作者：符果行
出版社：电子工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
电磁场与电磁波基础教程(第2版)试读：
前言
本次再版教材，仍然保持本书由特殊到一般，循序渐进，突出物理概念，简化理论推导，强调分析思路和工程应用的特色不变。“电磁场与电磁波”教材，已经出版过按照各种教学体系和结构的很多版本，它们各具特点，适合于不同层次的读者阅读。教学实践表明，对于初学者，本书的体系和结构符合认知规律，更易于读者理解和接受。因此，本次再版对教材体系和结构未做重大变动。
本次修订侧重于两点：一是，对第1版进行进一步统一和完善，使之更臻成熟；二是，近年来随着科技发展的日新月异，新技术层出不穷，有必要对第1版中工程应用的部分内容进行必要的更新和增补。
为了突出“电磁场与电磁波”的理论体系和基本内容，本次再版特将书中属于自学的阅读材料（相关历史背景和人物及工程应用介绍）、思考题和习题用区别于正文的不同字体排版，以示区别。配套的电子教案和习题解答也做了相应修订。
欢迎读者在使用中提出改进意见。
符果行
2012年6月于电子科技大学前言
本书是为初学者编写的“电磁场与电磁波”的入门教程，适合作为普通高等学校电子、信息和通信等专业的本、专科生教材，也供相关科技人员作为电磁场与电磁波的学习参考。“电磁场与电磁波”课程的特点可以概括为：抽象化、数学化、难教难学。读者对象与课程特点间不相适应的差距所带来的困难，要求在教学上采用一定的方法来加以化解。据此，本书融入了作者约半个世纪的教学体验，着重基于教学角度考虑，从历史背景、物理概念、理论分析、计算方法和工程应用几方面全方位介绍电磁场与电磁波的基本知识，以麦克斯韦方程的建立与应用的历史发展脉络为主线展开论述，符合认识规律，便于阅读，易于理解。
本书第1、2章为数学、物理基础，第3、4章为电磁场部分，第5～7章为电磁波部分，第8章为概括和总结。本教程以电磁实验定律为基础（第2章），以矢量分析为工具（第1章），在时变条件下将静态场推广为动态场，建立反映动态场变化规律和特性的麦克斯韦方程（第3、4章），并将麦克斯韦方程用于解释、解决在传播、传输和辐射应用领域中动态场的波动问题（第5～7章），在此基础上从教学角度对电磁场与电磁波的主要问题进行综合分析（第8章）。
为了适应读者对象和课程特点的要求，本书在内容安排上具有如下特点：（1）内容安排由特殊到一般，循序渐进，符合认识规律。（2）强化和突出物理概念，简化理论推导，易于理解。（3）系统介绍计算方法，范例强调分析思路，一例多解，开拓思路。（4）以场为主，场、路结合，加强对比，融会贯通。（5）重视工程应用，适当外延，满足不同专业教学需求（考虑到非电磁场专业一般很少安排电波传播、微波技术和天线工程等后继课程，本教程应适当涵盖这些课程相关的电磁基本原理，但不过多涉及具体工程技术问题。第5～7章作为以场论为基础的外延和应用，已适当奠定了后继的三门课程的理论基础。第3～7章介绍了电磁场与电磁波的工程应用）。（6）思考题着重于物理概念和分析思路，可作为复习提纲。（7）按基本要求精选或设计例题和习题，力求适合读者的接受程度（少量较难的习题给出提示）。
对本课程的学习方法和教材处理提出如下建议供参考。（1）掌握“三基”：基本概念——理解；基本理论——推导；基本方法——计算。目的是提高电磁理论综合素养，增强分析、应用能力。但对初学者来说，基本理论主要强调推导思路。（2）掌握公式的内涵：来龙去脉、应用条件、物理意义和计算方法。（3）教学内容可针对不同对象做适当取舍：本科生应强调理论的系统性，工程应用内容可作为阅读材料或根据需要选讲；专科生可适当降低理论要求，对于较深的内容可以删减（如分离变量法和平面波的斜入射）或只做定性介绍（如电、磁能量和惠更斯面元）。（4）建议教学参考学时为60～80学时。
本书提供免费电子课件和习题解答，可登录华信教育资源网（http：//www.hxedu.com.cn）注册下载。
在教材编写过程中，得到电子科技大学冯林、刘昌孝和吕明三位教授的大力支持和帮助，冯林教授还审阅了书稿部分内容，提出了宝贵的修改意见。教材配套电子课件由符凯、李化制作。陈付均在全书文字上做了许多工作，全力协助书稿的编写。对于他们的支持、帮助和卓有成效的工作，一并在此表示衷心的感谢！
在教材编写过程中，查阅了大量相关书籍和技术资料，吸取了许多专家和同行的宝贵经验，获得了有益的启示，在此向他们表示真诚的谢意！
对书中存在的不足之处，敬请广大读者批评指正。
符果行
2009年2月于电子科技大学第1章 场论基础
矢量分析主要包含矢量代数、正交坐标系和矢量微积分，场的理论是通过矢量分析来表述的，所以矢量分析与场论密不可分。本章首先介绍场的数学概念和表示方法，进而对场的场域性质和场点性质及其描述方法做了对比讨论，着重讨论了标量场的梯度、矢量场的散度和旋度的物理概念及其运算规律，在此基础上介绍总结矢量场性质的亥姆霍兹定理。
在各专业领域中，都有表述相关学科内容的特殊语言，如文学语言、绘画语言、音乐语言、舞蹈语言和计算机语言等。同样，矢量分析就是表述电磁场与电磁波问题的数学语言，它能定量、准确、简洁、紧凑而雅致地描述场与波的基本特性和变化规律，是学好本门课程的有力工具和入门基础。1.1 场的概念和表示1.1.1 场的分类
在一个空间区域中，某物理量的分布可以用一个空间位置和时间的函数来描述。若区域中每点每时刻都有一个确定值，则在此区域中就确定了该物理量的一种场。概括而言，场是表征空间区域中各点物理量的时空分布函数。场在各点的数值能够用实验测量，或者根据某些其他量通过数学运算间接预计。
1.标量场和矢量场
物理量可能是一个标量或矢量，因而，场也可能是一个标量场或矢量场。标量场是指空间各点仅有确定大小的物理量，如温度场、密度场、气压场和电位场；矢量场是指空间各点同时有大小和方向的物理量，如速度场、加速度场、重力场、电场和磁场。
2.静态场和时变场
静态场是指仅由空间位置确定，不随时间变化的场，如静电场和静磁场；时变场是指同时随空间位置和时间变化的场，如时变电磁场。时变场又称为动态场。1.1.2 矢量场的基本运算
除去矢量除法没有定义外，矢量的加、减和乘都比标量的加、减、乘和除更加复杂。一个矢量A可用一条用箭头指示方向的线段来表示，线段长度表示矢量A的模A，箭头指向表示矢量A的方向，如图1.1所示。一个模为1的矢量称为单位矢量。取a表示与A同方向的单位矢A量，则有A=aA，其中A
1.矢量加、减法
两个矢量A和B可按平行四边形法则相加，其对角线表示合成矢量C=A+B，如图1.2所示。矢量加法服从交换律和结合律
B和-B可以看做大小相等方向相反的两个矢量，故借助于矢量加法也可以实现矢量减法，如图1.3所示，有图1.1 点P处的矢量图1.2 矢量加法图1.3 矢量减法
2.矢量乘法
一个标量η与一个矢量A的乘积ηA仍为一个矢量，其大小为|η|A，其方向由η的正负来确定：若η＞0，则ηA与A平行同向；若η＜0，则ηA与A平行反向。
两个矢量A和B的点积（或标积）A·B是一个标量，可看做两矢量相互投影之值，定义为
式中，θ的取值范围为0≤θ≤π。如图1.4所示，当θ为锐角、直角和钝角时，点积标量为正、零和负值。矢量的点积满足交换律和分配律。图1.4 矢量点积
两个矢量A和B的叉积（或矢积）A×B是一个矢量，它垂直于A和B所在的平面，其指向按右旋法则来确定：当右手四指从矢量A旋转θ角至B时大拇指的指向，如图1.5所示，其定义为
叉积不满足交换律，但满足分配律，有图1.5 矢量叉积1.1.3 常用正交坐标系
一般性的矢量运算并未涉及具体的几何形状，但在实际工程应用中，往往要涉及具体的几何形状，直接运用矢量运算关系式来求解不同物体中的场解是十分复杂的。按物体形状引入相应坐标系，就可以在复杂的矢量运算中将矢量按坐标投影形式分解为简单的标量，然后再合成矢量。这样，不仅可以简化对电磁问题的分析和计算，更便于在坐标分量形式下考查电磁问题的物理特性，了解场的空间分布和变化规律。
三种常用坐标系是：直角（或笛卡儿）坐标系、圆柱坐标系和球坐标系。直角坐标系是最基本也最简单的坐标系，其坐标单位矢量是常矢，而其他坐标系的坐标单位矢量一般是变矢，其方向随空间位置不同而变化。我们应当首先重点掌握直角坐标系及其应用。
1.直角坐标系图1.6 直角坐标系
如图1.6所示，直角坐标系中的三个坐标变量是x，y和z，点P（x，y，z）是三个平面x=x，y=y和z=z的交点。通过该点的000000三个正交单位矢量a，a和a指向x，y和z增加的方向，且满足如下xyz右旋关系
矢量A和B在直角坐标系中分解为如下三个分量
显然，A和B的代数运算满足如下关系
在直角坐标系中，点P的位置矢量
其微分为
2.圆柱坐标系
如图1.7所示，圆柱坐标系中的三个坐标变量是ρ，φ和z，点P（ρ，φ，z）是圆柱面ρ=ρ、半平面φ=φ和平面z=z的交点。通000000过该点的三个正交单位矢量a，a和a指向ρ，φ和z增加的方向，且ρφz满足如下右旋关系
矢量A和B在圆柱坐标系中分解为如下三个分量
显然，A和B的代数运算满足如下关系图1.7 圆柱坐标系
在圆柱坐标系中，点P的位置矢量可由半平面φ=φ上的几何关系0得到
在工程应用中，由于涉及不同形状的物体，为了分析计算在边界影响下存在的实际电磁结构及其场解，往往需要同时采用几个不同的坐标系，此时需要进行不同坐标系间的相互转换。包括坐标系、单位矢量和矢量间的变换等，详见附录B。这里只写出圆柱坐标系与直角坐标系间的变换与逆变换公式
3.球坐标系
如图1.8所示，球坐标系中的三个坐标变量是r，θ和φ，点P（r，θ，φ）是球面r=r、正圆锥面θ=θ和半平面φ=φ的交点。000000通过该点的三个正交单位矢量a，a和a指向r，θ和φ增加的方向，rθφ且满足如下右旋关系
矢量A和B在球坐标系中分解为如下三个分量
显然，A和B的代数运算满足如下关系图1.8 球坐标系
在球坐标系中，点P的位置矢量可由球面r=r上的几何关系得到0
球坐标系与直角坐标系间的转换关系详见附录B。这里只写出它们间的变换与逆变换公式
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]