电磁场与电磁波(第3版)

"（1） 保持电磁场与电磁波基础理论的系统性、完整性，对基本概念、基本方法力求讲深讲透。 （2） 妥善处理本课程与前期课程（矢量分析、电磁学）和后续课程（微波技术、天线等）的衔接，减少重复内容，突出本课程的教学重点。 （3） 依据认知的规律和作者三十多年的教学经验，精心编排教学内容，讲解重点、难点知识，深入浅出，通俗易懂。 （4） 紧紧围绕基本概念、基本方法，精选例题和习题。通过应用与发展性专题，介绍技术应用和研究进展。 （5） 新形态教材，配套资源丰富，教学大纲+课件+习题解答+扩展阅读+讲课视频，可扫描二维码下载或阅读。 （6） 配套30多个讲课视频（时长800多分钟），包括课堂讲解、扩展阅读等资源，便于翻转课堂和自主学习。 "

本书介绍电磁场与电磁波的基本规律、基本概念和一些基本的分析、计算方法，帮助学生学会分析、解决一些实际的工程电磁场与电磁波问题。本书保持了电磁场与电磁波基础理论的系统性、完整性，对基本概念、基本方法力求讲深讲透。妥善处理好电磁场与电磁波与前期课程（矢量分析、电磁学）和后续课程（微波技术、天线等）的衔接，减少重复内容，突出本课程中的教学重点。教学内容深入浅出，有利于培养学生的自学能力。紧紧围绕基本概念、基本方法的教学给出了精选例题、习题。

邹澎，郑州大学信息工程学院教授，河南省电磁检测工程技术研究中心主任，河南省电工技术学会常务理事。主要从事电磁场与电磁波理论、电磁环境、电磁干扰与电磁兼容的研究。1992年被评为河南省首批高等学校优秀中青年骨干教师；2006年被评为郑州大学教学名师；主讲的“电磁场与电磁波”课程被评为河南省精品课程。

绪论
第1章矢量分析
1.1矢量运算
1.2空间矢量
1.3矢量场和标量场
1.4三种常用的正交坐标系
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矢量的微分
1.5.1矢量场的散度与散度定理
1.5.2矢量场的旋度与斯托克斯定理
1.5.3标量场的梯度
1.6亥姆霍兹定理
1.7微分算符
第1章习题
第2章静电场分析
2.1静电场的基本规律
2.1.1电荷与电荷分布
2.1.2场强E和电位Φ
2.1.3静电场的基本方程
2.1.4场强E和电位Φ的计算
2.1.5静电场中的导体
2.1.6静电场中的电介质
2.1.7电力线方程和等位面方程
2.2静电场的边界条件
2.2.1两种电介质界面上的边界条件
2.2.2导体与电介质分界面上的边界条件
2.3泊松方程和拉普拉斯方程
2.4专享性定理
2.4.1格林定理
2.4.2静电场的边值问题
2.4.3专享性定理
2.5导体系统的电容
2.5.1两导体间的电容
2.5.2部分电容
2.6静电场的能量与力
2.6.1静电场的能量
2.6.2利用虚位移原理计算电场力
2.7恒定电场（恒定电流场）
2.7.1电流与电流密度
2.7.2恒定电场的基本方程和边界条件
2.7.3导电媒质中的传导电流
2.7.4运流电流
2.7.5导电媒质中恒定电场与静电场的比拟
2.7.6接地
2.8静电场的应用（电子资源）
2.8.1半导体
2.8.2超导
2.8.3太阳能电池
2.8.4从白炽灯、荧光灯到LED
2.8.5电偏转和电聚集
2.8.6喷墨打印机
2.8.7静电除尘
2.8.8静电复印
2.8.9静电屏蔽
2.8.10接触式静电电压表
2.8.11静电的危害与防护
第2章习题
第3章恒定磁场
3.1恒定磁场的基本规律
3.1.1磁感应强度B
3.1.2恒定磁场的基本方程
3.1.3磁介质的磁化
3.1.4磁场的计算方法
3.1.5磁路
3.2恒定磁场的边界条件
3.2.1两种磁介质界面上的边界条件
3.2.2铁磁质表面的边界条件
3.3矢量磁位
3.3.1矢量磁位A的引入
3.3.2矢量磁位A的微分方程及其解
3.3.3矢量磁位A的边界条件
3.3.4利用矢量磁位A计算磁场
3.3.5磁偶极子及其磁场
3.4标量磁位
3.5电感
3.5.1自感系数和互感系数
3.5.2M和L的计算
3.5.3部分电感
3.6磁场的能量和力
3.6.1电流回路系统的能量
3.6.2磁场的能量
3.6.3磁场力
3.7恒定磁场的应用（电子资源）
3.7.1磁屏蔽
3.7.2磁记录
3.7.3回旋加速器
3.7.4磁聚焦
3.7.5等离子体的磁约束
3.7.6电磁传感器
3.7.7霍尔效应及应用
第3章习题
第4章静态场边值问题的解法
4.1电磁场边值问题概述
4.2直角坐标系中的分离变量法
4.3圆柱坐标系中的分离变量法
4.3.1圆柱坐标系中二维场的分离变量法
4.3.2圆柱坐标系中三维场的分离变量法*
4.4球坐标系中的分离变量法
4.5镜像法
4.5.1点电荷对无限大导体平面的镜像
4.5.2点电荷对介质平面的镜像
4.5.3电流对铁板平面的镜像
4.5.4点电荷对导体球的镜像
4.5.5电轴法
4.6有限差分法
4.6.1差分原理
4.6.2有限差分法的基本方法
4.6.3轴对称场的计算
4.6.4场强E、H、B的计算
4.6.5时域有限差分法简介
第4章习题
第5章时变电磁场
5.1电磁感应定律
5.2位移电流
5.3麦克斯韦方程组
5.4时变场的边界条件
5.5坡印廷定理和坡印廷矢量
5.6时变电磁场的矢量位和标量位
5.6.1矢量位A和标量位Φ的引入
5.6.2达朗贝尔方程
5.7应用案例电磁场在医学领域的应用（电子资源）
5.7.1CT
5.7.2磁共振成像
5.7.3微波切除肿瘤
第5章习题
第6章平面电磁波
6.1正弦电磁场的复数表示方法
6.2平均坡印廷矢量
6.3理想介质中的均匀平面波
6.3.1电磁波传播的基本方程
6.3.2均匀平面电磁波
6.4波的极化特性
6.5损耗媒质中的均匀平面波
6.6电磁波在各向异性介质中的传播*
6.6.1等离子体中的均匀平面波
6.6.2铁氧体中的均匀平面波
6.7平面上的垂直入射
6.7.1两种媒质分界面上的垂直入射
6.7.2理想导体表面的反射、驻波
6.7.3两种理想介质界面的反射、驻波比
6.8平面上的斜入射
6.8.1理想导体表面的斜入射
6.8.2理想介质表面的斜入射
6.9相速度与群速度
6.10应用案例（电子资源）
6.10.1电磁频谱
6.10.2极化技术的应用（简介）
6.10.3频射识别技术
6.10.4电磁波增透技术与隐身技术
6.10.5电子战经典案例
第6章习题
第7章导行电磁波
7.1传输线
7.1.1传输线的分布参数及其等效电路
7.1.2均匀传输线方程及其解
7.1.3传输线上行波的特性参数
7.1.4传输线的工作参数
7.1.5无耗传输线工作状态分析
7.1.6史密斯圆图
7.2波导
7.2.1波导的一般分析方法
7.2.2规则金属波导
7.2.3同轴线
7.2.4微带线简介
7.3谐振腔
7.4应用案例（电子资源）
7.4.1短路、开路技术的应用
7.4.2s参数
7.4.3微波炉
第7章习题
第8章电磁波辐射
8.1滞后位
8.2电偶极子天线辐射
8.3磁偶极子天线辐射
8.3.1电与磁的对偶性
8.3.2磁偶极子天线的辐射
8.4天线的辐射特性和基本参数
8.5接收天线
8.6常用的线天线
8.7天线阵**
8.7.1二元直线阵与方向图乘积定理
8.7.2均匀直线阵
8.8面天线基础**
8.8.1惠更斯元的辐射
8.8.2平面口径的辐射
8.8.3常用的面天线
8.9应用案例（电子资源）
8.9.1GPS定位
8.9.2雷达
8.9.3条形码阅读器
8.9.4电磁兼容技术简介
8.9.5广州白云机场导航系统受到干扰（视频）
第8章习题
附录1部分习题参考答案
附录2符号表
附录3常用的数学公式
附录4电磁单位制
附录5常用的物理常数
附录6常用材料的参数
附录7史密斯阻抗圆图
索引

     安培 （André Marie Ampère,1775—1836,法国） 安培发现了安培定则（右手螺旋定则）、电流之间的相互作用规律（安培力），发明了电流计，提出分子电流假说、安培定律和安培环路定理。由于在电磁学领域的重要贡献，他被麦克斯韦誉为“电学中的牛顿”。 第3章恒定磁场 扫码看讲课录像 3.13.1.2 3.1恒定磁场的基本规律 本节简要地复习大学物理中已经学过的恒定磁场的基本规律。 3.1.1磁感应强度B 1. 毕奥萨伐尔定律 毕奥萨伐尔定律给出一个电流元产生的磁场 dB=μ4πIdl′×err2（3.1） 其中r是电流元与场点之间的距离，er是由电流元指向场点的单位矢量。一个线电流回路产生的磁场为 B=μ4π∮lIdl′×err2（3.2） 同理，可以写出体电流和面电流产生的磁场 B=μ4πVJdV′×err2（3.3） B=μ4πSJSdS′×err2（3.4） 2. 磁感应线方程 可以仿照电力线方程写出磁感应线方程，在直角坐标系中为 dxBx=dyBy=dzBz（3.5） 圆柱坐标系中的磁感应线方程为 drBr=rdφBφ=dzBz（3.6） 球坐标系中的磁感应线方程为 drBr=rdθBθ=rsinθdφBφ（3.7） 3.1.2恒定磁场的基本方程 恒定磁场的基本方程也是包括高斯定理和环路定理 SB·dS=0 ∮lB·dl=μ0∑iIi （3.8） （3.9） 其中∑iIi是闭合回路l内包围的所有电流（包括传导电流和磁化电流）。有磁介质时，恒定磁场的基本方程可以写为 SB·dS=0 ∮lH·dl=∑iI0i （3.10） （3.11） 其中∑iI0是闭合回路l内包围的所有传导电流。 下面来证明式（3.10），为了简化，只讨论无界真空中的磁场。在直流回路C的磁场中任取一闭合曲面S，穿过S面的磁通量为 SB·dS=Sμ04π∮CIdl×eRR2·dS=∮Cμ0Idl4π·SeR×dSR2 =∮Cμ0Idl4π·S-1R×dS 上式的推导中利用了式（1.101）。利用矢量恒等式S（n×A）dS=V×AdV（见附录3）可得 SB·dS=∮Cμ0Idl4π·V×1RdV 因为×1R=0，所以 SB·dS=0（3.12） 由高斯定理可以写出式（3.12）的微分形式 ·B=0（3.13） 下面就来证明式（3.11）。在直流闭合回路C的磁场中任取一个闭合回路L，如图3.1所示，由毕奥萨伐尔定律可以写出 ∮LH·dl=∮LI4π∮Cdl′×eRR2·dl=I4π∮L∮C（dl×dl′）·eRR2 =-I4π∮L∮C（-dl×dl′）·eRR2（3.14） 图3.1中的P点（场点）是积分路径L上的一个点，电流回路C所包围的表面对场点P构成的立体角为Ω。P点沿回路L位移dl时，立体角改变dΩ，这同保持P点不动，而回路C位移-dl时立体角的改变是接近一样的。从图3.1中可以看出，如果回路C位移-dl，则回路包围的表面由S变为S′，表面的增量为dS=S′-S=∮C（-dl×dl′），即图中S与S′之间的环形表面（-dl×dl′是图中阴影部分平行四边形的面积），dS对P点的立体角为 dΩ=dS·（-eR）R2 图3.1证明安培环路定理示意图 S、S′、dS构成的闭合曲面对P点的立体角为零，即-Ω1+Ω2+dΩ＝0，所以立体角的变化为 Ω2-Ω1=-dΩ=∮C（-dl×dl′）·eRR2 这就是P点位移dl时立体角的改变量。P点沿着回路L移动一周时，立体角的变化为 -ΔΩ=∮L∮C（-dl×dl′）·eRR2（3.15） 比较式（3.14）和式（3.15）可得 ∮LH·dl=I4πΔΩ（3.16） 环积分的结果取决于ΔΩ，一般分为两种情况。 (1) 积分回路L不与电流回路C套链，如图3.1所示。可以看出，当从某点开始沿闭合回路L绕行一周并回到起始点时，立体角又回复到原来的值，即ΔΩ＝0，由式（3.16） ∮LH·dl=0（3.17） (2) 若积分回路L与电流回路C相套链，即L穿过C所包围的面S，如图3.2所示。如果取积分回路的起点为S面上侧的A点，终点为在S面下侧的B点。由于面元对它上表面上的点所张的立体角为（-2π），对下表面上的点所张的立体角为（+2π），所以S对A点的立体角为（-2π），对B点的立体角为（+2π），ΔΩ＝2π-（-2π）＝4π，由式（3.16） ∮LH·dl=I4π·4π=I（3.18） 图3.2积分回路L与电流回路C相套链 图3.3积分回路L包围的电流 因为L与C相套链，I也就是穿过回路L所包围平面S 由×H=J和H=Bμ，可以写出 ×B=μJ 把式（3.50）代入可得 ××A=(·A)-2A=μJ 利用式（3.51）可得 2A=-μJ（3.52） 所以矢量磁位A满足矢量的泊松方程，求解时一般先写出分量式。例如，在直角坐标中 2Ax=-μJx（3.53） 2Ay=-μJy（3.54） 2Az=-μJz（3.55） 2. 泊松方程的解 求解矢量磁位A的泊松方程，利用类比法。静电场中电位满足的泊松方程为 2Φ=-ρε（3.56） 其解为 Φ=14πεVρdVr（3.57）