電磁場(chǎng)與電磁波導(dǎo)論

前言

“電磁場(chǎng)與電磁波導(dǎo)論”一直是電氣與電子工程學(xué)習(xí)計(jì)劃中最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。它是已經(jīng)完善確立的普遍理論，能夠?yàn)槠渌碚撍荒芙鉀Q的復(fù)雜電磁場(chǎng)和電磁波的問題提供的理論基礎(chǔ)。但是在多年的教學(xué)實(shí)踐中，我們深刻體會(huì)到：一方面對(duì)于本課程中出現(xiàn)大量的公式、定律、定理學(xué)生們感到難以理解，且容易混淆概念；另一方面對(duì)于矢量微分及矢量積分公式仍不能十分熟練地應(yīng)用。為此在編著本書的過程中，我們多次討論了本教材的教學(xué)大綱。本著與時(shí)俱進(jìn)、開拓創(chuàng)新的時(shí)代精神，我們沿著電磁場(chǎng)理論發(fā)展的歷史脈絡(luò)，追蹤前人進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)探索的艱辛里程，將歷史發(fā)展的趣味性與理論敘述和推導(dǎo)有機(jī)地結(jié)合起來，同時(shí)論述了電磁場(chǎng)與電磁波在日常生活和科學(xué)研究中的廣泛應(yīng)用。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生傾向于將理論推導(dǎo)看成觀念的抽象，并特別注重某些方程式，認(rèn)為它們是公式。但是學(xué)生很快就發(fā)現(xiàn)這些所謂的公式，不僅對(duì)于不同的媒質(zhì)而且對(duì)于不同的坐標(biāo)系都是不同的。于是這就成了為獲得信息與電氣工程學(xué)士學(xué)位而必須通過的一門“困難”課程。僅僅計(jì)算一個(gè)場(chǎng)量，就需要一組方程式，這可能使他們感到畏懼和困惑并對(duì)這門課程失去興趣。所以我們認(rèn)為教師的職責(zé)是：①說明每一項(xiàng)推導(dǎo)的目的；②證明一些假設(shè)對(duì)于這個(gè)推導(dǎo)是絕對(duì)必要的；③強(qiáng)調(diào)它們的局限性；④突出它的局限性的作用；⑤舉例說明幾何形狀對(duì)一個(gè)方程式的影響。為此，教師必須應(yīng)用他們自己在這一學(xué)科的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也強(qiáng)調(diào)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用。他們還必須在討論基礎(chǔ)理論的同時(shí)，注重介紹這個(gè)領(lǐng)域中的一些新進(jìn)展。例如，在講解電磁場(chǎng)的邊值問題時(shí)，教師可以討論高速高密集成電路中互連結(jié)構(gòu)的電磁參數(shù)提取；在討論平面電磁波的傳播時(shí)，討論在移動(dòng)通信技術(shù)中采用的地面發(fā)射模型；在討論導(dǎo)行電磁波的傳播時(shí)，討論了監(jiān)測(cè)電離層變化的多部測(cè)量雷達(dá)組成的網(wǎng)絡(luò)。在適當(dāng)?shù)刂v解了主要內(nèi)容并從基本定律出發(fā)推導(dǎo)出相關(guān)的方程式后，學(xué)生應(yīng)該在學(xué)習(xí)中做到：①領(lǐng)會(huì)電磁場(chǎng)與電磁波理論的發(fā)展歷史；②排除畏難恐懼的情緒；③重新獲得學(xué)習(xí)的動(dòng)力和信心；④掌握分析問題和解決問題的能力；⑤把握推理的能力以開拓新的見解和領(lǐng)域。本書分為9章。第1章介紹電磁場(chǎng)理論建立的意義和應(yīng)用范圍，以及電磁場(chǎng)理論的基礎(chǔ)——麥可斯韋方程組。第2章討論庫侖定理、電場(chǎng)強(qiáng)度、靜電場(chǎng)的基本方程、高斯定理和應(yīng)用、標(biāo)量電位函數(shù)、電媒質(zhì)中的高斯定律、靜電場(chǎng)的邊界條件、電容和電容器、靜電場(chǎng)的能量和力、恒定電流電場(chǎng)，以及恒定電場(chǎng)與靜電場(chǎng)的比擬。第3章討論電磁場(chǎng)的邊值問題，包括泊松方程和拉普拉斯方程、靜態(tài)場(chǎng)解的唯一性定理、分離變量法、鏡像法和復(fù)變函數(shù)法。第4章討論靜磁場(chǎng)，包括建立安培環(huán)路定律的歷史及意義、靜磁場(chǎng)的基本方程、比奧-薩伐爾定律、磁介質(zhì)中的安培定律、靜磁場(chǎng)的邊界條件，以及靜磁場(chǎng)的能量和力等第5章討論時(shí)變場(chǎng)，包括麥克斯韋理論的建立及意義、法拉第電磁感應(yīng)定律、麥克斯韋方程組、時(shí)變電磁場(chǎng)的邊界條件、坡印廷定律、正弦電磁場(chǎng)、復(fù)電容率及復(fù)磁導(dǎo)率的概念以及核磁共振效應(yīng)。第6章討論準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)的問題，包括準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)的基本方程、準(zhǔn)靜態(tài)位，以及準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)的邊界條件等。第7章討論平面電磁波在理想媒質(zhì)、導(dǎo)電媒質(zhì)和各向異性媒質(zhì)中的傳播，以及在導(dǎo)電平面和媒質(zhì)平面邊界上的垂直入射和斜入射。第8章討論導(dǎo)行電磁波的一般分析方法，以及在矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)和同軸線中的傳播。第9章討論諧振器發(fā)展演化的歷史和分類，以及傳輸線諧振器、同軸線諧振器矩形波導(dǎo)諧振器和圓柱波導(dǎo)諧振器的特性。本書力圖敘述清晰連貫、邏輯順暢。本書附有大量例題，目的在于強(qiáng)調(diào)基本概念，并說明分析和解決典型問題的方法；每章末尾所附的思考題，用于測(cè)驗(yàn)學(xué)生對(duì)于本章內(nèi)容的記憶和理解程度；每章的習(xí)題是專門為了增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于公式中不同物理量的相互關(guān)系的理解而設(shè)立的，同時(shí)也是為了培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用公式分析和解決問題的能力。

內(nèi)容概要

　　《電磁場(chǎng)與電磁波導(dǎo)論》主要介紹電磁場(chǎng)與電磁波的發(fā)展歷史、基本理論、基本概念、基本方法以及在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用，內(nèi)容包括電磁場(chǎng)與電磁波理論建立的歷史意義、靜電場(chǎng)與恒流電場(chǎng)、電磁場(chǎng)的邊值問題、靜磁場(chǎng)、時(shí)變場(chǎng)和麥克斯韋方程組、準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)、平面電磁波的傳播、導(dǎo)行電磁波以及諧振器原理等。全書沿著電磁場(chǎng)與電磁波理論和實(shí)踐發(fā)展的歷史脈絡(luò)，將歷史發(fā)展的趣味性與理論敘述和推導(dǎo)有機(jī)結(jié)合，同時(shí)介紹了電磁場(chǎng)與電磁波在日常生活、經(jīng)濟(jì)社會(huì)以及科學(xué)研究中的廣泛應(yīng)用。書中的大量例題強(qiáng)調(diào)了基本概念并說明分析和解決典型問題的方法；每章末的思考題用于測(cè)驗(yàn)學(xué)生對(duì)本章內(nèi)容的記憶和理解程度；每章的習(xí)題可增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于公式中不同物理量的相互關(guān)系的理解，同時(shí)也可培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用公式分析和解決問題的能力?！　∽x者對(duì)象：　　《電磁場(chǎng)與電磁波導(dǎo)論》可作為電子信息與電氣類專業(yè)的本科生教材，也可供其他相關(guān)專業(yè)教學(xué)使用。

書籍目錄

第1章 緒論	11.1 電磁場(chǎng)理論建立的歷史意義	11.2 電磁場(chǎng)理論與現(xiàn)代電子信息技術(shù)	11.2.1 無線通信系統(tǒng)	11.2.2 雷達(dá)系統(tǒng)	21.2.3 軍事應(yīng)用	31.3 電磁場(chǎng)學(xué)科的應(yīng)用范圍	41.4 麥克斯韋方程組——電磁場(chǎng)理論的基礎(chǔ)	6思考題	6第2章 靜電場(chǎng)與恒流電場(chǎng)	72.1 庫侖定律的建立及意義	72.2 庫侖定律和電場(chǎng)強(qiáng)度的定義	82.2.1 庫侖定律	82.2.2 電場(chǎng)強(qiáng)度的定義	92.3 靜電場(chǎng)的基本方程	92.4 電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算	102.4.1 離散電荷系統(tǒng)的電場(chǎng)強(qiáng)度	112.4.2 連續(xù)分布電荷的電場(chǎng)	132.5 高斯定理及其應(yīng)用	142.6 標(biāo)量電位函數(shù)	172.6.1 離散電荷的電位	182.6.2 分布電荷的電位	192.7 電媒質(zhì)中的高斯定理	212.7.1 極化媒質(zhì)的等效電荷分布	212.7.2 媒質(zhì)中的合成電場(chǎng)	232.7.3 媒質(zhì)中的高斯定理	232.7.4 媒質(zhì)強(qiáng)度	242.8 靜電場(chǎng)的邊界條件	262.9 電容和電容器	282.10 靜電場(chǎng)的能量和力	302.10.1 用電荷和電位函數(shù)表示的靜電能量	302.10.2 用場(chǎng)量表示的靜電能量	312.10.3 靜電力	332.11 恒流電場(chǎng)	352.11.1 恒流電場(chǎng)的基本方程	352.11.2 導(dǎo)電回路中的外加電場(chǎng)	372.11.3 功率耗散和焦耳定律	382.11.4 恒流電場(chǎng)的邊界條件	382.12 恒流電場(chǎng)與靜電場(chǎng)的比擬	402.12.1 靜電比擬法	402.12.2 電導(dǎo)	402.13 應(yīng)用實(shí)例	422.14 小結(jié)	42思考題	43習(xí)題	43第3章 邊值問題	473.1 引言	473.2 泊松方程和拉普拉斯方程	473.3 靜態(tài)場(chǎng)解的唯一性定理	493.4 分離變量法	503.4.1 直角坐標(biāo)系中的分離變量法	513.4.2 圓柱坐標(biāo)系中的分離變量法	553.4.3 球面坐標(biāo)系中的分離變量法	593.5 鏡像法	623.5.1 點(diǎn)電荷和導(dǎo)體平面	623.5.2 線電荷和平行導(dǎo)體圓柱	643.5.3 點(diǎn)電荷和導(dǎo)體球	663.6 復(fù)變函數(shù)法	673.6.1 復(fù)電位函數(shù)法	683.6.2 保角變換法	693.6.3 復(fù)變函數(shù)法應(yīng)用的類型	713.6.4 許瓦茲變換	733.7 應(yīng)用實(shí)例	763.8 小結(jié)	77思考題	77習(xí)題	78第4章 靜磁場(chǎng)	814.1 安培環(huán)路定律的建立及意義	814.2 靜磁場(chǎng)的基本方程	834.2.1 靜磁場(chǎng)的定義	834.2.2 自由空間靜磁場(chǎng)的基本假設(shè)	834.3 矢量磁位	854.4 比奧-薩伐爾定律及應(yīng)用	864.5 磁偶極子	884.6 磁媒質(zhì)中的安培定律	904.6.1 磁化強(qiáng)度矢量	904.6.2 磁場(chǎng)強(qiáng)度和相對(duì)磁導(dǎo)率	914.7 標(biāo)量磁位	924.8 靜磁場(chǎng)的邊界條件	934.9 電感和電感器	964.10 靜磁場(chǎng)的能量和力	1004.10.1 用場(chǎng)量表示靜磁能	1014.10.2 靜磁力	1024.10.3 用磁場(chǎng)儲(chǔ)能表示力	1044.11 應(yīng)用實(shí)例	1054.12 小結(jié)	106思考題	106習(xí)題	107第5章 時(shí)變場(chǎng)	1105.1 麥克斯韋理論的建立及意義	1105.1.1 法拉第電磁感應(yīng)定律的建立	1105.1.2 麥克斯韋理論的建立	1125.2 法拉第電磁感應(yīng)定律	1155.2.1 時(shí)變磁場(chǎng)中的靜止回路	1155.2.2 靜磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體	1165.2.3 時(shí)變磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)回路	1165.3 全電流定律	1195.4 麥克斯韋方程組	1205.5 媒質(zhì)分界面的邊界條件	1235.6 達(dá)朗貝爾方程	1255.7 坡印廷定律	1275.8 正弦電磁場(chǎng)	1295.8.1 正弦電磁場(chǎng)的復(fù)數(shù)表示法	1295.8.2 位函數(shù)的復(fù)數(shù)表示法	1305.8.3 坡印廷矢量的復(fù)數(shù)表示法	1305.9 復(fù)電容率和復(fù)磁導(dǎo)率	1315.9.1 復(fù)電容率的概念	1315.9.2 復(fù)磁導(dǎo)率的概念	1325.10 核磁共振效應(yīng)	1325.11 小結(jié)	134思考題	135習(xí)題	135第6章 準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)	1386.1 對(duì)麥克斯韋理論革命重新評(píng)價(jià)的歷史	1386.2 動(dòng)態(tài)場(chǎng)的基本方程	1406.3 準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)的分類和特點(diǎn)	1416.4 準(zhǔn)靜態(tài)位	1416.5 導(dǎo)電媒質(zhì)中自由電荷的弛豫過程	1426.6 導(dǎo)電媒質(zhì)分界面自由電荷的積累過程	1446.7 通過導(dǎo)電媒質(zhì)薄環(huán)的磁擴(kuò)散過程	1476.8 電子回旋加速器	1486.9 小結(jié)	150思考題	150習(xí)題	150第7章 平面電磁波的傳播	1537.1 海因利希?赫茲實(shí)驗(yàn)的貢獻(xiàn)	1537.2 在理想媒質(zhì)中的平面電磁波	1547.2.1 沿特定方向軸傳播的平面電磁波	1557.2.2 平面波的極化	1587.3 在導(dǎo)電媒質(zhì)中的平面電磁波	1607.3.1 在低損耗媒質(zhì)中?和?的特性	1617.3.2 在良導(dǎo)體中?和?的特性	1617.3.3 群速	1647.4 各向異性媒質(zhì)中的電磁波	1667.4.1 等離子體中的電磁波	1667.4.2 鐵氧體中的電磁波	1697.5 在導(dǎo)電平面邊界上的垂直入射	1737.6 在導(dǎo)電平面邊界上的斜入射	1767.6.1 垂直極化	1767.6.2 平行極化	1787.7 在媒質(zhì)平面邊界上的垂直入射	1797.8 在媒質(zhì)平面邊界上的斜入射	1827.8.1 垂直極化	1827.8.2 平行極化	1847.8.3 全反射現(xiàn)象	1867.9 應(yīng)用實(shí)例	1877.10 小結(jié)	189思考題	189習(xí)題	190第8章 導(dǎo)行電磁波	1958.1 引言	1958.2 導(dǎo)波的一般分析方法	1978.2.1 規(guī)則波導(dǎo)中波的一般分析方法	1978.2.2 TEM模傳輸線	2008.2.3 導(dǎo)行波為橫電波（TE模）	2018.2.4 導(dǎo)行波為橫磁波（TM模）	2028.3 矩形波導(dǎo)中的導(dǎo)波	2028.3.1 矩形波導(dǎo)中的TM波	2028.3.2 矩形波導(dǎo)中的TE波	2048.3.3 矩形波導(dǎo)中導(dǎo)波的傳輸特性	2058.4 圓波導(dǎo)中的導(dǎo)波	2138.4.1 圓波導(dǎo)中的TE模（H波）	2148.4.2 圓波導(dǎo)中的TM模（E波）	2168.5 同軸線中的導(dǎo)波	2188.5.1 同軸線的主模TEM波	2188.5.2 同軸線中的高次模	2208.5.3 同軸線尺寸的選擇	2218.6 應(yīng)用實(shí)例	2228.7 小結(jié)	223思考題	223習(xí)題	224第9章 諧振器原理	2289.1 無線電技術(shù)領(lǐng)域中諧振器的發(fā)展歷史	2289.2 諧振器的分類	2289.3 傳輸線諧振器	2299.3.1 集總參數(shù)諧振電路	2299.3.2 傳輸線的阻抗參數(shù)	2319.3.3 終端短路諧振線	2329.3.4 終端開路諧振器	2349.4 同軸線諧振器	2369.4.1 同軸腔的Q值	2389.4.2 諧振阻抗	2399.5 矩形波導(dǎo)諧振器	2409.5.1 諧振頻率	2409.5.2 矩形諧振腔的Q值	2439.6 圓柱波導(dǎo)諧振器	2449.6.1 諧振頻率	2459.6.2 幾個(gè)重要的振蕩模式	2469.6.3 圓柱腔的Q值	2489.7 應(yīng)用實(shí)例	2519.8 小結(jié)	252思考題	252習(xí)題	253附錄A 矢量分析	254附錄B 單位和符號(hào)	281附錄C 一些常用材料的基本常量	283

章節(jié)摘錄

插圖：第2章靜電場(chǎng)與恒流電場(chǎng)2.1庫侖定律的建立及意義最早推出電力平方反比律的是普里斯特利（Priestley，1732——1804）。普里斯特利的好友、著名的美國電學(xué)家富蘭克林（Franklin，1706-1790）曾經(jīng)觀察到放在金屬杯中的軟木小球不受金屬杯上電荷的影響。他把觀察到的現(xiàn)象告訴普里斯特利，希望他重新做此實(shí)驗(yàn)，并確認(rèn)這一事實(shí)。1766年，普里斯特利做了實(shí)驗(yàn)，他使空腔金屬容器帶電，但發(fā)現(xiàn)其內(nèi)表面卻沒有電荷，而且金屬容器對(duì)于放置于其內(nèi)部的電荷明顯沒有作用力。他立刻想到這一現(xiàn)象與萬有引力的情形非常相似，即放在均勻物質(zhì)球殼內(nèi)的物質(zhì)不會(huì)受到來自殼體本身物質(zhì)的作用力。因此，他猜測(cè)電力與萬有引力有相同的規(guī)律，即兩個(gè)電荷之間的作用力應(yīng)與它們之間距離的平方成反比。這是一項(xiàng)重要的類比猜測(cè)，但是這一猜測(cè)在當(dāng)時(shí)并未引起科學(xué)家們的重視，而普里斯特利本人對(duì)此猜測(cè)能否得到嚴(yán)格的證明又缺乏信心，所以這一發(fā)現(xiàn)就被擱置了。1769年，愛丁堡的諾比森（Robison，l739-1805）首先用直接測(cè)量方法確定電力的定律，他得到兩個(gè)同號(hào)電荷的斥力與它們之間距離的2.06次方成反比，而兩個(gè)異號(hào)電荷的吸引力則比平方反比的方次要小些，因此他推斷正確的電力定律是平方反比律。他的研究結(jié)果到1801年發(fā)表時(shí)才為人們所知道。1772年，英國著名的物理學(xué)家卡文迪什（Cavendish，1731-1810）遵循普里斯特利的思想以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電力平方反比律。如果實(shí)驗(yàn)測(cè)定帶電空腔導(dǎo)體的內(nèi)表面確實(shí)沒有電荷就可以確定電力遵從平方反比律?？ㄎ牡鲜驳膶?shí)驗(yàn)得出的定量結(jié)果，與l3年后庫侖用扭秤直接測(cè)量所得結(jié)果的精度相當(dāng)。然而，卡文迪什的實(shí)驗(yàn)是精確驗(yàn)證電力平方反比律的開創(chuàng)性工作。

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《電磁場(chǎng)與電磁波導(dǎo)論》是由電子工業(yè)出版社出版的。

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