電磁場與電磁波基礎(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、?？粕滩?，也供相關(guān)科技人員作為電磁場與電磁波的學(xué)習(xí)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(xué)化、難教難學(xué)。讀者對象與課程特點間不相適應(yīng)的差距所帶來的困難，要求在教學(xué)上采用一定的方法來加以化解。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、計算方法和工程應(yīng)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(yīng)用的歷史發(fā)展脈絡(luò)為主線展開論述，符合認(rèn)識規(guī)律，便于閱讀，易于理解。　　本書第1、2章為數(shù)學(xué)、物理基礎(chǔ)，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(jié)。本教程以電磁實驗定律為基礎(chǔ)（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決在傳播、傳輸和輻射應(yīng)用領(lǐng)域中動態(tài)場的波動問題（第5～7章），在此基礎(chǔ)上從教學(xué)角度對電磁場與電磁波的主要問題進(jìn)行綜合分析（第8章）?！　榱诉m應(yīng)讀者對象和課程特點的要求，本書在內(nèi)容安排上具有如下特點：　　（1）內(nèi)容安排由特殊到一般，循序漸進(jìn)，符合認(rèn)識規(guī)律；　?。?）強(qiáng)化和突出物理概念，簡化理論推導(dǎo)，易于理解；　?。?）系統(tǒng)介紹計算方法，范例強(qiáng)調(diào)分析思路，一例多解，開拓思路；　?。?）以場為主，場、路結(jié)合，加強(qiáng)對比，融會貫通；　?。?）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，但不過多涉及具體工程技術(shù)問題。第5～7章作為以場論為基礎(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章介紹了電磁場與電磁波的工程應(yīng)用）；　?。?）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）?！　Ρ菊n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、計算方法和工程應(yīng)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(yīng)用的歷史發(fā)展脈絡(luò)為主線展開論述，符合認(rèn)識規(guī)律，便于閱讀，易于理解。主要內(nèi)容包括：場論基礎(chǔ)、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(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)本專科生入門教材，也供相關(guān)科技人員作為電磁場與電磁波的學(xué)習(xí)參考。

書籍目錄

第1章　場論基礎(chǔ)1.1　場的概念及其表示法1.1.1　場的分類1.1.2　矢量場的基本運(yùn)算1.1.3　常用正交坐標(biāo)系1.2　場的性質(zhì)和描述1.2.1　場域性質(zhì)1.2.2　場點性質(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(qiáng)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(yīng)強(qiáng)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(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3.1　輔助位和輔助位方程3.1.1　靜電場的標(biāo)量電位和標(biāo)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(zhì)中的靜態(tài)場——輔助場量方程3.2.1　電介質(zhì)中的靜電場3.2.2　磁介質(zhì)中的靜磁場3.3　導(dǎo)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(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(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(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(yīng)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(biāo)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(fù)數(shù)表示法4.5.2　時諧電磁場的麥克斯韋方程和本構(gòu)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(fù)坡印廷定理4.6　動態(tài)場的應(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(xí)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(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(yīng)用5.5.1　極化技術(shù)在目標(biāo)識別中的應(yīng)用5.5.2　反射特性在對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)波模式的橫場分布特性6.3.2　導(dǎo)波模式的縱場傳輸特性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　輸入阻抗和輻射阻抗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(zhuǎn)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(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　對場本質(zhì)的探索與認(rèn)識進(jìn)程8.3　場源、場量和媒質(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、分析和計算場問題的重要方法附錄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　場論基礎(chǔ)　　1.1　場的概念及其表示法　　1.1.1　場的分類　　在一個空間區(qū)域中，某物理量的分布可以用一個空間位置和時間的函數(shù)來描述。若區(qū)域中每點每時刻都有一個確定值，則在此區(qū)域中就確定了該物理量的一種場。概括而言，場是表征空間區(qū)域中各點物理量的時空分布函數(shù)。場在各點的數(shù)值能夠用實驗測量，或者根據(jù)某些其他量通過數(shù)學(xué)運(yùn)算間接預(yù)計。　　1．標(biāo)量場和矢量場　　物理量可能是一個標(biāo)量或矢量，因而，場也可能是一個標(biāo)量場或矢量場。標(biāo)量場是指空間各點僅有確定大小的物理量，如溫度場、密度場、氣壓場和電位場；矢量場是指空間各點同時有大小和方向的物理量，如速度場、加速度場、重力場、電場和磁場?！　?．靜態(tài)場和時變場　　靜態(tài)場是指僅由空間位置確定，不隨時間變化的場，如靜電場和靜磁場；時變場是指同時隨空間位置和時間變化的場，如時變電磁場。時變場又稱為動態(tài)場。

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