電磁場理論

本書全面講述了電磁場與電磁波的基本規律、基本概念和分析方法。主要內容包括場論、靜電場、恆定電場、恆定磁場、靜態場的解、時變電磁場、平面電磁波、導行電磁波、電磁波的輻射等。

本書可作為高等院校通信與電子信息類及相關專業本科或研究生的教材，用作高職高專教材時可適當節選，也可作為廣大工程技術人員學習電磁場基礎理論及應用的參考書。

電磁場理論體系是人類文明的集中體現，它的每一個定律、定理和公式都深深地影響了人類社會的變革，甚至塑造了人類的思想。尤其是近幾十年來電磁技術的廣泛應用，已經深刻地改變了人們的生產和生活方式。它是人類知識寶庫中的精髓，更是相關專業工程技術人員必須掌握的基礎理論。一直以來，高等院校電子類專業都將電磁場理論列為最重要的專業基礎課。當讀者開始學習本書的內容時，一般已經在之前幾個階段的物理課中由淺入深地對電磁場的基本定律和基本實驗有了初步的認識和理解。但是，對於工程技術人員所從事的相關工程應用和理論研究工作，物理課中的普及性基礎的知識是遠遠不夠的。本書的編寫宗旨就是希望讀者通過本書的學習，能夠進一步掌握足夠的電磁場基本理論和應用研究方法。

本書共9章，重點講述了電磁場與電磁波的基本規律、基本概念和分析方法，通信工程及電子信息專業本科教學參考學時數為64學時。第1章是矢量分析與場論，簡要介紹學習本課程要用到的數學基礎知識；第2~5章為靜態場，主要介紹靜電場、恆定電流的電場和磁場的基本概念和分析與計算方法；第6章是時變電磁場，是本書的核心，全面論述了電磁理論中的基本方程及其邊界條件；第7章研究均勻平面電磁波在無界媒質中的傳播及其在平面分界面的反射、折射等特性；第8章研究導行電磁波的特性，以及波導、諧振腔等；第9章是電磁波的輻射和散射。各章末都附有大量的習題。通過對本書中各部分內容的學習，讀者可以對電磁場的基本理論有一個整體的概念。基於在編寫方式上的見解和特點，相信本書會對電子信息類學生和專業人員學習電磁場理論課程有一定的幫助。本書滲透著編著者多年的教學心得，希望本書的出版能為相關專業的教學和發展起到一些作用。

對於本科生、研究生，可以根據不同的教學要求靈活選用本書的內容。另外，可根據自身的教學條件，結合實驗和模擬技術，通過多媒體教學使學生對這些理論有更加深刻的理解和認識。

在本書的編寫過程中，得到了清華大學出版社的大力協助和支持，在此表示誠摯的謝意。另外，對本書所列文獻的作者表示由衷的感謝。

限於編者的水平，書中不妥和錯誤之處在所難免，敬請廣大讀者及同行批評指正。

作者

2016年3月

第1章矢量分析與場論

1.1矢量代數

1.1.1矢量的加、減法

1.1.2數量與矢量的乘積

1.1.3矢量的投影

1.1.4兩矢量的標量積

1.1.5兩矢量的矢量積

1.2矢量分析

1.2.1矢性函數

1.2.2矢性函數的導數與微分

1.2.3矢性函數的積分

1.3場

1.3.1場的概念

1.3.2數量場的等值面

1.3.3矢量場的矢量線

1.4數量場的方嚮導數和梯度

1.4.1方嚮導數

1.4.2梯度

1.5矢量場的通量和散度

1.5.1通量

1.5.2散度

1.6矢量場的環量及旋度

1.6.1環量

1.6.2旋度

1.7幾種重要的矢量場

1.7.1有勢場

1.7.2管形場

1.7.3調和場

1.8哈密頓運算元

1.9正交曲線坐標系

1.9.1正交曲線坐標的概念

1.9.2柱面坐標系和球面坐標系

1.10亥姆霍茲定理

習題

第2章靜電場

2.1庫侖定律與電場強度

2.1.1庫侖定律

2.1.2電場強度

2.2高斯定理

2.2.1電通量

2.2.2電場強度的通量和散度

2.3靜電場的基本方程

2.3.1電場強度的旋度

2.3.2電位

2.3.3電位方程

2.4電偶極子

2.5靜電場中的物質

2.5.1靜電場中的導體

2.5.2介質的極化

2.5.3極化介質產生的電位

2.5.4介質中的場方程

2.5.5D與E的關係及介電常數

2.6邊界條件

2.6.1E和D的邊界條件

2.6.2電位的邊界條件

2.7靜電場中的儲能

2.7.1電場能量

2.7.2能量密度

2.8電場力

2.9導體系統的電容

2.9.1電容

2.9.2電位係數

2.9.3電容係數和部分電容

習題

第3章恆定電場

3.1電流密度

3.1.1電流的性質

3.1.2電流密度

3.2導體的電阻

3.3電流連續性方程

3.4焦耳定律

3.5恆定電場的邊界條件

3.6恆定電場與靜電場的比擬

3.7電動勢

習題

第4章恆定磁場

4.1磁感應強度

4.1.1安培定律

4.1.2畢奧薩伐爾定律

4.2恆定磁場的基本方程

4.3矢量磁位

4.4磁偶極子

4.5磁介質中的場方程

4.5.1磁場強度

4.5.2磁介質中的基本方程

4.6恆定磁場的邊界條件

4.7標量磁位

4.8互感和自感

4.9磁場能量

4.10磁場力

習題

第5章靜態場的解

5.1邊值問題的分類

5.2唯一性定理

5.2.1格林公式

5.2.2唯一性定理

5.3鏡像法

5.3.1導體平面上方點電荷的電場

5.3.2導體球附近點電荷的電場

5.3.3導體平面與平行線電荷的電場

5.3.4介質平面上方點電荷的電場

5.4分離變數法

5.4.1直角坐標系中的分離變數法

5.4.2圓柱坐標系中的分離變數法

5.4.3球坐標系中的分離變數法

5.5複變函數法

5.5.1複電位函數

5.5.2用複電位解二維邊值問題

5.5.3保角變換

5.6有限差分法

習題

第6章時變電磁場

6.1法拉第電磁感應定律

6.2位移電流

6.3麥克斯韋方程組

6.4電磁場的邊界條件

6.5坡印廷定理

6.6正弦電磁場

6.6.1正弦電磁場的複數表示

6.6.2麥克斯韋方程組的複數形式

6.6.3複數形式的本構關係和邊界條件

6.6.4復坡印廷矢量

6.6.5復介電常數與復磁導率

6.7波動方程

6.8標量位和矢量位

習題

第7章平面電磁波

7.1理想介質中的平面波

7.1.1均勻平面波的分析

7.1.2均勻平面波的傳播特性

7.2導電媒質中的平面波

7.2.1導電媒質中平面波的傳播特性

7.2.2趨膚深度和表面電阻

7.3等離子體中的平面波

7.4電磁波的色散和群速

7.5電磁波的極化

7.5.1線極化

7.5.2圓極化

7.5.3橢圓極化

7.6沿任意方向傳播的平面波

7.7平面波向平面邊界的垂直入射

7.7.1平面波向理想導體的垂直入射

7.7.2平面波向理想介質的垂直入射

7.8平面波向多層平面邊界的垂直入射

7.9平面波向平面邊界的斜入射

7.9.1平面波向理想導體平面的斜入射

7.9.2平面波對理想介質的斜入射

7.9.3全反射和全透射

習題

第8章導行電磁波

8.1規則波導中導行電磁波的分析

8.1.1導行波橫、縱向分量的關係

8.1.2導行波波型的分類

8.1.3導行波的傳輸特性

8.2矩形波導

8.2.1矩形波導中的TE波

8.2.2矩形波導中的TM波

8.2.3矩形波導的傳輸特性

8.2.4矩形波導中的TE10模

8.3圓柱形波導

8.3.1圓形波導中的TE波

8.3.2圓形波導中的TM波

8.3.3圓形波導的傳輸特性

8.3.4圓形波導中的幾個主要波型

8.4波導中的能量傳輸與損耗

8.5同軸線

8.5.1同軸線的特性阻抗

8.5.2同軸線的傳輸參數、功率

8.6諧振腔

8.6.1諧振腔的基本參數

8.6.2矩形空腔諧振器

8.6.3圓柱形空腔諧振器

習題

第9章電磁波的輻射

9.1滯后位

9.2電基本振子的輻射場

9.2.1電基本振子電磁場的分析

9.2.2輻射功率和輻射電阻

9.3磁基本振子的輻射場與對偶原理

9.3.1磁基本振子的輻射場

9.3.2對偶原理

9.4天線的電參數

9.5對稱振子天線與天線陣

9.5.1對稱振子天線

9.5.2天線陣的概念

9.6面天線的輻射場

9.6.1基爾霍夫公式

9.6.2口徑面的輻射場

9.7互易定理

習題

附錄A常用矢量公式

附錄B常用數學公式

附錄C量和單位

附錄D通信波段與傳輸媒質

參考文獻