電磁場(chǎng)與電磁波基礎(chǔ)教程

前言

　　本書是為初學(xué)者編寫的“電磁場(chǎng)與電磁波”的入門教程，適合作為普通高等學(xué)校電子、信息和通信等專業(yè)的本、專科生教材，也供相關(guān)科技人員作為電磁場(chǎng)與電磁波的學(xué)習(xí)參考?！　　半姶艌?chǎng)與電磁波”課程的特點(diǎn)可以概括為：抽象化、數(shù)學(xué)化、難教難學(xué)。讀者對(duì)象與課程特點(diǎn)間不相適應(yīng)的差距所帶來(lái)的困難，要求在教學(xué)上采用一定的方法來(lái)加以化解。本書著重基于教學(xué)角度考慮，從歷史背景、物理概念、分析思路、計(jì)算方法和工程應(yīng)用幾方面全方位介紹電磁場(chǎng)與電磁波的基本知識(shí)，以麥克斯韋方程的建立與應(yīng)用的歷史發(fā)展脈絡(luò)為主線展開論述，符合認(rèn)識(shí)規(guī)律，便于閱讀，易于理解?！　”緯?、2章為數(shù)學(xué)、物理基礎(chǔ)，第3、4章為電磁場(chǎng)部分，第5～7章為電磁波部分，第8章為概括和總結(jié)。本教程以電磁實(shí)驗(yàn)定律為基礎(chǔ)（第2章），以矢量分析為工具（第1章），在時(shí)變條件下將靜態(tài)場(chǎng)推廣為動(dòng)態(tài)場(chǎng)，建立反映動(dòng)態(tài)場(chǎng)變化規(guī)律和特性的麥克斯韋方程（第3、4章），并將麥克斯韋方程用于解決在傳播、傳輸和輻射應(yīng)用領(lǐng)域中動(dòng)態(tài)場(chǎng)的波動(dòng)問(wèn)題（第5～7章），在此基礎(chǔ)上從教學(xué)角度對(duì)電磁場(chǎng)與電磁波的主要問(wèn)題進(jìn)行綜合分析（第8章）?！　榱诉m應(yīng)讀者對(duì)象和課程特點(diǎn)的要求，本書在內(nèi)容安排上具有如下特點(diǎn)：　?。?）內(nèi)容安排由特殊到一般，循序漸進(jìn)，符合認(rèn)識(shí)規(guī)律；　?。?）強(qiáng)化和突出物理概念，簡(jiǎn)化理論推導(dǎo)，易于理解；　　（3）系統(tǒng)介紹計(jì)算方法，范例強(qiáng)調(diào)分析思路，一例多解，開拓思路；　?。?）以場(chǎng)為主，場(chǎng)、路結(jié)合，加強(qiáng)對(duì)比，融會(huì)貫通；　?。?）重視工程應(yīng)用，適當(dāng)外延，滿足不同專業(yè)教學(xué)需求（考慮到非電磁場(chǎng)專業(yè)一般很少安排電波傳播、微波技術(shù)和天線工程等后繼課程，本教程應(yīng)適當(dāng)涵蓋這些課程相關(guān)的電磁基本原理，但不過(guò)多涉及具體工程技術(shù)問(wèn)題。第5～7章作為以場(chǎng)論為基礎(chǔ)的外延和應(yīng)用，已適當(dāng)?shù)於撕罄^的三門課程的理論基礎(chǔ)。第3～7章介紹了電磁場(chǎng)與電磁波的工程應(yīng)用）；　　（6）思考題著重于物理概念和分析思路，可作為復(fù)習(xí)提綱；　?。?）按基本要求精選或設(shè)計(jì)例題和習(xí)題，力求適合讀者的接受程度（少量較難的習(xí)題給出提示）。　　對(duì)本課程的學(xué)習(xí)方法和教材處理提出如下建議供參考。

內(nèi)容概要

　　本書從歷史背景、物理概念、分析思路、計(jì)算方法和工程應(yīng)用幾方面全方位介紹電磁場(chǎng)與電磁波的基本知識(shí)，以麥克斯韋方程的建立與應(yīng)用的歷史發(fā)展脈絡(luò)為主線展開論述，符合認(rèn)識(shí)規(guī)律，便于閱讀，易于理解。主要內(nèi)容包括：場(chǎng)論基礎(chǔ)、電磁實(shí)驗(yàn)定律和場(chǎng)量基本方程、靜態(tài)場(chǎng)、動(dòng)態(tài)場(chǎng)、電磁波的傳播、電磁波的傳輸、電磁波的輻射等，并從綜合分析的角度對(duì)電磁場(chǎng)和電磁波進(jìn)行了概括和總結(jié)?！　”緯峁┡涮纂娮诱n件和習(xí)題解答?！　”緯勺鳛楦叩葘W(xué)校電子、信息和通信等專業(yè)本?？粕腴T教材，也供相關(guān)科技人員作為電磁場(chǎng)與電磁波的學(xué)習(xí)參考。

書籍目錄

第1章　場(chǎng)論基礎(chǔ)1.1　場(chǎng)的概念及其表示法1.1.1　場(chǎng)的分類1.1.2　矢量場(chǎng)的基本運(yùn)算1.1.3　常用正交坐標(biāo)系1.2　場(chǎng)的性質(zhì)和描述1.2.1　場(chǎng)域性質(zhì)1.2.2　場(chǎng)點(diǎn)性質(zhì)1.3　梯度、散度和旋度的比較1.4　常用恒等式和公式1.5　亥姆霍茲定理思考題習(xí)題第2章　電磁實(shí)驗(yàn)定律和場(chǎng)量基本方程2.1　源量的定義和定律2.1.1　電荷和電荷分布2.1.2　電流和電流密度2.1.3　電荷守恒定律與電流連續(xù)性方程2.2　靜止電荷的實(shí)驗(yàn)定律2.2.1　庫(kù)侖和庫(kù)侖定律的建立2.2.2　庫(kù)侖定律和電場(chǎng)強(qiáng)度2.2.3　靜電場(chǎng)基本方程2.3　穩(wěn)恒電流的實(shí)驗(yàn)定律2.3.1　安培和安培定律的建立2.3.2　安培定律和磁感應(yīng)強(qiáng)度2.3.3　靜磁場(chǎng)基本方程2.4　時(shí)變電流的實(shí)驗(yàn)定律2.4.1　法拉第和法拉第電磁感應(yīng)定律的建立2.4.2　法拉第電磁感應(yīng)定律思考題習(xí)題第3章　靜態(tài)場(chǎng)3.1　輔助位和輔助位方程3.1.1　靜電場(chǎng)的標(biāo)量電位和標(biāo)量電位方程3.1.2　靜磁場(chǎng)的矢量磁位和矢量磁位方程3.2　介質(zhì)中的靜態(tài)場(chǎng)——輔助場(chǎng)量方程3.2.1　電介質(zhì)中的靜電場(chǎng)3.2.2　磁介質(zhì)中的靜磁場(chǎng)3.3　導(dǎo)體中的靜態(tài)場(chǎng)——穩(wěn)恒電流場(chǎng)和穩(wěn)恒電場(chǎng)方程3.3.1　導(dǎo)體的傳導(dǎo)性和歐姆定律3.3.2　導(dǎo)體的能量損耗和焦耳定律3.3.3　含源電流回路的電源電動(dòng)勢(shì)3.3.4　穩(wěn)恒電流場(chǎng)和穩(wěn)恒電場(chǎng)方程3.4　靜態(tài)場(chǎng)中的導(dǎo)體3.4.1　電容和電容器3.4.2　電感和電感器3.4.3　電阻和電阻器3.5　靜態(tài)場(chǎng)的邊界條件3.5.1　靜電場(chǎng)的邊界條件3.5.2　靜磁場(chǎng)的邊界條件3.5.3　穩(wěn)恒電流場(chǎng)和穩(wěn)恒電場(chǎng)的邊界條件*3.6　靜態(tài)場(chǎng)的能量3.6.1　靜電場(chǎng)的能量3.6.2　靜磁場(chǎng)的能量3.7　靜態(tài)場(chǎng)的計(jì)算方法3.7.1　靜態(tài)場(chǎng)的分布型問(wèn)題3.7.2　靜態(tài)場(chǎng)的邊值型問(wèn)題3.7.3　直接積分法*3.7.4　分離變量法3.7.5　鏡像法3.7.6　無(wú)源區(qū)問(wèn)題的類比解法3.8　靜態(tài)場(chǎng)的應(yīng)用3.8.1　靜電比擬在電解槽中的應(yīng)用3.8.2　帶電粒子流的電、磁偏轉(zhuǎn)在噴墨打印機(jī)和回旋加速器中的應(yīng)用3.8.3　霍爾效應(yīng)在磁流體發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用3.8.4　超導(dǎo)現(xiàn)象在磁懸浮技術(shù)中的應(yīng)用思考題習(xí)題第4章　動(dòng)態(tài)場(chǎng)4.1　靜態(tài)場(chǎng)方程在時(shí)變條件下的推廣4.1.1　法拉第電磁感應(yīng)定律的啟示——渦旋電場(chǎng)4.1.2　問(wèn)題的提出——位移電流4.1.3　動(dòng)態(tài)場(chǎng)基本方程——麥克斯韋方程4.2　輔助動(dòng)態(tài)位4.2.1　時(shí)變電磁場(chǎng)的標(biāo)量電位和矢量磁位4.2.2　時(shí)變電磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)位的波動(dòng)方程4.3　時(shí)變電磁場(chǎng)的邊界條件4.3.1　邊界條件的一般形式4.3.2　邊界條件的特殊形式4.4　時(shí)變電磁場(chǎng)的能量、能流和能量守恒定律4.4.1　時(shí)變電磁場(chǎng)的能量4.4.2　時(shí)變電磁場(chǎng)的能流——坡印廷矢量4.4.3　時(shí)變電磁場(chǎng)的能量守恒定律——坡印廷定理4.5　時(shí)諧電磁場(chǎng)4.5.1　時(shí)諧電磁場(chǎng)的復(fù)數(shù)表示法4.5.2　時(shí)諧電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程和本構(gòu)方程4.5.3　時(shí)諧電磁場(chǎng)的輔助動(dòng)態(tài)位4.5.4　時(shí)諧電磁場(chǎng)的復(fù)坡印廷定理4.6　動(dòng)態(tài)場(chǎng)的應(yīng)用4.6.1　電磁感應(yīng)在電子感應(yīng)加速器中的應(yīng)用4.6.2　電磁屏蔽在電磁兼容技術(shù)中的應(yīng)用4.6.3　瞬變電磁場(chǎng)在雷達(dá)中的應(yīng)用——沖激脈沖雷達(dá)4.7　麥克斯韋和麥克斯韋理論建立的意義4.7.1　麥克斯韋生平簡(jiǎn)介4.7.2　麥克斯韋理論的建立過(guò)程4.7.3　麥克斯韋理論的意義思考題習(xí)題第5章　電磁波的傳播5.1　一般波動(dòng)方程5.2　無(wú)界均勻媒質(zhì)中平面電磁波的傳播5.2.1　理想介質(zhì)中的平面電磁波5.2.2　導(dǎo)電媒質(zhì)中的平面電磁波5.2.3　任意方向傳播的均勻平面電磁波5.2.4　平面電磁波的極化5.3　有界均勻媒質(zhì)中平面電磁波的傳播5.3.1　不同理想介質(zhì)平面邊界上入射的均勻平面電磁波5.3.2　理想介質(zhì)和理想導(dǎo)體平面邊界上入射的均勻平面電磁波5.4　無(wú)線電波的傳播5.4.1　無(wú)線電波傳播概論5.4.2　地波傳播5.4.3　天波傳播5.4.4　空間波傳播5.5　電磁波傳播的應(yīng)用5.5.1　極化技術(shù)在目標(biāo)識(shí)別中的應(yīng)用5.5.2　反射特性在對(duì)流層散射通信中的應(yīng)用第6章　電磁波的傳輸6.1　傳輸線概述6.2　導(dǎo)行電磁波的一般傳輸特性分析6.2.1　縱向場(chǎng)量法6.2.2　各類導(dǎo)波模式的一般傳輸特性6.3　矩形波導(dǎo)中導(dǎo)行電磁波的傳輸特性6.3.1　導(dǎo)波模式的橫場(chǎng)分布特性6.3.2　導(dǎo)波模式的縱場(chǎng)傳輸特性6.3.3　導(dǎo)波主模式的傳輸特性6.4　其他導(dǎo)波系統(tǒng)簡(jiǎn)介6.4.1　圓形波導(dǎo)6.4.2　同軸波導(dǎo)6.4.3　微帶線和類微帶線6.4.4　介質(zhì)波導(dǎo)和光波導(dǎo)6.5　微波傳輸線6.5.1　一般傳輸線方程6.5.2　傳輸波的傳輸特性6.5.3　傳輸線的工作狀態(tài)6.5.4　傳輸線的阻抗匹配6.6　電磁波傳輸?shù)膽?yīng)用6.6.1　數(shù)字微波通信在軍事上的應(yīng)用6.6.2　衛(wèi)星通信在全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)中的應(yīng)用6.6.3　光纖通信傳輸系統(tǒng)在全光網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)中的應(yīng)用6.6.4　寬帶傳輸技術(shù)在多媒體通信中的應(yīng)用思考題習(xí)題第7章　電磁波的輻射7.1　赫茲和赫茲實(shí)驗(yàn)7.2　振蕩偶極子的輻射7.2.1　滯后位7.2.2　振蕩電偶極子（赫茲偶極子）的輻射7.2.3　振蕩磁偶極子的輻射7.3　天線的電參量7.3.1　方向性圖、主瓣寬度和副瓣電平7.3.2　方向性系數(shù)、效率和增益系數(shù)7.3.3　輸入阻抗和輻射阻抗7.4　線形天線7.4.1　對(duì)稱振子天線7.4.2　引向天線7.4.3　寬頻帶天線7.4.4　螺旋天線7.4.5　旋轉(zhuǎn)場(chǎng)天線7.4.6　槽隙天線7.4.7　微帶天線7.5　面形天線7.5.1　面形天線輻射場(chǎng)的分析方法*7.5.2　惠更斯面元的輻射7.5.3　喇叭天線7.5.4　拋物面天線7.5.5　雙反射面天線7.6　天線陣7.6.1　方向性相乘原理7.6.2　常見二元陣天線7.6.3　直線陣天線7.7　電磁波輻射的應(yīng)用7.7.1　方向性相乘原理在相控陣天線中的應(yīng)用7.7.2　智能天線在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用7.7.3　電磁輻射在電子戰(zhàn)中的應(yīng)用7.7.4　電磁輻射在生物電磁學(xué)中的應(yīng)用思考題習(xí)題第8章　綜論8.1　電磁理論的進(jìn)展與科技發(fā)展的關(guān)系8.2　對(duì)場(chǎng)本質(zhì)的探索與認(rèn)識(shí)進(jìn)程8.3　場(chǎng)源、場(chǎng)量和媒質(zhì)的相互作用規(guī)律和轉(zhuǎn)化關(guān)系8.4　電磁定律、定理和方程的推演關(guān)系8.5　理解、分析和計(jì)算場(chǎng)問(wèn)題的重要方法附錄A　重要矢量公式附錄B　常用坐標(biāo)系的變換關(guān)系附錄C　梯度、散度、旋度和拉普拉斯的常用坐標(biāo)表示式部分習(xí)題參考答案參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第1章　場(chǎng)論基礎(chǔ)　　1.1　場(chǎng)的概念及其表示法　　1.1.1　場(chǎng)的分類　　在一個(gè)空間區(qū)域中，某物理量的分布可以用一個(gè)空間位置和時(shí)間的函數(shù)來(lái)描述。若區(qū)域中每點(diǎn)每時(shí)刻都有一個(gè)確定值，則在此區(qū)域中就確定了該物理量的一種場(chǎng)。概括而言，場(chǎng)是表征空間區(qū)域中各點(diǎn)物理量的時(shí)空分布函數(shù)。場(chǎng)在各點(diǎn)的數(shù)值能夠用實(shí)驗(yàn)測(cè)量，或者根據(jù)某些其他量通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算間接預(yù)計(jì)?！　?．標(biāo)量場(chǎng)和矢量場(chǎng)　　物理量可能是一個(gè)標(biāo)量或矢量，因而，場(chǎng)也可能是一個(gè)標(biāo)量場(chǎng)或矢量場(chǎng)。標(biāo)量場(chǎng)是指空間各點(diǎn)僅有確定大小的物理量，如溫度場(chǎng)、密度場(chǎng)、氣壓場(chǎng)和電位場(chǎng)；矢量場(chǎng)是指空間各點(diǎn)同時(shí)有大小和方向的物理量，如速度場(chǎng)、加速度場(chǎng)、重力場(chǎng)、電場(chǎng)和磁場(chǎng)。　　2．靜態(tài)場(chǎng)和時(shí)變場(chǎng)　　靜態(tài)場(chǎng)是指僅由空間位置確定，不隨時(shí)間變化的場(chǎng)，如靜電場(chǎng)和靜磁場(chǎng)；時(shí)變場(chǎng)是指同時(shí)隨空間位置和時(shí)間變化的場(chǎng)，如時(shí)變電磁場(chǎng)。時(shí)變場(chǎng)又稱為動(dòng)態(tài)場(chǎng)。

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