工程電磁場與電磁波

前言

電磁場與電磁波課程是電子信息工程、通信工程、電子科學(xué)技術(shù)類專業(yè)學(xué)生的一門非常重要的基礎(chǔ)課程。其理論知識涉及通信、廣播、電視、導(dǎo)航、雷達(dá)、遙感、測控、電子對抗、電子儀器、測量系統(tǒng)乃至電力、交通、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，可見電磁場及電磁波理論覆蓋范圍之大，涉及內(nèi)容之廣泛。同時(shí)，電磁場與電磁波又是新興學(xué)科的孕育點(diǎn)?；谠撜n程概念抽象，分析問題所需數(shù)學(xué)知識較多的特點(diǎn)，本教材以“工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)”為目標(biāo)，基于作者多年從事電磁場與電磁波教學(xué)和科研工作的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合教材內(nèi)容的安排，突出課程重點(diǎn)及各章節(jié)關(guān)鍵知識點(diǎn)，并以工程實(shí)際應(yīng)用為背景，優(yōu)選國內(nèi)、外優(yōu)秀教材及學(xué)習(xí)指導(dǎo)編著而成，旨在幫助學(xué)生掌握電磁場與電磁波的重要環(huán)節(jié)，加深并鞏固對其基本理論知識的理解，并提高學(xué)生的抽象思維能力和科技創(chuàng)新能力，使其具備廣泛的電磁場與電磁波理論知識。并且，通過掌握電磁場及電磁波知識，可以培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)，樹立縝密的科學(xué)觀念，并培養(yǎng)其抽象思維能力及創(chuàng)新精神，從而造就具有高素質(zhì)和創(chuàng)新能力的工程應(yīng)用復(fù)合型人才。在一些先進(jìn)的工業(yè)國家，各高等院校及科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)將電磁場及電磁波理論作為電子與信息類專業(yè)必修的基礎(chǔ)課程。本教材將靜態(tài)場作為交變場的特例，并作簡單介紹，而以交變場為重點(diǎn)，以天線和波導(dǎo)為研究對象，結(jié)合場分布特性來介紹電磁波在工程實(shí)際中的應(yīng)用。本教材在內(nèi)容安排上主要分為場波基礎(chǔ)篇、場波理論篇及場波應(yīng)用篇，從而使得教材內(nèi)容安排合理、知識點(diǎn)清晰、重點(diǎn)內(nèi)容突出，將基本概念、基本電磁定律與電磁學(xué)的實(shí)際應(yīng)用結(jié)合，避免傳統(tǒng)教材內(nèi)容晦澀的弊端，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)電磁場與電磁波的興趣，并為后續(xù)相關(guān)課程作理論知識及技術(shù)上的鋪墊。本教材對象為電子與信息類專業(yè)本科生、研究生及從事微波工程、電磁測量、無線電技術(shù)等領(lǐng)域技術(shù)人員，教材同時(shí)涵蓋電磁場理論、微波技術(shù)內(nèi)容。教材選材涉及與網(wǎng)絡(luò)通信有關(guān)的電磁理論及技術(shù)，其深度和廣度較其他同類教材有所加強(qiáng)。在教材內(nèi)容安排上注重電磁理論基礎(chǔ)，同時(shí)注意與工程應(yīng)用相結(jié)合，尤其注重與網(wǎng)絡(luò)、通信應(yīng)用的結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)工程應(yīng)用人才的目的。本教材免費(fèi)提供配套教學(xué)電子課件，聯(lián)系方式：zhihua21cn@163.com。本書第1-6章由姜宇編寫，第7、8章由中國電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所副所長、高級工程師吳亞林編寫，第9章由姜弢編寫，第10章由楊曉冬編寫，最后由姜宇負(fù)責(zé)全書的統(tǒng)稿工作。在本書的編寫過程中，特別感謝郭黎利教授于百忙之中擔(dān)任本書的主審，并提出許多有價(jià)值的修改意見。感謝碩士研究生肖鴻、高紅友、劉興鵬、滕巍、劉福平、于少鵬、自學(xué)偉、高鑫、靳中銀打印了部分手稿，并繪制了全部圖稿。本書出版得到哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院以及電子科學(xué)技術(shù)研究所全體同仁的大力支持，編者一并致以誠摯的謝意！由于編者水平有限，錯誤及不當(dāng)之處在所難免，懇請批評指正。

內(nèi)容概要

　　本書通過精煉的內(nèi)容與清晰的概念，詳細(xì)地介紹了電磁場與電磁波理論所涉及的基本原理、基本規(guī)律、基本分析方法和基本計(jì)算方法，突出了電磁場與電磁波理論的實(shí)用性。　　本書共分10章，包括矢量分析基礎(chǔ)、電磁場的基本物理量與定律、靜態(tài)電磁場中的介質(zhì)、靜態(tài)場的邊值問題、時(shí)變電磁場、平面波、導(dǎo)行波、電磁波輻射的基本概論、電磁仿真軟件——Ansoft HFSS以及電磁波應(yīng)用系統(tǒng)。每章均精選了能夠涵蓋教學(xué)核心內(nèi)容的例題與習(xí)題，難易程度適中，便于讀者鞏固教材內(nèi)容?！　”緯勺鳛殡娮优c信息類專業(yè)本科生、研究生及從事微波工程、電磁測量、無線電技術(shù)等領(lǐng)域技術(shù)人員的教材，也可以作為有關(guān)科技人員的參考書。

書籍目錄

第一篇 場波基礎(chǔ)篇第1章 矢量分析基礎(chǔ)1.1 標(biāo)量與矢量1.1.1 標(biāo)量與矢量1.1.2 標(biāo)量場與矢量場1.2 矢量的運(yùn)算1.2.1 矢量的代數(shù)運(yùn)算1.2.2 矢量乘1.2.3 矢量函數(shù)求導(dǎo)1.2.4 矢量函數(shù)積分1.3 標(biāo)量場的方向?qū)?shù)和梯度1.3.1 標(biāo)量場的等值面與等值線1.3.2 標(biāo)量場的方向?qū)?shù)1.3.3 標(biāo)量場的梯度1.3.4 哈密頓算子1.4 矢量場的散度及高斯散度定理1.4.1 矢量線1.4.2 矢量場的通量1.4.3 矢量場的散度1.4.4 高斯散度定理1.4.5 格林定理1.5 矢量場的旋度及斯托克斯定理1.5.1 環(huán)量1.5.2 旋度1.5.3 斯托克斯定理1.6 曲面坐標(biāo)系1.6.1 直角坐標(biāo)系1.6.2 圓柱坐標(biāo)系1.6.3 球坐標(biāo)系1.7 亥姆霍茲定理小結(jié)習(xí)題第2章 電磁場的基本物理量與定律2.1 電場基本規(guī)律2.1.1 電荷與電荷分布2.1.2 庫侖定律與電場強(qiáng)度2.1.3 電位2.1.4 電偶極子2.1.5 高斯定理及電位移矢量2.1.6 泊松方程和拉普拉斯方程2.2 磁場基本定律2.2.1 電流與電流密度2.2.2 歐姆定律2.2.3 焦耳定律2.2.4 電流連續(xù)性方程2.2.5 安培力定律與磁感應(yīng)強(qiáng)度2.2.6 磁通連續(xù)性定理與安培環(huán)路定律2.2.7 矢量磁位小結(jié)習(xí)題二第二篇 場波理論篇第3章 靜態(tài)電磁場中的介質(zhì)3.1 靜電場中的導(dǎo)體3.2 靜電場中電介質(zhì)的極化3.2.1 物質(zhì)的分類3.2.2 介質(zhì)的極化3.2.3 極化強(qiáng)度與束縛電荷3.2.4 極化介質(zhì)產(chǎn)生的電位3.3 介質(zhì)中的靜電場方程3.3.1 介質(zhì)中的高斯定理3.3.2 介質(zhì)的分類3.3.3 介電常數(shù)3.4 導(dǎo)體系統(tǒng)中的電容3.4.1 孤立導(dǎo)體的電容3.4.2 雙導(dǎo)體電容器的電容3.4.3 電位系數(shù)、電容系數(shù)及部分電容3.5 靜電場的能量與電場力3.5.1 靜電能3.5.2 靜電力3.6 物質(zhì)的磁化3.6.1 磁偶極子3.6.2 分子電流及分子磁矩3.6.3 磁化強(qiáng)度3.6.4 磁化電流3.7 磁介質(zhì)中的磁場方程3.7.1 磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理3.7.2 磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率3.8 標(biāo)量磁位3.9 電感3.9.1 磁鏈3.9.2 互感3.9.3 自感3.10 磁場能量與磁場力3.10.1 磁場能量3.10.2 磁場力小結(jié)習(xí)題三第4章 靜態(tài)場的邊值問題4.1 恒定電磁場的邊界條件4.1.1 靜電場的邊界條件4.1.2 恒定電流場的邊界條件4.1.3 恒定磁場的邊界條件4.2 邊值問題4.2.1 邊值問題的分類4.2.2 唯一性定理4.2.3 鏡像法4.2.4 分離變量法4.2.5 有限差分法4.2.6 有限元法小結(jié)習(xí)題四第5章 時(shí)變電磁場5.1 法拉第電磁感應(yīng)定律5.2 位移電流與安培-麥克斯韋全電流定律5.2.1 位移電流5.2.2 全電流連續(xù)性原理5.2.3 安培-麥克斯韋全電流定律5.3 麥克斯韋方程組及其輔助方程5.3.1 麥克斯韋方程組5.3.2 麥克斯韋方程的輔助方程一一結(jié)構(gòu)方程5.4 時(shí)諧電磁場5.4.1 時(shí)諧電磁場的復(fù)數(shù)表示方法5.4.2 麥克斯韋方程組的復(fù)數(shù)形式5.4.3 時(shí)諧電磁場中的介質(zhì)特性5.4.4 介質(zhì)的分類5.5 時(shí)變電磁場的邊界條件5.5.1 一般情況5.5.2 兩種重要的特殊情況5.5.3 時(shí)變電磁場的唯一性定理5.5.4 洛倫茲力5.6 坡印廷定理和坡印廷定理矢量_5.6.1 坡印廷定理5.6.2 坡印廷矢量5.6.3 復(fù)坡印廷矢量5.6.4 復(fù)數(shù)形式的坡印廷定理5.7 波動方程5.7.1 一般波動方程5.7.2 時(shí)諧電磁場的波動方程5.8 時(shí)變電磁場的位函數(shù)——矢量位和標(biāo)量位5.8.1 矢量位和標(biāo)量位5.8.2 矢量位和標(biāo)量位滿足的方程小結(jié)習(xí)題五第6章 平面波6.1 基本概念6.2 理想介質(zhì)中的平面波6.2.1 理想介質(zhì)中波動方程的均勻平面波解I6.2.2 均勻平面波的傳播參數(shù)及傳播特性6.3 導(dǎo)電介質(zhì)中的平面波6.3.1 導(dǎo)電介質(zhì)中平面波的傳播參數(shù)及傳播特性6.3.2 兩種典型導(dǎo)電介質(zhì)中平面波的傳播特性6.4 電磁波的極化6.4.1 極化的概念6.4.2 平面波的極化形式6.4.3 平面波的三種極化形式之間的關(guān)系6.4.4 電磁波極化在工程中的應(yīng)用第三篇 場波應(yīng)用篇第7章 導(dǎo)行波第8章 電磁波輻射的基本概論第9章 電磁仿真軟件——Ansoft HFSS第10章 電磁波應(yīng)用系統(tǒng)附錄A 有關(guān)物理量和單位符號附錄B 重要的矢量分析公式參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 矢量分析基礎(chǔ)電磁場與電磁波理論中所涉及的主要物理量均具有明確的物理意義，它們都是與空間坐標(biāo)及時(shí)間有關(guān)的矢量函數(shù)。我們將具有時(shí)空分布特性的物理量稱為場。以矢量分析為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)語言或方法構(gòu)成了場論的基礎(chǔ)。通過對矢量或標(biāo)量進(jìn)行微分及積分計(jì)算來分析矢量場及標(biāo)量場的特性，從而獲得關(guān)于某些物理量的規(guī)律。 除此之外，關(guān)于電磁矢量場的分析和場論的基本知識都是學(xué)習(xí)電磁場與電磁波理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。本書僅限于在直角坐標(biāo)系中討論相關(guān)內(nèi)容。1.1 標(biāo)量與矢量1.1.1 標(biāo)量與矢量電磁場中絕大多數(shù)物理量，可以分為兩大類，即標(biāo)量和矢量。僅用大小就能表述的物理量稱為標(biāo)量，在數(shù)學(xué)中所有實(shí)數(shù)域內(nèi)的任意一個(gè)代數(shù)量都是標(biāo)量，例如，長度、面積、體積、溫度等。不僅具有大小而且具有方向特征的物理量稱為矢量，例如，力、電場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度、速.度、位移等。

編輯推薦

《工程電磁場與電磁波》可作為電子與信息類專業(yè)本科生、研究生及從事微波工程、電磁測量、無線電技術(shù)等領(lǐng)域技術(shù)人員的教材，也可以作為有關(guān)科技人員的參考書。

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