工程電磁場

本書主要講述電磁場與電磁波的基本理論和分析方法。具體內容包括：電磁場的數學基礎知識，靜電場、恒定電場、恒定磁場、時變電磁場、正弦平面電磁波的傳播，准靜態電磁場、導行電磁波及電磁輻射。靜態場部分主要突出了邊值問題的分析，包括方程的建立及其求解，其中對邊值問題的解析求解、間接求解（鏡像法）、數值求解等方法進行了較為全面的介紹。時變場部分主要對時變場的特性、均平面電磁波的傳播規律、平面電磁波的極化特性、電磁能量的傳播、反射與折射規律等進行了詳細討論。

本書在敘述上由淺入深、循序漸進，強調理論與工程實際相結合，培養學生建立場的思維方式，學會應用場的方法分析工程電磁問題。

本書可作為高等院校電氣、生物醫學工程、電子資訊、通信、微波工程等電類工程專業的本科教材，也可供有關工程技術人員參考。

第1章電磁場的數學基礎1
本章導學1
1.1場的概念及其分類2
1.2正交曲面坐標系2
1.3向量代數5
1.3.1向量的加法運算5
1.3.2向量的乘積運算6
1.4場的視覺化描述7
1.4.1標量場的等值線(面)7
1.4.2向量場的向量線8
1.5場的梯度、散度、旋度9
1.5.1標量場的方向導數與梯度9
1.5.2向量場的通量與散度11
1.5.3向量場的環量與旋度13
1.6場論分析常用定理15
1.6.1向量場的分類15
1.6.2向量場常用梯度、散度、旋度的關係定理15
1.6.3向量場高斯散度定理16
1.6.4向量場斯托克斯定理16
1.6.5向量場亥姆霍茲定理17
1.6.6向量場唯一性定理18
1.7電磁場麥克斯韋方程組與場論18
本章小結19
習題120

第2章靜電場22
本章導學22
2.1靜電場的場源23
2.2電場強度及其環量特性25
2.2.1靜電場的特徵與電場強度25
2.2.2靜電場的環量特性27
2.2.3靜電場的位元函數——標量電位27
2.3靜電場通量特性——高斯定理34
2.3.1真空中的高斯定理34
2.3.2靜電場中的導體及其特性36
2.3.3靜電場中介質的極化及其特性37
2.3.4介質中的高斯定理40
2.4靜電場基本方程與媒質分介面的銜接條件43
2.4.1單一媒質中靜電場的基本方程44
2.4.2兩種媒質分介面上場量的銜接條件45
2.5靜電場邊值問題51
2.5.1邊值問題概述51
2.5.2直接積分法54
2.5.3分離變數法60
2.5.4鏡像法67
2.5.5有限差分法79
2.6靜電場理論分析工程應用81
2.6.1電容與部分電容81
2.6.2電場能量86
2.6.3電場力88
本章小結91
習題292

第3章恒定電場96
本章導學96
3.1導電媒質中的電流及其特性97
3.1.1電流與電流密度97
3.1.2電流與電場強度99
3.1.3導電媒質的功率損耗100
3.1.4超導電性101
3.2恒定電場的基本方程101
3.2.1恒定電場的通量特性——電流連續性定理101
3.2.2電源電動勢和局外場強102
3.2.3恒定電場的環量特性103
3.2.4恒定電場的基本方程103
3.3恒定電場邊值問題104
3.3.1兩種導電媒質分介面的銜接條件104
3.3.2兩種特殊分介面銜接條件105
3.3.3恒定電場邊值問題106
3.4靜電比擬106
3.5恒定電場工程問題分析109
3.5.1導電體的電阻及其損耗109
3.5.2接地安全問題113
本章小結115
習題3116

第4章恒定磁場118
本章導學118
4.1磁感應強度及其通量特性119
4.1.1安培力定律及磁感應強度119
4.1.2磁場的通量特性——磁通連續性定理121
4.2恒定磁場環量特性——安培環路定律123
4.2.1真空中的安培環路定律123
4.2.2媒質的磁化與任意介質中的安培環路定律125
4.2.3磁材料及其特性130
4.3恒定磁場基本方程與媒質分介面銜接條件131
4.3.1恒定磁場的基本方程131
4.3.2媒質分介面上的銜接條件132
4.4恒定磁場的位元函數及其邊值問題134
4.4.1標量磁位及其邊值問題134
4.4.2向量磁位及其邊值問題136
4.4.3磁場中的鏡像法141
4.5恒定磁場工程問題分析142
4.5.1電感142
4.5.2磁場能量148
4.5.3磁場力151
4.6磁路及其計算154
4.6.1鐵磁材料中的磁場特點與磁路154
4.6.2磁路定律與磁路分析155
4.6.3磁遮罩159
本章小結159
習題4160

第5章時變電磁場163
本章導學163
5.1電磁感應定律165
5.2位移電流與全電流定律168
5.3時變電磁場基本方程——麥克斯韋方程171
5.4時變電磁場的媒質分介面銜接條件174
5.5時變電磁場的位元函數及其邊值問題180
5.5.1時變場向量位與標量位180
5.5.2時變場位元函數方程——達朗貝爾方程181
5.5.3動態位元的積分解與其滯後現象183
5.6時變電磁場的能量守恆定理——坡印廷定理185
5.7正弦電磁場及其複向量方程（方程的複數表示）187
本章小結195
習題5196

第6章正弦平面電磁波的傳播199
本章導學199
6.1波動方程和正弦均平面電磁波200
6.1.1波動方程的一般形式200
6.1.2正弦均平面電磁波201
6.2平面電磁波在無限大理想介質中的傳播202
6.2.1一維波動方程的解及其物理意義202
6.2.2理想介質中的正弦均平面電磁波的傳播特性203
6.2.3平面電磁波的能量密度與能流密度205
6.3平面電磁波在無限大導電媒質中的傳播207
6.3.1導電媒質中正弦均平面波的傳播特性208
6.3.2強導電媒質中的電磁波210
6.3.3弱導電媒質中的電磁波213
6.3.4導電媒質中正弦均平面波的能量214
6.4平面電磁波的極化214
6.4.1直線極化215
6.4.2圓極化215
6.4.3橢圓極化216
6.4.4極化旋轉方向的判斷方法216
6.5平面電磁波在有界媒質中的傳播——垂直入射218
6.5.1介質與理想導體表面的垂直入射219
6.5.2兩種導電媒質分介面的垂直入射222
6.5.3多種媒質分介面的垂直入射224
6.6平面電磁波在有界媒質中的傳播——斜入射227
6.6.1沿任意方向傳播的平面波227
6.6.2介質與理想導體表面的斜入射229
6.6.3兩種媒質分介面上的斜入射231
6.6.4全反射與全折射233
本章小結239
習題6241

第7章准靜態電磁場244
本章導學244
7.1電准靜態場245
7.2磁准靜態場246
7.3電荷弛豫247
7.3.1電荷在均勻導電媒質中的弛豫過程247
7.3.2電荷在分塊均勻導電媒質中的弛豫過程248
7.4磁擴散250
7.5渦流及其損耗252
7.6鄰近效應和電磁遮罩254
7.6.1鄰近效應254
7.6.2電磁遮罩255
本章小結255
習題7257

第8章導行電磁波258
本章導學258
8.1TEM波、TE波、TM波259
8.2均勻傳輸線方程及其正弦穩態分析262
8.2.1傳輸線方程263
8.2.2正弦穩態下均勻傳輸線方程及其解265
8.2.3無損耗均勻傳輸線及其阻抗匹配267
8.3波導中的電磁波270
8.3.1矩形波導中的電磁波270
8.3.2圓柱形波導中的電磁波277
8.4波導中的傳輸功率281
8.5諧振腔283
本章小結289
習題8291

第9章電磁輻射293
本章導學293
9.1電磁波的輻射293
9.2電偶極子的輻射294
9.3磁偶極子的輻射297
9.4對偶原理299
本章小結301
習題9302
附錄常用公式303
部分習題參考答案305
參考文獻314