電磁場與電磁波（第2版）

《電磁場與電磁波（第2版）》是2013年清華大學出版社出版的圖書，作者是David K. Cheng、何業軍、桂良啟。

基本介紹

• 書名：電磁場與電磁波（第2版）
• 作者：David K. Cheng、何業軍、桂良啟
• ISBN：9787302302674
• 定價：64元
• 出版社：清華大學出版社
• 出版時間：2013-2-1
• 裝幀：平裝
• 印次：1-1

內容簡介

《電磁場與電磁波》是國內外高校學生普遍感到十分畏懼、難學的課程之一。其理由是公式繁多、內容抽象。國內外著名高校常選用原書作為經典英文教材，其取材新穎、筆法靈活、邏輯性強。

教材從矢量分析入手，以通俗易懂的方式建立電磁模型，然後全面系統地闡述電磁場和電磁波的基本理論，具體內容如下： 靜電場、靜電問題的求解、穩恆電流、靜磁場、時變電磁場和麥克斯韋方程、平面電磁波、傳輸線理論及套用、波導和諧振腔、天線和輻射系統。

圖書目錄

第1章電磁模型

1.1引言

1.2電磁模型簡介

1.3國際單位制單位與普適常數

複習題

第2章矢量分析

2.1引言

2.2矢量的加法和減法

2.3矢量的乘積

2.3.1標量積或點積

2.3.2矢量積或叉積

2.3.3三個矢量的乘積

2.4正交坐標系

2.4.1直角坐標系

2.4.2圓柱坐標系

2.4.3球坐標系

2.5矢量函式的積分

2.6標量場的梯度

2.7矢量場的散度

2.8散度定理

2.9矢量場的旋度

2.10斯托克斯定理

2.11兩個零恆等式

2.11.1恆等式Ⅰ

2.11.2恆等式Ⅱ

2.12亥姆霍茲定理

複習題

習題

第3章靜電場

3.1引言

3.2真空中靜電學的基本公理

3.3庫侖定律

3.3.1離散電荷系統的電場

3.3.2連續分布電荷的電場

3.4高斯定理及其套用

3.5電位

3.6靜電場中的導體

3.7靜電場中的電介質

3.8電通密度和介電常數

3.9靜電場的邊界條件

3.10電容和電容器

3.10.1電容器的串聯和並聯

3.10.2多導體系統的電容

3.10.3靜電禁止

3.11靜電能量和靜電力

3.11.1場量表示的靜電場能量

3.11.2靜電力

複習題

習題

第4章靜電問題的解

4.1引言

4.2泊松方程和拉普拉斯方程

4.3靜電問題解的唯一性

4.4鏡像法

4.4.1點電荷和導體平面

4.4.2線電荷和平行導體圓柱

4.4.3點電荷和導體球

4.4.4帶電球和接地平面

4.5直角坐標中的邊值問題

4.6圓柱坐標中的邊值問題

4.7球坐標中的邊值問題

複習題

習題

第5章穩恆電流

5.1引言

5.2電流密度和歐姆定律

5.3電動勢和基爾霍夫電壓定律

5.4連續性方程和基爾霍夫電流定律

5.5功耗和焦耳定律

5.6電流密度的邊界條件

5.7電阻的計算

複習題

習題

第6章靜磁場

6.1引言

6.2真空中靜磁學的基本公理

6.3矢量磁位

6.4畢奧?薩伐定律及套用

6.5磁偶極子

6.6磁化強度和等效電流密度

6.7磁場強度和相對磁導率

6.8磁路

6.9磁性材料的性質

6.10靜磁場的邊界條件

6.11電感和電感器

6.12磁能

6.13磁場力和磁轉矩

6.13.1霍爾效應

6.13.2載流導體上的磁場力和磁轉矩

6.13.3用存儲的磁能表示磁場力和磁轉矩

6.13.4用互感表示磁場力和磁轉矩

複習題

習題

第7章時變電磁場和麥克斯韋方程

7.1引言

7.2法拉第電磁感應定律

7.2.1時變磁場中的靜止迴路

7.2.2變壓器

7.2.3靜磁場中的運動導體

7.2.4時變磁場中的運動迴路

7.3麥克斯韋方程

7.4位函式

7.5電磁邊界條件

7.5.1兩種無損耗線性媒質之間的分界面

7.5.2電介質和理想導體之間的分界面

7.6波動方程及其解

7.6.1位函式的波動方程的解

7.6.2無源波動方程

7.7時諧場

7.7.1相量的套用

7.7.2時諧電磁學

7.7.3簡單媒質中的無源場

7.7.4電磁波譜

複習題

習題

第8章平面電磁波

8.1引言

8.2無損耗媒質中的平面波

8.2.1都卜勒效應

8.2.2橫電磁波

8.2.3平面波的極化

8.3損耗媒質中的平面波

8.3.1低損耗電介質

8.3.2良導體

8.3.3電離氣體

8.4群速

8.5電磁能流和坡印廷矢量

8.6導體平面邊界的垂直入射

8.7導體平面邊界的斜入射

8.7.1垂直極化

8.7.2平行極化

8.8電介質平面邊界上的垂直入射

8.9多層電介質分界面上的垂直入射

8.9.1總場的波阻抗

8.9.2用多層電介質作阻抗變換

8.10電介質平面邊界上的斜入射

8.10.1全反射

8.10.2垂直極化

8.10.3平行極化

複習題

習題

第9章傳輸線理論及套用

9.1引言

9.2沿平行板傳輸線的橫電磁波

9.2.1有損平行板傳輸線

9.2.2微帶線

9.3一般的傳輸線方程

9.3.1無限長傳輸線上波的特性

9.3.2傳輸線參數

9.3.3功率關係導出的衰減常數

9.4有限長傳輸線上波的特性

9.4.1傳輸線用作電路元件

9.4.2電阻性終端的傳輸線

9.4.3任意終端的傳輸線

9.4.4傳輸線電路

9.5傳輸線的瞬態

9.5.1反射圖

9.5.2脈衝激勵

9.5.3初始充電傳輸線

9.5.4電抗負載傳輸線

9.6史密斯圓圖

9.7傳輸線阻抗匹配

9.7.1四分之一波長變換器作阻抗匹配

9.7.2單短截線匹配

9.7.3雙短截線匹配

複習題

習題

第10章波導和諧振腔

10.1引言

10.2波沿均勻波導的一般傳輸特性

10.2.1橫電磁波

10.2.2橫磁波

10.2.3橫電波

10.3平行板波導

10.3.1平行板間的TM波

10.3.2平行板間的TE波

10.3.3能量傳輸速度

10.3.4平行板波導中的衰減

10.4矩形波導

10.4.1矩形波導中的TM波

10.4.2矩形波導中的TE波

10.4.3矩形波導中的衰減

10.4.4矩形波導中的不連續性

10.5圓波導

10.5.1貝塞爾微分方程和貝塞爾函式

10.5.2圓波導中的TM波

10.5.3圓波導中的TE波

10.6介質波導

10.6.1沿介質板傳播的TM波

10.6.2沿介質板傳播的TE波

10.6.3關於介質波導的補充信息

10.7諧振腔

10.7.1矩形諧振腔

10.7.2諧振腔的品質因數

10.7.3圓形諧振腔

複習題

第11章天線和輻射系統

11.1引言

11.2基本偶極子的輻射場

11.2.1基本電偶極子

11.2.2基本磁偶極子

11.3天線方向圖和天線參數

11.4細直線天線

11.4.1半波偶極子

11.4.2有效天線長度

11.5天線陣

11.5.1二元陣

11.5.2一般的均勻直線陣

11.6接收天線

11.6.1內部阻抗和方向圖

11.6.2有效面積

11.6.3反向散射橫截面

11.7傳送?接收系統

11.7.1佛利斯傳輸定理和雷達方程

11.7.2近地面的波傳播

11.8一些其他類型的天線

11.8.1行波天線

11.8.2螺旋天線

11.8.3八木天線

11.8.4寬頻天線

11.9孔徑輻射器

參考文獻

複習題

習題

附錄 A符號和單位

A.1基本的國際單位制（或有理制MKSA）單位

A.2導出單位

A.3單位的倍數和約數

附錄 B一些有用材料的常數

B.1真空中的常數

B.2電子和質子的物理常數

B.3相對介電常數

B.4電導率

B.5相對磁導率

附錄C表格索引

精選習題答案

術語

一些常用矢量恆等式

梯度、散度、旋度以及拉普拉斯運算

柱坐標（r，Φ，z）

球坐標（R，θ，Φ）

總的參考文獻

圖書前言

介紹電磁學的書籍大致可分為兩大類。第一類採用傳統的方法： 從實驗定律開始，逐步推廣，最後將它們歸納為麥克斯韋方程的形式。這種方法稱為歸納法。第二類採用公理方法： 從麥克斯韋方程開始，利用合適的實驗定律去證明每一個方程，將一般方程特殊化為靜態和時變情況來分析。這種方法稱為演繹法。有幾本書從討論狹義相對論開始，由力的庫侖定律得出所有的電磁理論； 但這種方法首先要求理解狹義相對論，這也許更適用於高年級課程。
傳統方法的支持者認為，這種方法是順應電磁理論歷史發展的方法（從特定實驗定律到麥克斯韋方程），同時與其他方法相比，學生更容易理解這種方法。然而，我覺得將整體的知識分解開來授課的方法未必是最好的方法。由於主題比較分散，因而不能充分利用矢量運算的簡明性。學生對後面介紹的梯度、散度和旋度運算感到困惑，往往對其形成牴觸心理。在構建電磁模型的過程中，這種方法缺乏凝聚力和優雅性。

公理的方法通常將四個麥克斯韋方程作為基本公理，採用積分或微分形式。這些方程相當複雜，且很難掌握。學生在書本的一開始就面對這些複雜的公式，很有可能驚惶失措並且產生牴觸心理。機靈的學生會對場矢量的含義和一般方程的必要性和充分性感到好奇。初學階段，學生往往對電磁模型的概念不理解，且對相關的數學推導感到無所適從。不管怎樣，一般麥克斯韋方程可以簡化以套用於靜態場中，允許單獨考慮靜態電場和靜態磁場。那么為什麼一開始就要引入完整的四個麥克斯韋方程呢？

論據表明： 儘管庫侖定律是以實驗證明為基礎，但事實上它也是一個公理。考慮庫侖定律的兩個約束條件： 一是帶電體要遠小於它們之間的距離，二是帶電體間的作用力與它們之間的距離的平方成反比。由第一個假設得出問題： 與帶電體之間距離相比，帶電體尺寸到底應當多小才可認為是“足夠小”。在實際情況中，帶電體不可能小到可忽略（理想點電荷），且很難確定有限尺寸的帶電體間的“真實”距離。對大小已知的帶電體，當距離較大時，測量距離的相對準確性高。但是，實驗室中實際情況（作用力比較弱，外在帶電體的存在等）限制了可用的間距，同時實驗的誤差不能完全避免。那么第二個約束中的平方反比關係導致另一個更重要的問題——即使帶電體小到可忽略，不管實驗者多么熟練和細緻，實驗測量不可能做到無限精確。那么，庫侖怎么知道作用力精確到與距離的平方成反比（而不是2.0000001或1.999999次冪）呢？這個問題不可能從實驗的角度得到答案，因為在庫侖的時代，實驗不可能精確到第七位。因此，我們可以得出結論： 庫侖定律本身就是一個公理，它是在有限精確的實驗基礎上發現和假設的自然規律（見3.2節）。

本書採用公理法逐步建立電磁模型： 首先介紹靜電場（第3章），然後是靜磁場（第6章），最後由時變場得出麥克斯韋方程（第7章）。每一步的數學基礎都是亥姆霍茲定理，亥姆霍茲定理表明，如果一個矢量場在任何地方的散度和旋度都給定了，那么這個矢量場就確定了，最多附加了一個常量。因此，建立真空中的靜電模型，只需通過將矢量的散度和旋度設為已知，來定義該矢量（即電場強度E）。真空中靜電場的所有其他關係式，包括庫侖定律和高斯定律，都可以根據這兩個非常簡單的公理導出。介質中的關係可以由極化電介質的等效電荷分布的概念得出。

類似地，建立真空中的靜磁場模型，需通過定義磁通密度的散度和旋度，來定義該磁通密度矢量B； 所有其他公式都可以根據這兩個公理導出。介質中的其他關係式可由等效電流密度導出。當然，公理的有效性取決於是否得出與實驗依據相符的結果。

對於時變電磁場，電場強度和磁場強度是相伴的。必須修改靜電模型中E的旋度公理，以便與法拉第定律一致。另外，也必須修改靜磁模型中B的旋度公理以便與連續性方程一致。然後我們就得到了構造電磁模型的四個麥克斯韋方程。我認為根據亥姆霍茲定理得出電磁模型的方法新穎、成體系，適合教學，學生也更容易接受。

在內容表述時，我努力保持其簡潔性和連貫性，同時遵循思維的平滑性和邏輯性。很多例題既強調基本概念，又說明解決典型問題的方法。並對與有用的技術有關的一些套用（如噴墨印表機、避雷針、駐極體話筒、電纜設計、多導體系統、靜電禁止、都卜勒雷達、天線罩設計、極化濾波器、衛星通信系統、光纖和微帶線）作了討論。每章的末尾都安排有複習題，用來測試學生對該章內容的理解程度。設計習題的目的在於加深學生對公式中的各個量之間相互關係的理解，同時拓展他們套用公式解決實際問題的能力。在教學過程中，我發現複習題對激發學生的興趣和活躍課堂非常有用。

除了電磁場的基本原理，本書還包括傳輸線理論及其套用、波導與諧振腔以及天線與雷達系統。在介紹新的電磁器件時，電磁學的基本概念和服從的理論仍然適用。1.1節介紹了學習電磁學基本原理的原因和目的。我希望本書的內容，在新穎方法的加強下，將給學生提供充足的背景知識來理解和分析基本的電磁現象，同時也為學習電磁理論的高級課程做好準備。

本書的內容可用於兩個學期的課程。第1章到第7章，介紹場的內容，第8章到第11章，介紹波及其套用。在只有一個學期開設電磁學課程的學校，學習第1到第7章，加上第8章的前四部分內容，就能對場知識和無界媒質中的波的介紹打下很好的基礎。其餘內容可以作為參考書或作為後續選修課教材。實行一年四學期制的學校可以根據電磁學課程分配的總學時數調整上課的內容。當然，各位老師有權強調和拓展某些內容，也可略簡或跳過某些內容。

我仔細考慮過包括利用計算機編程等來解某些問題的可行性，但最終決定不採用這些方法。因為這會分散學生的注意力，會將學生的注意力由電磁理論基礎知識的學習轉移到數值方法和計算機軟體上。在合適的地方，對依賴於一個參數的值的重要結果可以用曲線來強調。比如用圖說明場分布和天線方向圖，同時畫出了典型模式下波導的方向圖。利用計算機編程得到這些曲線、圖和模式方向圖並不簡單。這要求工科的學生能熟練使用計算機編程工具，如果在電磁場和電磁波的基本原理的教科書上加上一些食譜式的電腦程式，這對理解課程內容貢獻不大。

本書第1版於1983年出版。教授和學生的良好反映和友善的鼓勵給了我撰寫新版的動力。在本書的第2版中，增加了很多新的內容，包括霍爾效應、直流電機、變壓器、電渦流、波導中寬頻信號的能量傳輸速度、雷達方程和散射橫截面、傳輸線的瞬態、貝塞爾函式、圓形波導和圓形諧振腔、波導不連續性、電離層和地球表面的波的傳播、螺旋天線、對數周期偶極陣列以及天線有效長度和有效面積。習題的總數也擴展了近35%。

Addison?Wesley 出版社將把本書第2版印成雙色。我相信讀者也會認為本書非常美觀。我想藉此機會表達我的感謝，感謝對新版給予幫助的所有擔任本書編輯、出版和銷售的人員。我要特別感謝Thomas Robbins，Barbara Rifkind，Karen Myer, Joseph K.Vetere 和Katherine Harutunian。

Chevy Chase，Maryland D.K.C.

譯者序
《電磁場與電磁波》是國內外高校學生普遍感到十分畏懼、難學的課程之一。

目前，國內很多高校在《電磁場與電磁波》課程中採用雙語教學，為了幫助教師更好地授課、學生更好地學習該課程，我們翻譯了這本英文著作。本譯著主要適用於理工科高校相關專業的本科生、研究生作為中文教材或參考書。另外，對希望掌握電磁場理論的工程技術人員也是不可多得的重要工具書。

本書特點各舉一例詳述如下： （1）書中附有大量插圖，版面整潔美觀。例如圖3?23用立體的方式說明兩種媒質分界面； （2）全書公式書寫規範，整齊劃一，重要公式加有方框。例如各章的微分線元都使用相同符號dl； （3）理論與實際相結合，實用性強，大量例題及習題源於電磁工程實際。例如例題6?27的帶空氣隙的螺線管鐵芯就來自實際電磁套用； （4）內容豐富，教師可根據學時數及專業設定對部分章節予以取捨。例如對開設有專門的天線課程的高校可跳過第11章天線與輻射系統。

本書的翻譯工作由深圳大學的何業軍教授，華中科技大學的桂良啟副教授二位老師共同完成。何業軍翻譯前言及第1、2、3、4、5、6、7、8、9、11章（包括附錄、索引），並負責全書的統稿、修改工作。桂良啟翻譯第10章。何業軍教授指導的研究生楊傑、湯曉榮、敖傑峰、趙冰、張華夏、汪小葉、賀衛、劉航、潘箏箏、孫桂圓、楊潔、賀淵也參與了本書的校對工作。

本書受2011年深圳大學學術著作出版基金資助，特此感謝！譯者還要感謝國家自然科學基金、廣東省教育部產學研項目基金、深圳市基礎研究計畫項目基金、深圳市國際科技合作項目基金的資助。本書在出版過程中，得到清華大學出版社盛東亮編輯的大力支持，在此一併表示感謝。

雖然我們在翻譯過程中盡了最大努力，但是由於譯者水平有限，疏漏和不當之處在所難免，懇請讀者批評指正。