電磁場與電磁波導論

前言

“電磁場與電磁波導論”一直是電氣與電子工程學習計劃中最重要的專業(yè)基礎課程之一。它是已經(jīng)完善確立的普遍理論，能夠為其他理論所不能解決的復雜電磁場和電磁波的問題提供的理論基礎。但是在多年的教學實踐中，我們深刻體會到：一方面對于本課程中出現(xiàn)大量的公式、定律、定理學生們感到難以理解，且容易混淆概念；另一方面對于矢量微分及矢量積分公式仍不能十分熟練地應用。為此在編著本書的過程中，我們多次討論了本教材的教學大綱。本著與時俱進、開拓創(chuàng)新的時代精神，我們沿著電磁場理論發(fā)展的歷史脈絡，追蹤前人進行理論與實驗探索的艱辛里程，將歷史發(fā)展的趣味性與理論敘述和推導有機地結合起來，同時論述了電磁場與電磁波在日常生活和科學研究中的廣泛應用。根據(jù)我們的經(jīng)驗，學生傾向于將理論推導看成觀念的抽象，并特別注重某些方程式，認為它們是公式。但是學生很快就發(fā)現(xiàn)這些所謂的公式，不僅對于不同的媒質而且對于不同的坐標系都是不同的。于是這就成了為獲得信息與電氣工程學士學位而必須通過的一門“困難”課程。僅僅計算一個場量，就需要一組方程式，這可能使他們感到畏懼和困惑并對這門課程失去興趣。所以我們認為教師的職責是：①說明每一項推導的目的；②證明一些假設對于這個推導是絕對必要的；③強調它們的局限性；④突出它的局限性的作用；⑤舉例說明幾何形狀對一個方程式的影響。為此，教師必須應用他們自己在這一學科的經(jīng)驗，同時也強調在其他領域的應用。他們還必須在討論基礎理論的同時，注重介紹這個領域中的一些新進展。例如，在講解電磁場的邊值問題時，教師可以討論高速高密集成電路中互連結構的電磁參數(shù)提??；在討論平面電磁波的傳播時，討論在移動通信技術中采用的地面發(fā)射模型；在討論導行電磁波的傳播時，討論了監(jiān)測電離層變化的多部測量雷達組成的網(wǎng)絡。在適當?shù)刂v解了主要內容并從基本定律出發(fā)推導出相關的方程式后，學生應該在學習中做到：①領會電磁場與電磁波理論的發(fā)展歷史；②排除畏難恐懼的情緒；③重新獲得學習的動力和信心；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域。本書分為9章。第1章介紹電磁場理論建立的意義和應用范圍，以及電磁場理論的基礎——麥可斯韋方程組。第2章討論庫侖定理、電場強度、靜電場的基本方程、高斯定理和應用、標量電位函數(shù)、電媒質中的高斯定律、靜電場的邊界條件、電容和電容器、靜電場的能量和力、恒定電流電場，以及恒定電場與靜電場的比擬。第3章討論電磁場的邊值問題，包括泊松方程和拉普拉斯方程、靜態(tài)場解的唯一性定理、分離變量法、鏡像法和復變函數(shù)法。第4章討論靜磁場，包括建立安培環(huán)路定律的歷史及意義、靜磁場的基本方程、比奧-薩伐爾定律、磁介質中的安培定律、靜磁場的邊界條件，以及靜磁場的能量和力等第5章討論時變場，包括麥克斯韋理論的建立及意義、法拉第電磁感應定律、麥克斯韋方程組、時變電磁場的邊界條件、坡印廷定律、正弦電磁場、復電容率及復磁導率的概念以及核磁共振效應。第6章討論準靜態(tài)場的問題，包括準靜態(tài)場的基本方程、準靜態(tài)位，以及準靜態(tài)場的邊界條件等。第7章討論平面電磁波在理想媒質、導電媒質和各向異性媒質中的傳播，以及在導電平面和媒質平面邊界上的垂直入射和斜入射。第8章討論導行電磁波的一般分析方法，以及在矩形波導、圓波導和同軸線中的傳播。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諧振器和圓柱波導諧振器的特性。本書力圖敘述清晰連貫、邏輯順暢。本書附有大量例題，目的在于強調基本概念，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，用于測驗學生對于本章內容的記憶和理解程度；每章的習題是專門為了增強學生對于公式中不同物理量的相互關系的理解而設立的，同時也是為了培養(yǎng)學生應用公式分析和解決問題的能力。

內容概要

　　《電磁場與電磁波導論》主要介紹電磁場與電磁波的發(fā)展歷史、基本理論、基本概念、基本方法以及在現(xiàn)實生活中的應用，內容包括電磁場與電磁波理論建立的歷史意義、靜電場與恒流電場、電磁場的邊值問題、靜磁場、時變場和麥克斯韋方程組、準靜態(tài)場、平面電磁波的傳播、導行電磁波以及諧振器原理等。全書沿著電磁場與電磁波理論和實踐發(fā)展的歷史脈絡，將歷史發(fā)展的趣味性與理論敘述和推導有機結合，同時介紹了電磁場與電磁波在日常生活、經(jīng)濟社會以及科學研究中的廣泛應用。書中的大量例題強調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驗學生對本章內容的記憶和理解程度；每章的習題可增強學生對于公式中不同物理量的相互關系的理解，同時也可培養(yǎng)學生應用公式分析和解決問題的能力?！　∽x者對象：　　《電磁場與電磁波導論》可作為電子信息與電氣類專業(yè)的本科生教材，也可供其他相關專業(yè)教學使用。

書籍目錄

第1章 緒論	11.1 電磁場理論建立的歷史意義	11.2 電磁場理論與現(xiàn)代電子信息技術	11.2.1 無線通信系統(tǒng)	11.2.2 雷達系統(tǒng)	21.2.3 軍事應用	31.3 電磁場學科的應用范圍	41.4 麥克斯韋方程組——電磁場理論的基礎	6思考題	6第2章 靜電場與恒流電場	72.1 庫侖定律的建立及意義	72.2 庫侖定律和電場強度的定義	82.2.1 庫侖定律	82.2.2 電場強度的定義	92.3 靜電場的基本方程	92.4 電場強度的計算	102.4.1 離散電荷系統(tǒng)的電場強度	112.4.2 連續(xù)分布電荷的電場	132.5 高斯定理及其應用	142.6 標量電位函數(shù)	172.6.1 離散電荷的電位	182.6.2 分布電荷的電位	192.7 電媒質中的高斯定理	212.7.1 極化媒質的等效電荷分布	212.7.2 媒質中的合成電場	232.7.3 媒質中的高斯定理	232.7.4 媒質強度	242.8 靜電場的邊界條件	262.9 電容和電容器	282.10 靜電場的能量和力	302.10.1 用電荷和電位函數(shù)表示的靜電能量	302.10.2 用場量表示的靜電能量	312.10.3 靜電力	332.11 恒流電場	352.11.1 恒流電場的基本方程	352.11.2 導電回路中的外加電場	372.11.3 功率耗散和焦耳定律	382.11.4 恒流電場的邊界條件	382.12 恒流電場與靜電場的比擬	402.12.1 靜電比擬法	402.12.2 電導	402.13 應用實例	422.14 小結	42思考題	43習題	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)場解的唯一性定理	493.4 分離變量法	503.4.1 直角坐標系中的分離變量法	513.4.2 圓柱坐標系中的分離變量法	553.4.3 球面坐標系中的分離變量法	593.5 鏡像法	623.5.1 點電荷和導體平面	623.5.2 線電荷和平行導體圓柱	643.5.3 點電荷和導體球	663.6 復變函數(shù)法	673.6.1 復電位函數(shù)法	683.6.2 保角變換法	693.6.3 復變函數(shù)法應用的類型	713.6.4 許瓦茲變換	733.7 應用實例	763.8 小結	77思考題	77習題	78第4章 靜磁場	814.1 安培環(huán)路定律的建立及意義	814.2 靜磁場的基本方程	834.2.1 靜磁場的定義	834.2.2 自由空間靜磁場的基本假設	834.3 矢量磁位	854.4 比奧-薩伐爾定律及應用	864.5 磁偶極子	884.6 磁媒質中的安培定律	904.6.1 磁化強度矢量	904.6.2 磁場強度和相對磁導率	914.7 標量磁位	924.8 靜磁場的邊界條件	934.9 電感和電感器	964.10 靜磁場的能量和力	1004.10.1 用場量表示靜磁能	1014.10.2 靜磁力	1024.10.3 用磁場儲能表示力	1044.11 應用實例	1054.12 小結	106思考題	106習題	107第5章 時變場	1105.1 麥克斯韋理論的建立及意義	1105.1.1 法拉第電磁感應定律的建立	1105.1.2 麥克斯韋理論的建立	1125.2 法拉第電磁感應定律	1155.2.1 時變磁場中的靜止回路	1155.2.2 靜磁場中的運動導體	1165.2.3 時變磁場中的運動回路	1165.3 全電流定律	1195.4 麥克斯韋方程組	1205.5 媒質分界面的邊界條件	1235.6 達朗貝爾方程	1255.7 坡印廷定律	1275.8 正弦電磁場	1295.8.1 正弦電磁場的復數(shù)表示法	1295.8.2 位函數(shù)的復數(shù)表示法	1305.8.3 坡印廷矢量的復數(shù)表示法	1305.9 復電容率和復磁導率	1315.9.1 復電容率的概念	1315.9.2 復磁導率的概念	1325.10 核磁共振效應	1325.11 小結	134思考題	135習題	135第6章 準靜態(tài)場	1386.1 對麥克斯韋理論革命重新評價的歷史	1386.2 動態(tài)場的基本方程	1406.3 準靜態(tài)場的分類和特點	1416.4 準靜態(tài)位	1416.5 導電媒質中自由電荷的弛豫過程	1426.6 導電媒質分界面自由電荷的積累過程	1446.7 通過導電媒質薄環(huán)的磁擴散過程	1476.8 電子回旋加速器	1486.9 小結	150思考題	150習題	150第7章 平面電磁波的傳播	1537.1 海因利希?赫茲實驗的貢獻	1537.2 在理想媒質中的平面電磁波	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 在導電媒質中的平面電磁波	1607.3.1 在低損耗媒質中?和?的特性	1617.3.2 在良導體中?和?的特性	1617.3.3 群速	1647.4 各向異性媒質中的電磁波	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 在導電平面邊界上的垂直入射	1737.6 在導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 在媒質平面邊界上的垂直入射	1797.8 在媒質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 應用實例	1877.10 小結	189思考題	189習題	190第8章 導行電磁波	1958.1 引言	1958.2 導波的一般分析方法	1978.2.1 規(guī)則波導中波的一般分析方法	1978.2.2 TEM模傳輸線	2008.2.3 導行波為橫電波（TE模）	2018.2.4 導行波為橫磁波（TM模）	2028.3 矩形波導中的導波	2028.3.1 矩形波導中的TM波	2028.3.2 矩形波導中的TE波	2048.3.3 矩形波導中導波的傳輸特性	2058.4 圓波導中的導波	2138.4.1 圓波導中的TE模（H波）	2148.4.2 圓波導中的TM模（E波）	2168.5 同軸線中的導波	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 應用實例	2228.7 小結	223思考題	223習題	224第9章 諧振器原理	2289.1 無線電技術領域中諧振器的發(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 圓柱波導諧振器	2449.6.1 諧振頻率	2459.6.2 幾個重要的振蕩模式	2469.6.3 圓柱腔的Q值	2489.7 應用實例	2519.8 小結	252思考題	252習題	253附錄A 矢量分析	254附錄B 單位和符號	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章靜電場與恒流電場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，希望他重新做此實驗，并確認這一事實。1766年，普里斯特利做了實驗，他使空腔金屬容器帶電，但發(fā)現(xiàn)其內表面卻沒有電荷，而且金屬容器對于放置于其內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，即放在均勻物質球殼內的物質不會受到來自殼體本身物質的作用力。因此，他猜測電力與萬有引力有相同的規(guī)律，即兩個電荷之間的作用力應與它們之間距離的平方成反比。這是一項重要的類比猜測，但是這一猜測在當時并未引起科學家們的重視，而普里斯特利本人對此猜測能否得到嚴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）首先用直接測量方法確定電力的定律，他得到兩個同號電荷的斥力與它們之間距離的2.06次方成反比，而兩個異號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。他的研究結果到1801年發(fā)表時才為人們所知道。1772年，英國著名的物理學家卡文迪什（Cavendish，1731-1810）遵循普里斯特利的思想以實驗驗證電力平方反比律。如果實驗測定帶電空腔導體的內表面確實沒有電荷就可以確定電力遵從平方反比律?？ㄎ牡鲜驳膶嶒灥贸龅亩拷Y果，與l3年后庫侖用扭秤直接測量所得結果的精度相當。然而，卡文迪什的實驗是精確驗證電力平方反比律的開創(chuàng)性工作。

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《電磁場與電磁波導論》是由電子工業(yè)出版社出版的。

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