電磁場與電磁波基礎(chǔ)

前言

　　電磁場與電磁波理論是近代自然科學(xué)中，理論相對最完整、應(yīng)用最廣泛的支柱學(xué)科之一。電磁場與電磁波技術(shù)已遍及人類的科學(xué)技術(shù)、政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、文化及日常生活的各個領(lǐng)域。　　目前，“電磁場與電磁波”是電子信息與電氣類專業(yè)學(xué)生必修的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，它所涉及的內(nèi)容是電子信息與電氣類專業(yè)學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的必要組成部分。通過該課程的學(xué)習(xí)，可使學(xué)生在建立場與路的統(tǒng)一認(rèn)識的基礎(chǔ)上，從集總參數(shù)電路理論過渡到分布參數(shù)的高頻電路理論，為學(xué)習(xí)半導(dǎo)體技術(shù)、光電子技術(shù)、微波技術(shù)、天線理論、光纖通信、移動通信等專業(yè)課程或從事電磁工程研究奠定必要的基礎(chǔ)。尤其是在當(dāng)今光電子與信息技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代，不斷升高的工作頻率或信號速率成為了電子產(chǎn)品開發(fā)中不可忽視的技術(shù)前提，這時(shí)許多技術(shù)問題用集總參數(shù)電路的理論已難以解決，而必須使用場和波的觀點(diǎn)才能得到完整的解釋，電磁技術(shù)成為了光電子產(chǎn)品性能的決定因素。在光電子與通信領(lǐng)域中，不管是光還是電子、有線通信還是無線通信、數(shù)字通信還是模擬通信，在頻率較高或信號速率較高時(shí)，其信號在信道中的傳輸與處理過程都離不開電磁場與電磁波的理論知識。　　但是，由嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推證、精確的實(shí)驗(yàn)和科學(xué)的抽象所構(gòu)成的電磁場與電磁波理論卻實(shí)在是一門既難教又難學(xué)的課程，它在數(shù)學(xué)方法和物理概念不斷相互交融中所表現(xiàn)出來的輪廓和內(nèi)涵，常常會令人感到望而生畏，從而使學(xué)生難以提高學(xué)習(xí)興趣。　　數(shù)年來，我們一直希望能出版一本既通俗易學(xué)，又重點(diǎn)突出的教材，這里要突出的重點(diǎn)就是與電氣信息類專業(yè)較為密切的電磁波學(xué)。雖然，電磁場與電磁波密不可分，但是在給出場的基本概念后，我們希望能圍繞著波的理論進(jìn)行較為廣泛和深入的探討，本書就是在這樣的指導(dǎo)思想下編寫的。2006年，我們出版了本書的第一版，通過幾年的使用，發(fā)現(xiàn)了一些問題，同時(shí)也積累了一些經(jīng)驗(yàn)，希望這次修訂能夠彌補(bǔ)不足，使本書的質(zhì)量得到進(jìn)一步的提升。本書在這次修訂過程中融人了如下的考慮：　?。?）在學(xué)生已有的理論基礎(chǔ)上由淺人深展開教學(xué)，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)，重視基本概念，并及時(shí)總結(jié)，讓學(xué)生感到經(jīng)過努力，能夠掌握所學(xué)內(nèi)容，從而增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)信心；　?。?）從各個不同角度反復(fù)強(qiáng)調(diào)基本理論和計(jì)算公式的適用條件，幫助學(xué)生建立清晰的物理概念，并培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)習(xí)慣，避免學(xué)生盲目套用公式；　?。?）處處以麥克斯韋方程組這一描述宏觀電磁現(xiàn)象的基本理論為指導(dǎo)，對一些宏觀電磁現(xiàn)象和問題進(jìn)行定性分析與定量計(jì)算，培養(yǎng)學(xué)生正確的思維方法和分析問題的方法，提高學(xué)生運(yùn)用理論解決實(shí)際問題的能力；　?。?）幫助學(xué)生掌握“類比”這一科學(xué)的分析方法，使學(xué)生不斷鞏固所學(xué)內(nèi)容.縮短新內(nèi)容的學(xué)習(xí)過程；　　（5）在內(nèi)容編排中，既有從特殊到一般的歸納方法，又有從一般到特殊的演繹方法，既能使學(xué)生易于接受新內(nèi)容，又能培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力；　　（6）緊跟時(shí)代步伐，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生看到科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)生努力學(xué)習(xí)的緊迫感。

內(nèi)容概要

本書是按照電子信息與電氣類專業(yè)“電磁場與電磁波”課程教學(xué)的基本要求，本著深入淺出、通俗易學(xué)的原則而編寫的。為了更適合電子信息與電氣類專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)，本書在給出了“場”的基本方程和一般概念與分析方法后，重申噗著墨于“波”的基本特性與傳播過程分析。    本書共分11章，主要內(nèi)容包括：矢量分析與場論，電場、磁場與麥克斯韋方程，介質(zhì)中的麥克斯韋方程，矢量位與標(biāo)量位，靜態(tài)場的解，自由空間中的電磁波，非導(dǎo)電介質(zhì)中的電磁波，導(dǎo)電介質(zhì)中的電磁波，波的反射與折射，等等。本書最后對電磁波的導(dǎo)引和輻射進(jìn)行了簡要的介紹。每章之后均附有本章小結(jié)和豐富的習(xí)題，書末附有大部分習(xí)題參考答案。    本書可作為普通高等院校通信工程、電子信息工程、電子科學(xué)與技術(shù)、自動化、電氣工程及其自動化等專業(yè)的本科生教材，也可供從事“電磁場與電磁波”方向的工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

第1章  矢量分析與場論  1.1  矢量的表示和運(yùn)算    1.1.1  矢量與標(biāo)量    1.1.2  矢量的代數(shù)運(yùn)算    1.1.3  標(biāo)量場與矢量場  1.2  正交坐標(biāo)系    1.2.1  正交坐標(biāo)系的概念    1.2.2  笛卡兒坐標(biāo)系    1.2.3  圓柱坐標(biāo)系    1.2.4  球坐標(biāo)系    1.2.5  三種坐標(biāo)系中單位矢量之間的關(guān)系  1.3  矢量函數(shù)的通量與散度    1.3.1  矢量的通量    1.3.2  散度    1.3.3  高斯散度定理  1.4  矢量函數(shù)的環(huán)量與旋度    1.4.1  矢量的環(huán)量    1.4.2  矢量場的旋度    1.4.3  斯托克斯定理  1.5  標(biāo)量函數(shù)的方向?qū)?shù)與梯度    1.5.1  標(biāo)量場與等值面    1.5.2  方向?qū)?shù)    1.5.3  梯度  1.6  格林公式  1.7  亥姆霍茲定理    1.7.1  散度和旋度的比較    1.7.2  亥姆霍茲定理  1.8  矢量場的分類  本章小結(jié)  習(xí)題1第2章  電場、磁場與麥克斯韋方程  2.1  電場力、電場強(qiáng)度與電位    2.1.1  電場力與電場強(qiáng)度    2.1.2  電位  2.2  磁場力、磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁位    2.2.1  磁場力與磁感應(yīng)強(qiáng)度    2.2.2  矢量磁位    2.2.3  標(biāo)量磁位  2.3  洛倫茲力  2.4  電偶極子  2.5  磁偶極子  2.6  由電通量與高斯定律導(dǎo)出麥克斯韋第一方程    2.6.1  電通量    2.6.2  麥克斯韋第一方程  2.7  由電磁感應(yīng)定律與斯托克斯定律導(dǎo)出麥克斯韋第二方程  2.8  由磁通量與高斯定律導(dǎo)出麥克斯韋第三方程  2.9  由安培環(huán)路定律與斯托克斯定律導(dǎo)出麥克斯韋第四方程    2.9.1  傳導(dǎo)電流、運(yùn)流電流和位移電流    2.9.2  電流連續(xù)性原理    2.9.3  麥克斯韋第四方程  2.10  微分形式的麥克斯韋方程組  2.11  麥克斯韋方程的積分形式  2.12  麥克斯韋方程的時(shí)諧形式  2.13  電磁場的能量與坡印廷矢量  本章小結(jié)  習(xí)題2第3章  介質(zhì)中的麥克斯韋方程組  3.1  分子模型  3.2  電介質(zhì)及其極化    3.2.1  極化的概念    3.2.2  極化矢量P    3.2.3  介質(zhì)的分子模型與極化矢量    3.2.4  高密度介質(zhì)中的電場    3.2.5  考慮極化效應(yīng)的麥克斯韋方程組  3.3  折射率與相對介電常數(shù)  3.4  介質(zhì)的磁化    3.4.1  磁化的概念    3.4.2  磁化電流與磁化矢量M    3.4.3  磁場強(qiáng)度    3.4.4  磁介質(zhì)  3.5  介質(zhì)中的麥克斯韋方程組  3.6  電磁場的邊界條件  本章小結(jié)  習(xí)題3第4章  矢量位與標(biāo)量位  4.1  矢量位A  4.2  標(biāo)量位φ  4.3  用位函數(shù)φ和A表示的非均勻波動方程  4.4  利用場源ρ和J求解位函數(shù)φ和A  4.5  李納-維謝爾位函數(shù)  本章小結(jié)  習(xí)題4第5章  靜態(tài)場的解  5.1  泊松方程和拉普拉斯方程    5.1.1  靜態(tài)場中的麥克斯韋方程組    5.1.2  泊松方程和拉普拉斯方程  5.2  對偶原理  5.3  疊加原理和唯一性定理    5.3.1  邊界條件的分類    5.3.2  疊加原理    5.3.3  唯一性定理  5.4  鏡像法    5.4.1  點(diǎn)電荷與無限大平面導(dǎo)體的合成場計(jì)算    5.4.2  電介質(zhì)分界面的鏡像電荷    5.4.3  球形邊界問題    5.4.4  圓柱形邊界問題  5.5  分離變量法    5.5.1  笛卡兒坐標(biāo)系中的分離變量法    5.5.2  圓柱坐標(biāo)系中的分離變量法  5.6  格林函數(shù)法    5.6.1  靜電場邊值問題的格林函數(shù)法表達(dá)式    5.6.2  簡單邊界的格林函數(shù)  5.7  有限差分法  本章小結(jié)  習(xí)題5第6章  自由空間中的電磁波  6.1  波的數(shù)學(xué)描述  6.2  均勻平面波與三維波動方程  6.3  電波與磁波  6.4  自由空間中的平面電磁波    6.4.1  隨時(shí)間變化的單色平面波    6.4.2  均勻平面電磁波的特性  6.5  波的極化  6.6  電磁波譜  本章小結(jié)  習(xí)題6第7章  非導(dǎo)電介質(zhì)中的電磁波  7.1  非導(dǎo)電介質(zhì)中的電磁波方程  7.2  平面電磁波在理想介質(zhì)中的傳播  7.3  平面電磁波在非理想介質(zhì)中的傳播    7.3.1  等效復(fù)介電系數(shù)    7.3.2  波動方程及其解  7.4  低密度氣體中的電磁波  7.5  高密度介質(zhì)中的電磁波  7.6  復(fù)數(shù)折射率的相關(guān)結(jié)論  7.7  相速度與能流速度  7.8  色散  7.9  相速與群速  本章小結(jié)  習(xí)題7第8章  導(dǎo)電介質(zhì)中的電磁波  8.1  導(dǎo)電介質(zhì)的一般模型  8.2  導(dǎo)電介質(zhì)在高頻或低頻時(shí)的特性    8.2.1  介質(zhì)的折射率與導(dǎo)電介質(zhì)的頻率特性    8.2.2  導(dǎo)電介質(zhì)的趨膚深度    8.2.3  導(dǎo)電介質(zhì)的趨膚效應(yīng)  8.3  導(dǎo)電介質(zhì)中的電磁波    8.3.1  導(dǎo)電介質(zhì)中波的傳播特性    8.3.2  良導(dǎo)體中的均勻平面電磁波  8.4  等離子體對波的反射  本章小結(jié)  習(xí)題8第9章  電磁波的反射與折射  9.1  電磁波傳播的邊界條件  9.2  傳播矢量  9.3  平面邊界的反射與透射  9.4  反射波的極化  9.5  法向入射  9.6  全折射與全反射    9.6.1  全折射    9.6.2  全反射  9.7  反射波的相位變化  9.8  各向異性媒質(zhì)中的平面電磁波  本章小結(jié)  習(xí)題9第10章  導(dǎo)行電磁波  10.1  電磁波在均勻?qū)Рㄑb置中傳播的一般特性    10.1.1  電磁波在均勻?qū)Рㄑb置中的傳播    10.1.2  均勻?qū)Рㄑb置中的TEM波、TE波和TM波    10.1.3  均勻?qū)Рㄑb置中的導(dǎo)行波傳輸特性  10.2  TEM傳輸線    10.2.1  傳輸線方程及其時(shí)諧穩(wěn)態(tài)解    10.2.2  傳輸線的傳輸特性參數(shù)    10.2.3  無損耗傳輸線的工作狀態(tài)  10.3  矩形波導(dǎo)    10.3.1  矩形波導(dǎo)中的TM波    10.3.2  矩形波導(dǎo)中的TE波    10.3.3  矩形波導(dǎo)中的TE10波  10.4  圓柱形波導(dǎo)    10.4.1  圓柱形波導(dǎo)中的TM波    10.4.2  圓柱形波導(dǎo)中的TE波  10.5  導(dǎo)波系統(tǒng)中的功率傳輸與損耗    10.5.1  波導(dǎo)的功率傳輸和功率容量    10.5.2  波導(dǎo)的損耗和衰減  10.6  諧振腔    10.6.1  同軸諧振腔    10.6.2  矩形諧振腔    10.6.3  諧振腔的品質(zhì)因素Q  10.7  介質(zhì)波導(dǎo)和光纖簡介    10.7.1  介質(zhì)波導(dǎo)    10.7.2  光纖  本章小結(jié)  習(xí)題10第11章  輻射系統(tǒng)簡介  11.1  緩慢移動的加速點(diǎn)電荷的輻射  11.2  自由電荷的能量散射  11.3  束縛電荷輻射的散射  11.4  電偶極子天線的輻射  11.5  天線的輻射電阻  11.6  天線的增益  11.7  磁偶極子天線的輻射  本章小結(jié)  習(xí)題11附錄A  一些有用的數(shù)學(xué)結(jié)論附錄B  計(jì)算雅可比行列式附錄C  矢量D、H、E、B、P、M之間的關(guān)系附錄D  相關(guān)的國際單位附錄E  相關(guān)的物理常數(shù)附錄F  中英文術(shù)語對照表習(xí)題參考答案參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　長線與短線上的電磁波有什么不同呢？在低頻情況下，由于波長較長，如果傳輸線的長度很短，即該線段與波長相比很小，則該線段上各點(diǎn)的電壓（或電流）的大小和方向可近似認(rèn)為相同，可視該線段為短線。如果頻率升高，波長變短，雖然該線段長度沒變，但在某瞬時(shí)其上各點(diǎn)的電壓（或電流）的大小和方向均不相同，此時(shí)該線段應(yīng)看成長線。本章討論的傳輸線屬于長線，即沿傳輸線上各點(diǎn)的電壓或電流均不相等，它們既隨時(shí)間變化，又隨位置變化?！　槭裁撮L傳輸線上各點(diǎn)的電壓和電流不相同呢？這與長傳輸線所具有的特性有關(guān)：①由于電流流過導(dǎo)線使導(dǎo)線發(fā)熱，從而導(dǎo)線本身處處有電阻；②由于導(dǎo)線間絕緣不理想而存在電流，使得導(dǎo)線間處處有漏電導(dǎo)；③由于導(dǎo)線之間有電壓，存在電場，于是導(dǎo)線之間處處存在電容；④由于導(dǎo)線中有電流，使導(dǎo)線周圍處處存在磁場，因此導(dǎo)線上存在電感。這些電阻、電導(dǎo)、電容、電感在均勻傳輸線上是均勻分布的，與低頻電路中電阻器、電容器、電感器等元件不同，前者的這些參數(shù)是沿線分布的，稱為分布參數(shù)；而后者的參數(shù)是集中在電路中的某些點(diǎn)上的，稱為集總參數(shù)。在低頻或波長遠(yuǎn)大于傳輸線的長度時(shí)，傳輸線上的這些電阻、電導(dǎo)、電容、電感等分布參數(shù)完全可以忽略。但當(dāng)頻率很高，傳輸線的長度可與信號波長相比擬時(shí)，這些分布參數(shù)就不能忽略了。所以在高頻情況下，傳輸線是具有分布參數(shù)的電路，利用傳輸線的分布參數(shù)等效電路就可以解釋電壓、電流為什么會沿傳輸線變化?！　　?/pre>








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