电磁场与电磁波

 配套资源：电子教案
本书特色：
化繁为简，避免晦涩难懂的长篇理论介绍，符合应用型本科教学特点，体现学科*发展

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本书为满足地方高校电气信息类专业《电磁场与电磁波》的教学要求而编写。在充分保证该课程与相关课程衔接的前提下，对教学内容作了必要的优化，以减少重复，去掉了导行电磁波和电磁波的辐射。主要内容有：矢量分析、静电场与恒定电场、恒定磁场、静态场边值问题的解法、时变电磁场、交变电磁场、平面波电磁波及电磁辐射与天线内容。本书注重基本概念、基本理论的阐述，弱化繁琐的公式推导，侧重讲解电磁场与电磁波理论的物理意义和应用。书中配有大量详解例题，有利于培养学生良好的思维和应用知识的能力。本书可作为地方高校电子信息工程、通信工程、信息工程等专业的本科教材。

阳小明，1998年3月~2001年3月，在电子科技大学通信与信息工程学院攻读硕士，毕业获工学硕士学位。2001年3月~2003年7月，在成都大唐电信有限公司任电子工程师，从事OADM光传输设备研发。2003年7月~至今，在西华大学电气与电子信息学院任教，并从事电磁超介质、天线研究工作。

目 录前 言第1章 矢量分析1.1 矢量与矢量运算1.1.1 矢量的定义1.1.2 矢量的运算1.2 空间矢量1.3 标量场与矢量场1.4 三种正交坐标系1.4.1 直角坐标系1.4.2 圆柱坐标系1.4.3 球坐标系1.5 标量场的梯度1.6 矢量场的散度1.7 矢量场的旋度1.8 亥姆霍兹定理1.9 微分算符第 1 章 习题第2章 静电场与恒定电场2.1 电荷2.2 真空中的静电场及基本规律2.2.1 电场强度2.2.2 电位2.3 静电场中的导体与介质2.3.1 静电场中的导体2.3.2 静电场中的介质2.4 静电场的边界条件2.4.1 两种介质的边界条件2.4.2 导体与介质的边界条件2.5 泊松方程与拉普拉斯方程2.6 导体系统的电容2.6.1 导体与双导体的电容2.6.2 三导体与多导体的电容2.7 静电场的能量和静电力2.7.1 静电场的能量2.7.2 利用虚位移法求静电力2.8 恒定电场2.8.1 电流与电流密度2.8.2 恒定电场的基本方程和边界条件2.8.3 电阻、电导和焦耳定律2.8.4 恒定电场与静电场的比拟2.9 静电场的边值问题及性定理第 2 章 习题第3章 恒定磁场3.1 真空中的恒定磁场及基本规律3.1.1 磁感应强度3.1.2 真空中恒定磁场的基本方程3.2 介质的磁化与介质中恒定磁场的基本方程3.2.1 介质的磁化3.2.2 介质中恒定磁场的基本方程3.3 恒定磁场的边界条件3.4 矢量磁位与标量磁位的引入与计算3.4.1 矢量磁位及其微分方程3.4.2 标量磁位及其微分方程3.5 电感系数3.5.1 自电感系数3.5.2 互电感系数3.5.3 自电感与互电感系数的计算3.6 恒定磁场的能量和磁场力3.6.1 恒定磁场的能量3.6.2 恒定磁场的磁场力第 3 章 习题第4章 时变电磁场4.1 麦克斯韦方程组4.2 时变电磁场的边界条件4.3 时变电磁场的能量与坡印廷矢量4.4 矢量磁位和标量磁位的引入与波动方程4.4.1 矢量磁位和标量磁位的引入4.4.2 矢量位和标量位的波动方程第 4 章 习题第5章 平面电磁波5.1 理想介质中的均匀平面波5.1.1 复数麦克斯韦方程组与亥姆霍兹方程5.1.2 均匀坡印廷矢量5.1.3 均匀平面电磁波5.2 电磁波的极化5.3 导电媒质中的均匀平面电磁波5.3.1 导电媒质中均匀平面电磁波的求解5.3.2 导电媒质中均匀平面电磁波的特性5.3.3 强导与弱导电媒质5.4 平面电磁波的垂直入射5.4.1 两种一般媒质界面上的垂直入射5.4.2 平面电磁波在理想导体表面上的垂直入射5.4.3 平面电磁波在理想介质表面上的垂直入射5.5 平面电磁波的界面斜入射5.5.1 平面电磁波在理想导体表面上的斜入射5.5.2 平面电磁波在理想介质表面上的斜入射第 5 章 习题第6章 导行电磁波6.1 导波系统及分析方法概述6.1.1 导波系统的分类6.1.2 导行电磁波的求解方法6.2 传输线6.2.1 均匀传输线6.2.2 均匀传输线特性参数与意义6.3 金属波导6.3.1 矩形波导6.3.2 圆形波导6.4 介质传输线6.5 谐振腔第 6 章 习题附录一 习题参考答案与提示附录二 重要的矢量公式附录三 常用的物理常数附录四 常见材料的电磁参数参考文献

前 言电磁场与电磁波、信号与系统、数学信号处理是信息工程、电子信息和通信工程等专业的重要专业基础课，这三门课程都有一共同的特点——理论抽象难懂，数学公式推导复杂。有不少同学戏称这三门课是“三大天书”，而电磁场与电磁波是“天书之”。好的教学质量固然离不开好的教材，这就提出了一个问题，什么才是好的教材。目前，本课程的教材非常多，这些教材大多内容完整、结构合理、逻辑清晰、习题丰富，写得也很深入，单从教材本身来看都是优秀教材，但要考虑它的使用对象未必如是，也就是说好教材必须要结合使用者来谈。本书的使用对象设定为非211、985高校的地方院校本科生，这就要求教材必须为地方院校工科人才培养服务。地方高校人才培养目标有别于国家重点大学，它不是以培养研究型、创新型人才为主，而是以培养应用型、复合型人才为主。电磁场与电磁波作为一门专业基础课，不能讲授得既全又深，具体原因分析如下。一、高校职能是为国家社会、经济发展培养人才。从人才需求的角度来看，具备专业基础，能应用专业知识的技术及技术相关人才需求量，而从事研究、创新的高层次人才需求量小。地方高校的师资和办学硬件决定了它们必须重视学生工程应用能力的培养，以确保就业率，这也关系着学校自身的生存、发展和社会的稳定。由此可见，在减小理论授课总学时而增加实践环节的大趋势下，电磁场与电磁波还要占用48学时以上并不现实。对于地方高校本门课程的学时数好控制在40学时。二、从地方高校招生的生源来看,学生抽象思维和数学基础都较差。在本门课程授课时，仍采用推公式、重计算的传统教学方法，其结果只能是花了不少宝贵的学时，学生却无法掌握重要知识点，更谈不上知识的应用，更糟糕的是让学生失去学习的兴趣和信心。三、从相关专业课程体系来看，电磁场与电磁波的部分内容与前修课程和后继课程重叠，如大学物理、移动通信、微波与天线技术等。虽然不可否认知识重复性讲授会有一定教学效果，但是导致教学效率的降低也是明显的，因此不能靠课堂上给学生多灌输知识来提高教学质量，这样培养出来的学生也难达到行业对人才素质的要求。优化电磁电场与电磁波和其他课程重复内容，再结合教学改革促使学生主动复习巩固知识，才是既能保证教学效果又能提高教学效率的有效途径。本教材的编写正是充分考虑到地方高校电磁电场与电磁波课程教学的实际需要而编写。首先，根据信息类专业典型课程设置，认真对比、分析了大学物理、移动通信、微波与天线技术等和电磁电场与电磁波课程的关系，在本教材中适当弱化了大学物理已讲过的知识点，由于微波与天线技术课程本身就要详细讲解导行电磁波和电磁波的辐射，故针对相关内容作了必要的优化和删减。其次，针对学生特点，简化了部分知识点的公式推导，而更注重知识点物理意义和应用上的阐述，讲解相关知识点也尽量贴近学生的思维能力和特点。后，教材在编写过程中吸取了部分教学经验。如，学生书写变量时，常分不清矢量和标量，这是由概念不清楚和习惯不好引起的，为了解决这一问题，教材中的矢量符号采用矢量的手写体；例题的求解也非常详细，方便学生较快的看懂解题步骤。本书共分为6章。章矢量分析，讲解本课程学习所必须具备的数学基础，建议6学时；第二、三章讲解静态电、磁场的基本物理规律，建议8 6学时；第四章时变电磁场，重点介绍时变电磁场的麦克斯韦方程组、能量流动密度和波动方程等，建议4学时。第五章平面电磁波，重点介绍平面电磁波的求解，和在均匀单一介质、两种介质中的传播，包括垂直入射、斜入时介质表面处发生的反射、折射等传播特性，建议8学时；第六章导行电磁波介绍三种导波系统以及谐振腔，建议6学时。按学分分配学时参考为：一至五章理论学时共计32，不设实验，为2学分；如果增设8学时实验，该课程为40学时、2.5学分；也可讲授一至六章共计38学时，加实验8学时和习题课2学时，达到48学时、3学分。本书一至四章由阳小明编写，第五、六章由李天倩编写，全书由阳小明统稿。本书在编写过程中参考了许多同行编著的教材和习题指导书，从这些书中可以看到他们渊博的知识和严谨的治学，这些都使本书的编写受益颇多，在此对这些同行专家表示深深的敬意和诚挚的感谢。由于所参考的教材和指导书也参考了其他一些书籍，在本书的参考文献中不能全部列出，在此也一并感谢。西华大学电气与电子信息学院王军院长和信息工程系王维博系主任对本书的编写一直很关心，他们提出了很多宝贵意见，并从四川省“信息工程专业卓越工程师人才培养计划”和另一省级教改项目（项目编号：700337）中提供了经费资助；我的研究生杜晓风、雍明阳、万洪和田野帮助完成了部分插图，在此对他们表示由衷的感谢。由于时间紧，教材编写前期的调研工作做得不太充分，对教材中的内容取舍是否合理还有待检验，加上水平有限，书中难免存在一些不足和错误，欢迎读者和同行专家批评指正，来信请发到电子邮箱[email protected]。不过，针对地方高校该门课程的教材编写的确需要大胆的改革、尝试，没有迈出步，就不会有第二步、第三步