電磁場與電磁波基礎教程

前言

　　本書是為初學者編寫的“電磁場與電磁波”的入門教程，適合作為普通高等學校電子、信息和通信等專業(yè)的本、專科生教材，也供相關科技人員作為電磁場與電磁波的學習參考?！　　半姶艌雠c電磁波”課程的特點可以概括為：抽象化、數(shù)學化、難教難學。讀者對象與課程特點間不相適應的差距所帶來的困難，要求在教學上采用一定的方法來加以化解。據(jù)此，本書融入了作者約半個世紀的教學體驗，著重基于教學角度考慮，從歷史背景、物理概念、理論分析、計算方法和工程應用幾方面全方位介紹電磁場與電磁波的基本知識，以麥克斯韋方程的建立與應用的歷史發(fā)展脈絡為主線展開論述，符合認識規(guī)律，便于閱讀，易于理解。　　本書第1、2章為數(shù)學、物理基礎，第3、4章為電磁場部分，第5～7章為電磁波部分，第８章為概括和總結。本教程以電磁實驗定律為基礎（第２章），以矢量分析為工具（第１章），在時變條件下將靜態(tài)場推廣為動態(tài)場，建立反映動態(tài)場變化規(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釋、解決在傳播、傳輸和輻射應用領域中動態(tài)場的波動問題（第５～７章），在此基礎上從教學角度對電磁場與電磁波的主要問題進行綜合分析（第8章）?！　榱诉m應讀者對象和課程特點的要求，本書在內容安排上具有如下特點：　?。?）內容安排由特殊到一般，循序漸進，符合認識規(guī)律；　?。?）強化和突出物理概念，簡化理論推導，易于理解；　?。?）系統(tǒng)介紹計算方法，范例強調分析思路，一例多解，開拓思路；　?。?）以場為主，場、路結合，加強對比，融會貫通；　?。?）重視工程應用，適當外延，滿足不同專業(yè)教學需求（考慮到非電磁場專業(yè)一般很少安排電波傳播、微波技術和天線工程等后繼課程，本教程應適當涵蓋這些課程相關的電磁基本原理，但不過多涉及具體工程技術問題。第5～7章作為以場論為基礎的外延和應用，已適當?shù)於撕罄^的三門課程的理論基礎。第3～7章介紹了電磁場與電磁波的工程應用）；　?。?）思考題著重于物理概念和分析思路，可作為復習提綱；　?。?）按基本要求精選或設計例題和習題，力求適合讀者的接受程度（少量較難的習題給出提示）。　　對本課程的學習方法和教材處理提出如下建議供參考?！　。?）掌握“三基”：基本概念———理解；基本理論———推導；基本方法———計算。目的是提高電磁理論綜合素養(yǎng)，增強分析、應用能力。但對初學者來說，基本理論主要強調推導思路。　?。?）掌握公式的內涵：來龍去脈、應用條件、物理意義和計算方法?！　。?）教學內容可針對不同對象做適當取舍：本科生應強調理論的系統(tǒng)性，工程應用內容可作為閱讀材料或根據(jù)需要選講；?？粕蛇m當降低理論要求，對于較深的內容可以刪減（如分離變量法和平面波的斜入射）或只做定性介紹（如電、磁能量和惠更斯面元）。　?。?）建議教學參考學時為60～80學時?！　≡诮滩木帉戇^程中，得到電子科技大學馮林、劉昌孝和呂明三位教授的大力支持和幫助，馮林教授還審閱了書稿部分內容，提出了寶貴的修改意見。教材配套電子教案由符凱、李化制作。陳付均在全書文字上做了許多工作，全力協(xié)助書稿的編寫。對于他們的支持、幫助和卓有成效的工作，一并在此表示衷心的感謝！　　在教材編寫過程中，查閱了大量相關書籍和技術資料，吸取了許多專家和同行的寶貴經(jīng)驗，獲得了有益的啟示，在此向他們表示真誠的謝意！　　對書中存在的不足之處，敬請廣大讀者批評指正?！　》小　?009年2月于電子科技大學

內容概要

　　《電子信息科學與工程專業(yè)規(guī)劃教材·普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材：電磁場與電磁波基礎教程（第2版）》從歷史背景、物理概念、分析思路、計算方法和工程應用幾方面全方位介紹電磁場與電磁波的基本知識，以麥克斯韋方程的建立與應用的歷史發(fā)展脈絡為主線展開論述，符合認識規(guī)律，便于閱讀，易于理解。主要內容包括：場論基礎、電磁實驗定律和場量基本方程、靜態(tài)場、動態(tài)場、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電磁場和電磁波進行了概括和總結。《電子信息科學與工程專業(yè)規(guī)劃教材·普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材：電磁場與電磁波基礎教程（第2版）》提供配套電子課件和習題解答。

書籍目錄

第1章場論基礎 1.1場的概念和表示 1.1.1場的分類 1.1.2矢量場的基本運算 1.1.3常用正交坐標系 1.2場的性質和描述 1.2.1場域性質 1.2.2場點性質 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 習題 第2章電磁實驗定律和場量基本方程 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靜止電荷的實驗定律 2.2.1庫侖和庫侖定律的建立 2.2.2庫侖定律和電場強度 2.2.3靜電場基本方程 2.3穩(wěn)恒電流的實驗定律 2.3.1安培和安培定律的建立 2.3.2安培定律和磁感應強度 2.3.3靜磁場基本方程 2.4時變電流的實驗定律 2.4.1法拉第和法拉第電磁感應定律的建立 2.4.2法拉第電磁感應定律 思考題 習題 第3章靜態(tài)場 3.1輔助位和輔助位方程 3.1.1靜電場的標量電位和標量電位方程 3.1.2靜磁場的矢量磁位和矢量磁位方程 3.2介質中的靜態(tài)場——輔助場量方程 3.2.1電介質中的靜電場 3.2.2磁介質中的靜磁場 3.3導體中的靜態(tài)場——穩(wěn)恒電流場和穩(wěn)恒電場方程 3.3.1導體的傳導性和歐姆定律 3.3.2導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勢 3.3.4。穩(wěn)恒電流場和穩(wěn)恒電場方程 3.4靜態(tài)場中的導體 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)場的邊界條件 3.5.1靜電場的邊界條件 3.5.2靜磁場的邊界條件 3.5.3穩(wěn)恒電流場和穩(wěn)恒電場的邊界條件 3.6靜態(tài)場的能量 3.6.1靜電場的能量 3.6.2靜磁場的能量 3.7靜態(tài)場的計算方法 3.7.1靜態(tài)場的分布型問題 3.7.2靜態(tài)場的邊值型問題 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無源區(qū)問題的類比解法 3.8靜態(tài)場的應用 3.8.1靜電比擬在電解槽中的應用 3.8.2帶電粒子流的電、磁偏轉在噴墨打印機和回旋加速器中的應用 3.8.3霍爾效應在磁流體發(fā)電機中的應用 3.8.4超導現(xiàn)象在磁懸浮技術中的應用 思考題 習題 第4章動態(tài)場 4.1靜態(tài)場方程在時變條件下的推廣 4.1.1法拉第電磁感應定律的啟示——渦旋電場 4.1.2問題的提出——位移電流 4.1.3動態(tài)場基本方程——麥克斯韋方程 4.2輔助動態(tài)位 4.2.1時變電磁場的標量電位和矢量磁位 4.2.2時變電磁場動態(tài)位的波動方程 4.3時變電磁場的邊界條件 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時變電磁場的能量、能流和能量守恒定律 4.4.1時變電磁場的能量 4.4.2時變電磁場的能流——坡印廷矢量 4.4.3 時變電磁場的能量守恒定律——坡印廷定理 4.5時諧電磁場 4.5.1時諧電磁場的復數(shù)表示法 4.5.2時諧電磁場的麥克斯韋方程和本構方程 4.5.3時諧電磁場的輔助動態(tài)位 4.5.4時諧電磁場的復坡印廷定理 4.6動態(tài)場的應用 4.6.1 電磁感應在電子感應加速器中的應用 4.6.2電磁屏蔽在電磁兼容技術中的應用 4.6.3瞬變電磁場在雷達中的應用——沖激脈沖雷達 4.7麥克斯韋和麥克斯韋理論建立的意義 4.7.1麥克斯韋生平簡介 4.7.2麥克斯韋理論的建立過程 4.7.3麥克斯韋理論的意義 思考題 習題 第5章電磁波的傳播 5.1一般波動方程 5.2無界均勻媒質中平面電磁波的傳播 5.2.1理想介質中的平面電磁波 5.2.2導電媒質中的平面電磁波 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有界均勻媒質中平面電磁波的傳播 5.3.1不同理想介質平面邊界上入射的均勻平面電磁波 5.3.2理想介質和理想導體平面邊界上入射的均勻平面電磁波 5.4無線電波的傳播 5.4.1無線電波傳播概論 5.4.2地波傳播 5.4.3天波傳播 5.4.4空間波傳播 5.5電磁波傳播的應用 5.5.1極化技術在目標識別中的應用 5.5.2反射特性在對流層散射通信中的應用 思考題 習題 第6章電磁波的傳輸 6.1傳輸線概述 6.2導行電磁波的一般傳輸特性分析 6.2.1縱向場量法 6.2.2各類導波模式的一般傳輸特性 6.3矩形波導中導行電磁波的傳輸特性 6.3.1導波模式的橫場分布特性 6.3.2導波模式的縱場傳輸特性 6.3.3導波主模式的傳輸特性 6.4其他導波系統(tǒng)簡介 6.4.1圓形波導 6.4.2同軸波導 6.4.3微帶線和類微帶線 6.4.4介質波導和光波導 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?6.6.1數(shù)字微波通信在軍事上的應用 6.6.2衛(wèi)星通信在全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)中的應用 6.6.3光纖通信傳輸系統(tǒng)在全光網(wǎng)絡通信技術中的應用 6.6.4寬帶傳輸技術在多媒體通信中的應用 思考題 習題 第7章電磁波的輻射 7.1赫茲和赫茲實驗 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輸入阻抗和輻射電阻 7.4線形天線 7.4.1對稱振子天線 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旋轉場天線 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電磁波輻射的應用 7.7.1方向性相乘原理在相控陣天線中的應用 7.7.2智能天線在移動通信系統(tǒng)中的應用 7.7.3電磁輻射在電子戰(zhàn)中的應用 7.7.4電磁輻射在生物電磁學中的應用 思考題 習題 第8章綜論 8.1 電磁理論的進展與科技發(fā)展的關系 8.2對場本質的探索與認識進程 8.3場源、場量和媒質的相互作用規(guī)律和轉化關系 8.4電磁定律、定理和方程的推演關系 8.5理解、分析和計算場問題的重要方法 附錄A重要矢量公式 附錄8常用坐標系的變換關系 附錄C梯度、散度、旋度和拉普拉斯的常用坐標表示式 附錄D部分習題參考答案 參考文獻

章節(jié)摘錄

版權頁：   插圖：   8.1 電磁理論的進展與科技發(fā)展的關系 電磁場與電磁波的宏觀經(jīng)典理論是建立在早期的牛頓力學基礎上而發(fā)展起來的。牛頓力學是研究宏觀物體的低速運動及其相互作用規(guī)律的科學，這就決定了電磁場與電磁波的宏觀經(jīng)典理論也是研究帶電質點的低速運動及其宏觀電磁現(xiàn)象的相互作用規(guī)律。這里所謂宏觀是指忽略了媒質分子結構的離散性，而將整個媒質視為連續(xù)媒質；這里所謂低速是指帶電質點及其所產(chǎn)生的場的運動速度遠遠低于光的傳播速度（v／c《1）。本教程著重分析了最簡單的均勻平面波在最簡單的均勻、線性和各向同性媒質中的傳播、傳輸和輻射問題（實際上在傳播、傳輸和輻射問題中也包括非均勻平面波、柱面波和球面波），這是為了簡化對問題的分析和計算。隨著近代科學技術的發(fā)展和應用，要求拓寬電磁科學，并引入某些新概念、新理論和新方法來解釋和處理復雜媒質（非均勻、各向異性、隨機、非線性或旋波等媒質）中電磁波的傳播和傳輸問題及復雜電磁波（瞬變電磁場）的激勵問題，形成近代電磁理論的發(fā)展。例如，瞬變電磁場是研究電磁系統(tǒng)在單個載波的窄脈沖信號作用下的瞬態(tài)特性。這種信號是一個短暫的單個脈沖，且包含很寬的頻譜，因而在許多應用領域中利用瞬變脈沖信號比利用作為均勻平面波的正弦信號優(yōu)越。事實上，自從核爆炸產(chǎn)生的沖擊電磁波對電子儀器設備形成嚴重的破壞作用，進而影響通信的安全性和可靠性之后，關于電磁脈沖波的傳播、傳輸和輻射及其防護等問題開始引起了人們的深切關注。與此同時，隨著高分辨率雷達的發(fā)展，以及在目標識別、遙感技術、地下資源勘探和電磁兼容等方面的應用開發(fā)，也促進了人們對瞬變電磁場的研究興趣。因此，目前對瞬變電磁場的理論和實驗研究，已使它迅速發(fā)展成為一門新興的學科。 然而，電磁理論的這些新進展，仍然沒有超脫宏觀經(jīng)典理論的范疇。真正使電磁理論發(fā)生革命性變革的動力和基礎仍然是社會生產(chǎn)與科學技術的發(fā)展與需求。隨著核工業(yè)技術和空間科學技術等新興科學技術的發(fā)展，在回旋加速器中出現(xiàn)了高速微粒的運轉，電子加速器甚至將電子加速到比回旋加速器更高的能量，使電子的速度已接近于光速c；火箭和衛(wèi)星等飛行器也是在高速狀態(tài)下運行的。在微觀和高速條件下應用麥克斯韋的宏觀經(jīng)典電磁理論來解釋相關的電磁現(xiàn)象就遇到了難以克服的困難，有必要提出新的理論來進行修正。在微觀情況下由普朗克（Planck）和波爾（Bohr）提出的量子論，以及在高速情況下由愛因斯坦（Einstein）提出的狹義相對論，在新興科技發(fā)展的背景下便應運而生。它們分別將麥克斯韋的宏觀經(jīng)典電磁理論推向了新的高峰，建立了量子電動力學和相對論電動力學，使近代電磁理論的發(fā)展在觀念上產(chǎn)生了新的飛躍。它所涉及的內容已經(jīng)超出了本教程的范圍。需要指出，以量子論和相對論為核心觀念的近代電磁理論大大擴展了它的應用范圍，但經(jīng)典電磁理論是它的特殊情況，只需部分地變更即可經(jīng)受起工程應用的考驗，可以相當近似地解決相關問題，滿足工程應用對精確度的要求；但與此同時，如果沒有量子論和相對論，麥克斯韋的宏觀經(jīng)典電磁理論是不能圓滿地解釋或解決近代科技應用中的一切問題的。

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