重要公式以及结论的证明，以帮助学生透彻理解内容，开阔解题思路；注重电磁场与波的理论与实际问题的有机结合，激发学生运用电磁场与波的理论解决当今高科技领域出现的实际问题和工程问题的兴趣，培养学生的创新能力和解决工程问题的意识。
④本书各章精选了大量涵盖核心内容的例题和习题（全书共360余道），例题和习题的选题宽泛，难易兼顾，独树一帜。此外，附录提供了与本书内容有关的矢量分析与场论的公式、数学知识和常用的参数或常数，以备读者学习或阅读时查阅。
本书的读者需具有大学物理、工程数学有关的基础知识。本书的参考教学学时数为68学时（包括实验），若学时数为54或45学时等，则可根据需要删减各章中加注“*”号的部分内容以及各章节中的“一般”性内容，而第8章则可根据需要或少学时等情况部分或全部删减。删减部分内容后，基本不会影响本书内容的连贯性。
本书主要由周希朗编写，上海交通大学“电磁场与波”课程和“电磁场”课程任课老师金荣洪教授、肖高标教授、王君艳副教授、李旭光副教授、耿军平副教授、何广强副教授、梁仙灵副教授、刘长红副教授、谢宝昌副教授和东华大学陈光教授、单志勇副教授、朱明达博士以及上海大学沈文辉副教授等曾参与了部分工作。书稿中部分章节的内容承蒙金荣洪教授和陈光教授分别仔细审阅，提出了许多宝贵的修改意见。在本书的编写过程中，本校教务处、电子信息与电气工程学院及电子工程系有关领导张焰副院长、徐国治系主任、陈建平系主任、马伟敏副系主任以及周玲玲副系主任曾给予了多方面的鼓励、支持与帮助，机械工业出版社的王颖副总编和谢晓芳责任编辑以及有关人员为本书的编辑、出版提供了无私的帮助，做了认真、细致的工作。编者的在读博、硕士研究生对书稿部分章节的内容做了校对工作。对上述在本书的编写、出版工作中曾给予鼓励、支持和帮助的同志们，编者一并表示衷心的感谢。
由于编者学识水平有限和时间仓促，书中难免存在疏漏或错误，衷心欢迎使用本书的读者及同行批评指正。
编者
2013年秋
电子与电气工程
本书是为高等学校工科电气信息类各专业本科生学习电磁场与波课程而编写的教学用书。本书不仅可供工科电子类诸多专业的本科生、专科生使用，而且可供其他相近专业的本科生使用。同时，该教材还可提供为各相关技术领域的工程技术人员作为自学读物。
本书较为全面、系统、深入地阐述与电磁场与波有关的基本理论、基本概念和基本分析方法。本书内容精炼，由浅入深，概念清晰，推导严谨；内容结构模块化，文字易懂，便于教学研究型及教学型课程的讲授和自学。本书每章均精选了大量的例题和习题。其中例题及习题涵盖核心内容，选题宽泛，难易兼顾，独树一帜。
本书特色：
系统、精炼的内容，满足多种方式的教学需求；
清晰、严谨的叙述，梳理难易适度的基础知识；
典型、丰富的例题，精析核心内容的问题求解；
新颖、宽泛的习题，激发解决问题的创新思维。
前言
教学建议
本书采用的主要符号和函数
第1章 矢量分析与场论1
1.1 矢量的表示及其代数运算1
1.1.1 矢量的表示及距离矢量1
1.1.2 矢量的代数运算2
1.2 标量场和矢量场4
1.3 标量场的梯度5
1.3.1 梯度的定义5
1.3.2 梯度运算的基本公式7
1.4 矢量场的通量、散度与散度定理7
1.4.1 通量7
1.4.2 散度的定义8
1.4.3 散度运算的基本公式10
1.4.4 散度定理与梯度积分公式10
1.5 矢量场的环量、旋度与斯托克斯定理11
1.5.1 环量11
1.5.2 旋度的定义12
1.5.3 旋度运算的基本公式14
1.5.4 斯托克斯定理与旋度定理14
1.6 标量场、矢量场的重要性质和定理15
1.6.1 两个重要性质15
1.6.2 三个重要定理16
1.7 正交曲线坐标系19
1.7.1 正交曲线坐标系的单位矢量和度量因子19
1.7.2 正交曲线坐标系中场论的表达式24
习题27
第2章 静电场30
2.1 真空中静电场的基本方程30
2.1.1 静电场的源——电荷和电荷密度30
2.1.2 真空中静电场的基本方程31
2.2 电位及其电位方程35
2.2.1 电位35
2.2.2 电位方程38
2.3 电介质中的静电场39
2.3.1 电偶极子的电位和电场强度39
2.3.2 电介质中的静电场41
2.4 静电场中的导体与带电系统中的电容45
2.4.1 静电场中导体的特点45
2.4.2 电容46
2.4.3 部分电容47
2.5 静电场的边界条件49
2.5.1 场矢量E和D的边界条件49
2.5.2 电位的边界条件50
2.6 静电场边值问题的解法52
2.6.1 分离变量法53
2.6.2 镜像法59
2.7 静电场的能量、能量密度与电场力69
2.7.1 静电场的能量和能量密度69
2.7.2 用虚位移法求电场力71
习题73
第3章 恒定电场77
3.1 恒定电场的源——恒定电流77
3.1.1 运流电流与电流密度77
3.1.2 传导电流与电流密度78
3.2 电荷守恒定律（电流连续性方程）79
3.3 恒定电场的形成81
3.4 恒定电场的基本方程82
3.5 恒定电场的边界条件83
3.6 损耗功率与焦耳定律84
3.7 静电比拟与接地电阻85
3.7.1 静电比拟85
3.7.2 接地电阻86
习题87
第4章 静磁场90
4.1 真空中静磁场的基本方程90
4.1.1 毕奥萨伐尔定律与磁通量密度90
4.1.2 磁通量与磁通连续性原理93
4.1.3 安培环路定律与磁场强度94
4.2 静磁场的矢量磁位及其方程96
4.2.1 矢量磁位96
4.2.2 矢量磁位方程97
4.3 磁介质中的静磁场98
4.3.1 磁偶极子的矢量磁位和磁通量密度98
4.3.2 磁介质中的静磁场101
4.4 静磁场的边界条件106
4.4.1 场矢量B和H的边界条件106
4.4.2 矢量磁位A的边界条件107
4.5 标量磁位及其方程109
4.5.1 标量磁位109
4.5.2 标量磁位方程110
4.5.3 镜像法113
4.6 电感114
4.6.1 自感114
4.6.2 互感116
4.7 静磁场的能量、能量密度与磁场力117
4.7.1 静磁场的能量与能量密度117
4.7.2 用虚位移法求磁场力120
4.8 磁路121
习题124
第5章 时变电磁场130
5.1 电磁感应定律与全电流定律130
5.1.1 电磁感应定律130
5.1.2 全电流定律132
5.2 麦克斯韦方程组133
5.2.1 微分形式的麦克斯韦方程组133
5.2.2 时变电磁场的本构关系134
5.2.3 积分形式的麦克斯韦方程组134
5.3 时变电磁场的边界条件135
5.3.1 一般情况135
5.3.2 特殊情况137
5.4 坡印亭定理与坡印亭矢量138
5.4.1 坡印亭定理138
5.4.2 坡印亭矢量139
5.4.3 时变电磁场的唯一性定理140
5.5 波动方程与电磁位函数141
5.5.1 波动方程141
5.5.2 电磁位函数的方程及其解141
5.6 时谐（正弦）电磁场的复数表示146
5.6.1 复数形式的麦克斯韦方程组147
5.6.2 复数形式的边界条件147
5.6.3 复矢量E和H的矢量亥姆霍兹方程148
5.6.4 复坡印亭矢量与复坡印亭定理149
习题151
第6章 平面电磁波155
6.1 理想媒质中的平面波155
6.1.1 平面波的电磁场155
6.1.2 平面波的传播特性参量与传播特性158
6.1.3 平面波的一般解——沿任意方向传播的平面波159
6.2 导电媒质中的平面波163
6.2.1 导电媒质的分类163
6.2.2 平面波在导电媒质中的传播特性165
6.2.3 群速170
6.3 平面波的极化171
6.3.1 线极化172
6.3.2 圆极化172
6.3.3 椭圆极化173
6.4 平面波在两种媒质的平面交界面上的垂直入射174
6.4.1 两种理想媒质平面交界面上的垂直入射174
6.4.2 理想媒质与导体平面交界面上的垂直入射177
6.4.3 多层介质表面的垂直入射181
6.5 平面波在两种媒质平面交界面上的斜入射185
6.5.1 两种理想媒质平面交界面上的斜入射185
6.5.2 理想媒质与导体平面交界面上的斜入射191
6.5.3 全反射与全透射195
习题198
第7章 导行电磁波203
7.1 柱形传输系统中的导波及其特性204
7.1.1 柱形传输系统中导波的电磁场204
7.1.2 导波的分类及其传输特性206
7.2 TEM模传输线的理论基础214
7.2.1 传输线的分布参数及其等效电路215
7.2.2 一般形式传输线的方程及其解217
7.2.3 输入阻抗和反射系数223
7.2.4 均匀无耗传输线端接不同负载时的工作状态225
7.2.5 传输线的传输功率与回波损耗232
7.2.6 传输线的阻抗匹配236
7.3 金属波导与同轴线中的导波243
7.3.1 平行板波导中的导波243
7.3.2 矩形波导中的导波247
7.3.3 圆形波导中的导波259
7.3.4 同轴线中的导波268
7.3.5 金属波导的激励与耦合273
7.4 其他TEM模和准TEM模传输线中的导波274
7.4.1 带状线中的导波275
7.4.2 微带线中的导波277
7.4.3 其他准TEM模和非TEM模传输线中的导波284
习题286
第8章 电磁波的辐射和接收的基础理论292
8.1 电磁波辐射的基本概念与电磁对偶性原理292
8.1.1 辐射的基本概念292
8.1.2 时谐场的滞后位293
8.1.3 电磁对偶性原理294
8.2 基本振子与基本面元的辐射295
8.2.1 基本电振子的辐射295
8.2.2 基本磁振子的辐射300
8.2.3 基本面元（惠更斯元）的辐射304
8.3 天线的基本参数306
8.3.1 天线的方向图及其有关参数306
8.3.2 效率310
8.3.3 增益系数311
8.3.4 有效长度与有效长度矢量312
8.3.5 输入阻抗312
8.3.6 天线的极化313
8.4 对称振子天线314
8.4.1 对称振子的电流分布与远区辐射场314
8.4.2 对称振子的方向图与辐射电阻316
8.4.3 对称振子的有效长度317
8.5 天线阵318
8.5.1 增强天线方向性的基本原理318
8.5.2 二元阵319
8.5.3 导电体对天线的影响324
8.5.4 均匀直线阵326
8.6 平面口径的辐射329
8.7 互易定理与接收天线理论331
8.7.1 互易定理331
8.7.2 接收天线理论332
习题340
附录A 主要矢量分析与场论公式345
附录B 常用正交曲线坐标系中的场论恒等式347
附录C 空间δ函数的定义与性质348
附录D 常用材料的参数和物理常数351
参考文献353
