電磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)

前言

為貫徹落實(shí)教育部《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高等學(xué)校本科教學(xué)工作的若干意見》和《教育部關(guān)于以就業(yè)為導(dǎo)向深化高等職業(yè)教育改革的若干意見》的精神，加強(qiáng)教材建設(shè)，確保教材質(zhì)量，中國(guó)電力教育協(xié)會(huì)組織制訂了普通高等教育“十一五”教材規(guī)劃。該規(guī)劃強(qiáng)調(diào)適應(yīng)不同層次、不同類型院校，滿足學(xué)科發(fā)展和人才培養(yǎng)的需求，堅(jiān)持專業(yè)基礎(chǔ)課教材與教學(xué)急需的專業(yè)教材并重、新編與修訂相結(jié)合。本書為新編教材。早在2000年前，人們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了磁石和摩擦起電的知識(shí)。我們的祖先利用地球磁場(chǎng)發(fā)明了指南針，為人類文明作出了巨大貢獻(xiàn)。但是，人類對(duì)電、磁現(xiàn)象的系統(tǒng)性研究是從18世紀(jì)后期開始的。1785年，庫(kù)侖建立了靜電、靜磁的平方反比定律，標(biāo)志著電學(xué)和磁學(xué)定量研究的開始。從此，電磁學(xué)進(jìn)入了第一次飛躍發(fā)展時(shí)期。隨后，歐姆與基爾霍夫又建立了以他們的名字命名的電路定律。但是在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，人們一直把電和磁看作是兩個(gè)獨(dú)立的現(xiàn)象，并不知道它們之間有什么聯(lián)系。人類將電和磁作為一個(gè)整體加以研究，是從1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象開始的。從此，電磁學(xué)進(jìn)入了第二次飛躍發(fā)展時(shí)期。1865年英國(guó)學(xué)者麥克斯韋在總結(jié)和概括法拉第、安培、高斯等前人研究理論的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地提出了位移電流的假說(shuō)，建立了電磁現(xiàn)象滿足的基本規(guī)律，即麥克斯韋方程組，并預(yù)言了電磁波的存在。它構(gòu)成了完整的經(jīng)典電磁場(chǎng)理論體系，這標(biāo)志著電磁學(xué)完成了第三次飛躍。從此，電磁場(chǎng)理論及其應(yīng)用受到了物理學(xué)研究者的廣泛而深入的研究，這些研究對(duì)20世紀(jì)初物理學(xué)中幾個(gè)重大理論體系如相對(duì)論理論、量子理論等的建立起了重大作用。近30年來(lái)，電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，生物電磁學(xué)、環(huán)境電磁學(xué)和電磁兼容性等學(xué)科的建立，向電磁場(chǎng)理論提出了許多新的研究課題，也使現(xiàn)代電磁場(chǎng)理論得到了飛速發(fā)展。電磁場(chǎng)作為電磁能量的一種存在形式、信息傳輸?shù)闹匾d體、探求未知世界的重要手段，它是通信、電子、電氣等應(yīng)用學(xué)科的重要理論基礎(chǔ)。同時(shí)，在材料科學(xué)、生命科學(xué)和環(huán)境科學(xué)以及空間科學(xué)等新興學(xué)科和邊緣學(xué)科中也有非常廣泛的應(yīng)用。正因?yàn)槿绱耍澜绺鲊?guó)高等院校都將它作為一門必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程。通常在分析求解一個(gè)物理系統(tǒng)中的時(shí)變電磁場(chǎng)問(wèn)題時(shí)，嚴(yán)格地說(shuō)都應(yīng)采用電磁場(chǎng)理論中的分析方法，即所謂的“場(chǎng)”的方法，但在實(shí)際中很多情形下，也可采用電路理論中的分析方法，即所謂的“路”的方法，而且后者要簡(jiǎn)便得多。但是，“場(chǎng)”的方法具有普遍性，而“路”的方法具有特殊性?！奥贰钡姆椒ㄖ辉跁r(shí)變電磁場(chǎng)問(wèn)題滿足準(zhǔn)靜態(tài)的情況下適用。電磁場(chǎng)理論這門課程具有理論性強(qiáng)、概念抽象、邏輯性嚴(yán)密、數(shù)學(xué)工具應(yīng)用多、涉及應(yīng)用領(lǐng)域廣泛等特點(diǎn)。本書在內(nèi)容不淺顯也不深?yuàn)W、容易讓學(xué)生讀懂并領(lǐng)會(huì)的指導(dǎo)思想下，力求比較系統(tǒng)地介紹電磁場(chǎng)的基礎(chǔ)理論和基本分析方法。

內(nèi)容概要

本書為普通高等教育“十一五”規(guī)劃教材。 　　本書系統(tǒng)地闡述了電磁場(chǎng)與電磁波的基本規(guī)律、基本分析方法及其簡(jiǎn)單應(yīng)用。全書共分九章，主要內(nèi)容包括矢量分析、靜電場(chǎng)、恒定電場(chǎng)、恒定磁場(chǎng)、靜態(tài)電磁場(chǎng)邊值問(wèn)題的解、時(shí)變電磁場(chǎng)、平面電磁波、導(dǎo)行電磁波以及電磁波的輻射。本書內(nèi)容精練、概念清晰、易于讀懂、易于領(lǐng)會(huì)、便于自學(xué)，例題和習(xí)題有代表性，有助于加深對(duì)物理概念的理解。 　　本書可作為普通高等院校電氣信息類相關(guān)專業(yè)的教學(xué)用書，也可作為相關(guān)工程科技人員的自學(xué)或參考用書。

書籍目錄

前言第1章　矢量分析　1.1　矢量的基本概念及其代數(shù)運(yùn)算　1.2　矢量函數(shù)和微分　1.3　梯度、散度和旋度的定義及其運(yùn)算　1.4　矢量微分算子　1.5　矢量積分定理　1.6　常用坐標(biāo)系　習(xí)題第2章　靜電場(chǎng)　2.1　靜電場(chǎng)中的基本定律　2.2　靜電場(chǎng)中的標(biāo)量電位　2.3　存在電介質(zhì)時(shí)的靜電場(chǎng)　2.4　靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體與電容　2.5　靜電場(chǎng)的邊界條件　2.6　靜電場(chǎng)的泊松方程與拉普拉斯方程　2.7　靜電場(chǎng)能量與電場(chǎng)力　習(xí)題第3章　恒定電場(chǎng)　3.1　電流密度與電流　3.2　導(dǎo)電媒質(zhì)的歐姆定律及焦耳定律　3.3　恒定電場(chǎng)的基本方程　3.4　恒定電場(chǎng)的邊界條件　3.5　恒定電場(chǎng)與靜電場(chǎng)的比擬　3.6　電導(dǎo)與接地電阻　習(xí)題第4章　恒定磁場(chǎng)　4.1　磁感應(yīng)強(qiáng)度　4.2　磁場(chǎng)的高斯定律和真空中的安培環(huán)路定律　4.3　矢量磁位　4.4　物質(zhì)的磁化與磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定律　4.5　標(biāo)量磁位　4.6　恒定磁場(chǎng)的邊界條件　4.7　電感　4.8　磁場(chǎng)能量與磁場(chǎng)力  習(xí)題第5章　靜態(tài)電磁場(chǎng)邊值問(wèn)題的解  5.1　邊值問(wèn)題的分類和唯一性定理  5.2　鏡像法  5.3　二維邊值問(wèn)題的求解方法——分離變量法  習(xí)題第6章　時(shí)變電磁場(chǎng)  6.1　電磁感應(yīng)定律  6.2　位移電流與全電流定律  6.3　麥克斯韋方程組與時(shí)變電磁場(chǎng)的邊界條件  6.4　時(shí)變電磁場(chǎng)的位函數(shù)  6.5　時(shí)變電磁場(chǎng)的波動(dòng)性和波動(dòng)方程  6.6　坡印廷定理  6.7　準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)  習(xí)題第7章　平面電磁波　7.1　正弦電磁場(chǎng)　7.2　無(wú)界理想介質(zhì)中的均勻平面波　7.3　無(wú)界有耗媒質(zhì)中的均勻平面波　7.4　電磁波的速度　7.5　電磁波的極化　7.6　電磁波的反射與折射　習(xí)題第8章　導(dǎo)行電磁波　8.1　導(dǎo)行電磁波的一般特性　8.2　矩形波導(dǎo)　習(xí)題第9章　電磁波的輻射　9.1　輻射場(chǎng)的基本場(chǎng)量及輻射區(qū)　9.2　電偶極子的輻射場(chǎng)　9.3　磁偶極子的輻射場(chǎng)　習(xí)題部分習(xí)題答案參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：二、場(chǎng)的分類按照空間中分布的物理量的特性，可將場(chǎng)簡(jiǎn)單地分為標(biāo)量場(chǎng)和矢量場(chǎng)。如果空間中分布的物理量是標(biāo)量，那么所描述的場(chǎng)就是標(biāo)量場(chǎng)；如果空間中分布的物理量是矢量，那么所描述的場(chǎng)就是矢量場(chǎng)。三、場(chǎng)的表示方法場(chǎng)可用函數(shù)表示，具體地說(shuō)，可以用某物理量在某個(gè)區(qū)域內(nèi)的單值時(shí)空函數(shù)來(lái)表示。通常，標(biāo)量場(chǎng)用標(biāo)量函數(shù)表示，矢量場(chǎng)用矢量函數(shù)表示。值得注意的是，函數(shù)可以用來(lái)表示場(chǎng)，而且函數(shù)可以準(zhǔn)確地表達(dá)場(chǎng)，但是不能錯(cuò)誤地理解為：只要是函數(shù)就表示場(chǎng)。場(chǎng)也可用圖形表示。標(biāo)量場(chǎng)可用等值面表示，如等位面和等位線，如圖1-6所示。矢量場(chǎng)可用矢量線表示，如電場(chǎng)線和磁場(chǎng)線，如圖1-7所示。場(chǎng)的圖形表示方法相對(duì)直觀，但不夠精確。比如，在等位面上我們能夠獲悉面上各點(diǎn)電位相等，由矢量線的疏密可以獲悉矢量場(chǎng)的強(qiáng)弱，但并不知道確切的值。1.3.2標(biāo)量場(chǎng)的梯度雖然，表征電磁場(chǎng)的基本物理量大都是矢量，但是，在某些情況下，借助標(biāo)量場(chǎng)以及標(biāo)量場(chǎng)的有關(guān)性質(zhì)，可以使問(wèn)題得以簡(jiǎn)化。因此，有必要研究標(biāo)量場(chǎng)的有關(guān)性質(zhì)。電磁場(chǎng)理論中涉及標(biāo)量電位和標(biāo)量磁位，它們都是標(biāo)量位函數(shù)，也就是標(biāo)量場(chǎng)。標(biāo)量場(chǎng)在空間各點(diǎn)處的值，可由標(biāo)量位函數(shù)明確給出。另外，在某些情況下，僅僅知道標(biāo)量場(chǎng)在空間各點(diǎn)處的值，還遠(yuǎn)不夠詳盡，可能還需要了解它在不同方向上變化的趨勢(shì)，如它沿哪個(gè)方向變化最快、最快的變化率又是多少等。這時(shí)，則需要借助標(biāo)量場(chǎng)的方向?qū)?shù)和梯度來(lái)給出答案。

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《電磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)》可作為普通高等院校電氣信息類相關(guān)專業(yè)的教學(xué)用書，也可作為相關(guān)工程科技人員的自學(xué)或參考用書。

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