应用电磁学基础（原书第8版） [美]法瓦兹·T. 乌拉比

本书提供了47个基于网络的仿真模块，读者可在配套网站以交互的方式分析和设计传输线电路，生成由电荷和电流产生的电场和磁场的空间图形。本书还给出了17个技术简介，将电磁学理论与工程应用紧密结合，帮助读者深入理解电磁学的概念和应用。 

本书涵盖了经典电磁场理论，填补了电路和电磁学材料之间的空白。本书以传输线内容开始，引导学生从熟悉的概念进入更高级的主题和应用。第8版保留了对学生友好的动手仿真模块，有助于学生加深对电磁概念和应用的理解。

法瓦兹·T. 乌拉比（Fawwaz T. Ulaby） 美国密歇根大学电子工程和计算机科学学院的
教授、美国工程院院士、美国国家航空航天局（NASA）资助的空间太赫兹技术中心创始主任，
在1999~2005年担任密歇根大学研究副校长。他获得过许多大学、政府机构和科学组织的荣誉
和奖项，其中包括NASA成就奖（1990年）、IEEE千年奖章（2000年）、NASA和美国内政部
的联合表彰（2002年）等。他还被授予IEEE爱迪生奖章，这是美国电气和电子工程领域历史最
悠久的奖章。

目　录

译者序

前言

技术简介列表

模块列表

第1章　电磁学基础1

　1.1　历史时间轴2

　　1.1.1　经典电磁学2

　　1.1.2　现代电磁学5

　1.2　量、单位和符号10

　1.3　电磁学的本质10

　　1.3.1　万有引力10

　　1.3.2　电场11

　　1.3.3　磁场13

　　1.3.4　静态场和动态场14

　1.4　行波19

　　1.4.1　无耗媒质中的正弦波20

　　1.4.2　有耗媒质中的正弦波24

　1.5　电磁频谱26

　1.6　复数回顾28

　1.7　相量回顾32

　　1.7.1　求解过程32

　　1.7.2　相量域中的行波35

　习题36

第2章　传输线38

　2.1　概述38

　　2.1.1　波长的作用38

　　2.1.2　传输模式40

　2.2　集总元件模型41

　2.3　传输线方程44

　2.4　波在传输线上的传播45

　　2.4.1　相量域的解46

　　2.4.2　v(z,t)的时域解48

　　2.4.3　i(z,t)的时域解48

　2.5　无耗微带线49

　　2.5.1　有效相对介电常数50

　　2.5.2　特性阻抗50

　　2.5.3　设计过程51

　2.6　无耗传输线：概述52

　　2.6.1　电压反射系数54

　　2.6.2　驻波56

　2.7　无耗传输线的波阻抗61

　2.8　无耗传输线的特殊情况63

　　2.8.1　短路线63

　　2.8.2　开路线65

　　2.8.3　短路/开路技术的应用65

　　2.8.4　l=nλ/2的传输线67

　　2.8.5　四分之一波长变换器67

　　2.8.6　匹配传输线：ZL=Z067

　2.9　无耗传输线上的功率流70

　　2.9.1　瞬时功率71

　　2.9.2　时间平均功率71

　2.10　史密斯圆图73

　　2.10.1　参数方程73

　　2.10.2　SWR圆76

　　2.10.3　波阻抗77

　　2.10.4　SWR与电压最大值和

最小值78

　　2.10.5　阻抗到导纳的转换80

　2.11　阻抗匹配84

　　2.11.1　集总元件匹配86

　　2.11.2　单支节匹配88

　2.12　传输线上的瞬态现象94

　　2.12.1　阶跃函数的瞬态响应94

　　2.12.2　反弹图97

　习题102

第3章　矢量分析109

　3.1　矢量代数的基本定律109

　　3.1.1　矢量相等110

　　3.1.2　矢量加法和减法110

　　3.1.3　位置矢量和距离矢量111

　　3.1.4　矢量乘法111

　　3.1.5　标量三重积和矢量三重积114

　3.2　正交坐标系115

　　3.2.1　直角坐标系115

　　3.2.2　圆柱坐标系116

　　3.2.3　球坐标系119

　3.3　坐标系之间的变换121

　　3.3.1　直角坐标系到圆柱坐标系的
变换121

　　3.3.2　直角坐标系到球坐标系的
变换123

　　3.3.3　圆柱坐标系到球坐标系的
变换124

　　3.3.4　两点之间的距离124

　3.4　标量场的梯度125

　　3.4.1　圆柱坐标系和球坐标系中的

梯度算子126

　　3.4.2　梯度算子的性质127

　3.5　矢量场的散度130

　3.6　矢量场的旋度134

　　3.6.1　涉及旋度的矢量恒等式135

　　3.6.2　斯托克斯定理135

　3.7　拉普拉斯算子139

　习题139

第4章　静电学145

　4.1　麦克斯韦方程组145

　4.2　电荷和电流分布146

　　4.2.1　电荷密度146

　　4.2.2　电流密度147

　4.3　库仑定律148

　　4.3.1　多个点电荷产生的电场149

　　4.3.2　分布电荷产生的电场150

　4.4　高斯定律152

　4.5　标量电位155

　　4.5.1　电位作为电场的函数155

　　4.5.2　点电荷的电位158

　　4.5.3　连续分布电荷的电位158

　　4.5.4　电场作为电位的函数158

　　4.5.5　泊松方程160

　4.6　导体162

　　4.6.1　漂移速度163

　　4.6.2　电阻165

　　4.6.3　焦耳定律166

　4.7　电介质170

　　4.7.1　极化场170

　　4.7.2　介质击穿171

　4.8　电边界条件172

　　4.8.1　电介质导体边界175

前　言

本书在上一版核心内容和风格的基础上修订，旨在帮助读者深入理解电磁概念和应用。书中的47个基于网络的仿真模块
　可以在本书的网站em8e.eecs.umich.edu找到互动模块和技术简介。
可供读者以交互的方式分析和设计传输线电路，生成由电荷和电流产生的电场和磁场的空间图形，利用二维和三维可视化图形显示空间函数的梯度、散度和旋度，观察平面波在无耗和有耗媒质中传播的时间和空间波形，计算和显示矩形波导中的场分布，产生线天线和抛物面天线的辐射方向图。

此外，本书通过新增加图表，以及扩展技术简介的主题范围，在电磁学基础与工程应用之间建立了更多的桥梁。另外，增加和更新了习题。

内容介绍

本书第1章介绍电磁学（EM）基础知识。一般情况下，读者在学习电磁学之前，都要学习电路知识，需要熟悉电路分析、欧姆定律、基尔霍夫电流定律和电压定律，以及相关的内容。

第2章介绍传输线，读者可以使用已经熟悉的概念来学习波的运动、功率的反射和传输、相量、阻抗匹配，以及在导波结构中波传播的许多性质。所有这些新学习的概念都将在以后（在第7章～第9章）被证明是非常有价值的，并将有助于学习平面波如何在自由空间和媒质中传播。

第3章～第5章，涵盖矢量分析、静电学和静磁学。其中第4章的静电学从时变麦克斯韦方程组开始，然后研究静电学和静磁学。这些章节将给读者提供一个总体框架，并展示为什么静电学和静磁学是更一般的时变电磁场的特殊情况。

第6章讨论时变场，是第7章～第9章的铺垫。第7章涵盖平面波在介质中的传播，第8章涵盖不连续边界处的反射和透射，并介绍光纤、波导和谐振器，第9章介绍了导线中电流的辐射原理（如偶极子的辐射），以及孔径辐射原理（如喇叭天线或被光源照射的不透明屏幕上的空隙的辐射）。

为了让读者了解电磁学在当今技术社会中的广泛应用，第10章以两个系统——卫星通信系统和雷达传感器的示例作为本书的结尾。

致读者

读者可将本书基于网络的交互模块与书中的资料结合起来使用。交互模块使用中，电子显示屏的多功能窗口中有“帮助”按钮，在需要时可为使用者提供指导。本书配套网站上的视频动画展示了场和波在时间和空间中的传播过程、天线阵列的波束进行电子扫描的过程，以及在变化磁场下的电路中产生电流的过程。这些都是有用的自学资源。读者可以在本书的配套网站em8e.eecs.umich.edu上找到它们，并使用它们！

本书的配套网站

在整本书中，我们使用符号来表示本书的配套网站 em8e.eecs.umich.edu，该网站包含了丰富的信息和大量有用的工具。