电磁场与电磁波(第3版) 微课视频版

"本书面向“三全育人”教育目标组织内容，体现知识、能力和素质的有机结合，以基本电磁现象的普遍规律为基础，阐述电磁场与电磁波的基本概念、原理及基本应用。在论述方法上立足通俗性，突出理工融合，注重研究性，以提升教材的深度、广度和高阶性。全书在总结教学团队丰富教学经验的基础上，从电磁场理论应用的角度出发，阐述电磁场与电磁波的基本概念、基本规律和基本计算方法，培养学生建立起“场”与“波”的概念及联系——学会“场”与“路”的分析方法；掌握用“场”的观点去观察、分析、解决电磁场问题。瞄准科学前沿，培养学生的逻辑思维和创新思维能力，提高分析和解决复杂电磁工程问题的能力。  易教易学 系统阐述理论的同时，注重内容的实用性和可读性，减少理论公式的繁杂数学推导，创新并赋予公式明确的物理含义，便于理解和运用。  前后衔接 强调知识内容和分析方法的前后连贯性，并妥善处理与前期课程和后续课程的衔接。  认知规律 从认识和理解的规律编排内容，将数学工具工程化，将抽象问题形象化，将复杂问题简单化，将零散问题系统化，并打上作者理解的“标签”。  层次分明 以“场”与“波”为主线，以麦克斯韦方程为纽带，对各知识层次按照由浅入深、循序渐进的方式进行阐述，环环相扣，前后呼应。  技术前沿 介绍电磁科学领域的新进展，激发学习兴趣，启迪创新思想。 教学资源  教学课件 配书教案（PPT）可到清华大学出版社网站本书页面下载。  学习辅导 《电磁场与电磁波教学、学习与考研指导》（张洪欣等编著，清华大学出版社）。  实验指导 《电磁场与微波技术测量及仿真》（赵同刚等编著，清华大学出版社）。 "

本书面向“三全育人”教育目标组织内容，以基本电磁现象的普遍规律为基础，系统论述电磁场与电磁波的基本概念、基本原理及基本应用。全书共分9章：第1章介绍正交坐标系和矢量分析，为后续章节奠定数学知识基础；第2章介绍静电场与恒定电场，详细论述了基本电场方程、电场边界条件、电偶极子、电容、电场能量及电场力等；第3章介绍恒定磁场，详细论述了基本磁场方程、磁场边界条件、矢量磁位、电感、磁场能量及磁场力等；第4章介绍静态场的边值问题及其解法，详细论述了分离变量法、镜像法、有限差分法及其应用等；第5章介绍时变电磁场的性质，详细论述了麦克斯韦方程组、坡印亭矢量、交变场的位等；第6章介绍无界媒质中的均匀平面波，详细论述了平面波的性质、电磁波的极化、平面波在良介质及良导体中的传播特性等；第7章介绍电磁波的反射和折射，详细论述了平面波在理想导体表面、理想介质分界面及导电媒质分界面反射和折射的性质；第8章介绍导行电磁波，详细论述了双导体传输线、波导等导波传输系统和谐振腔的性质及其基本应用；第9章介绍电磁辐射，详细论述了电磁辐射过程、电偶极子、磁偶极子、电磁场的对偶性、对称振子天线、天线基本参数及应用等。本书可以作为高等院校电子信息类与电气信息类专业“电磁场基础”相关课程的教材，也可作为从事电波传播、电磁兼容、射频与微波技术的科研和工程技术人员的参考工具书。

张洪欣 北京邮电大学电子工程学院教授/博士生导师，北京市教学名师，北京市师德先锋，中国研究生电子设计竞赛优秀指导教师，重量一流本科课程负责人，重量及北京市一流本科专业负责人。先后兼任全国高等学校电磁场教学与教材研究会常务理事、国家教材委员会专家、航天军民融合产业众创空间首席专家、航天装备技术领域专家、教育部学位与研究生教育发展中心评议专家、中国电子学会DSP应用专家委员会副主任委员、北京生理科学会董事、中华预防医学会自由基预防医学专业委员会常委、北京电子电器协会电磁兼容分会委员、中国电子学会电磁兼容分会委员、北京市科学技术奖励评审专家、中国电机工程学会电磁干扰委员会委员、中国电子学会电波传播分会委员、IET高级会员。长期从事无线通信、信号与信息处理、电磁兼容与信息安全、生物电子等领域的教学和研究工作。先后开设“电磁场与电磁波”“物理光学”“计算电磁学的数值方法”“电磁兼容原理”“生物电子学”“通信原理”“计算机原理”“电路分析”“数字电路技术”等本科生及研究生课程。发表学术论文200余篇，主持国家自然科学基金、“十三五”计划、航空基金等50多项科研项目。申请国家发明专利20余项，出版图书5部。获得中国产学研合作创新与促进奖、第五届中国创新挑战赛专题赛优秀奖、北京市教学成果奖等40多项。担任《电波科学学报》专刊主编、《The Journal of China university of posts and telecommunications》《Iraqi Journal for Electrical and Electronic Engineering》编委等。

绪论
第1章矢量分析
1.1矢量代数
1.1.1标量和矢量
1.1.2矢量的加法和减法
1.1.3矢量的乘法
1.2三种常用的坐标系
1.2.1正交坐标系
1.2.2直角坐标系
1.2.3圆柱坐标系
1.2.4球坐标系
1.3标量场的梯度
1.3.1标量场的等值面
1.3.2方向导数
1.3.3梯度
1.4矢量场的通量与散度
1.4.1通量
1.4.2散度
1.4.3散度定理
1.5矢量场的环量与旋度
1.5.1环量
1.5.2旋度
1.5.3斯托克斯定理
1.6无旋场与无散场
1.6.1无旋场
1.6.2无散场
1.7拉普拉斯运算与格林定理
1.7.1拉普拉斯运算
1.7.2格林定理
1.8亥姆霍兹定理
1.9冲激函数及其性质
习题
第2章静电场与恒定电场
2.1库仑定律与电场强度
2.1.1库仑定律
2.1.2电场强度及其叠加原理
2.2电场强度的通量和散度
2.2.1电场强度的通量
2.2.2电场强度的散度
2.3电场强度的环量及旋度
2.3.1电场强度的环量
2.3.2电场强度的旋度
2.4静电场的电位函数
2.4.1电场强度与电位函数
2.4.2电位函数的表达式
2.5电偶极子
2.5.1电偶极子的电位函数
2.5.2电偶极子静电场的电场强度
2.5.3电偶极子静电场的等位面和电场线
2.6静电场中的导体和介质
2.6.1静电场中的导体
2.6.2静电场中的介质
2.6.3介质中电位移矢量的通量和散度
2.6.4电位移矢量与电场强度的关系
2.7泊松方程与拉普拉斯方程
2.8静电场的边界条件
2.8.1电位移矢量的法向边界条件
2.8.2电场强度的切向边界条件
2.8.3电位函数的边界条件
2.9导体系统的电容
2.9.1双导体及孤立导体的电容
2.9.2多导体的电容系数与部分电容
2.10静电场的能量与静电力
2.10.1静电场的能量
2.10.2静电场的能量密度
2.10.3静电力
2.11恒定电场
2.11.1电流与电流密度矢量
2.11.2恒定电场的基本性质
2.11.3恒定电场的边界条件
2.11.4静电场比拟法与电导
2.11.5损耗功率与焦耳定律
习题
第3章恒定磁场
3.1恒定磁场的基本定律
3.1.1安培力定律
3.1.2毕奥-萨伐尔定律
3.2真空中的恒定磁场方程
3.2.1恒定磁场的散度及磁通连续性原理
3.2.2矢量磁位及其方程
3.2.3恒定磁场的旋度及安培环路定理
3.2.4标量磁位
3.3磁偶极子与介质的磁化
3.3.1磁偶极子及其矢量磁位
3.3.2介质的磁化
3.3.3介质中的恒定磁场方程
3.4恒定磁场的边界条件
3.4.1磁感应强度的法向边界条件
3.4.2磁场强度的切向边界条件
3.4.3恒定磁场位函数的边界条件
3.5电感
3.5.1自电感
3.5.2互电感
3.5.3电感的计算
3.6恒定磁场的能量和磁场力
3.6.1恒定磁场的能量及能量密度
3.6.2恒定磁场的磁场力
习题
第4章静态场的边值问题及其解法
4.1边值问题的类型及专享性定理
4.1.1边值问题的分类
4.1.2静电场解的专享性定理
4.2分离变量法
4.2.1直角坐标系中的分离变量法
4.2.2圆柱坐标系中的分离变量法
4.2.3球坐标系中的分离变量法
4.3镜像法
4.3.1平面镜像
4.3.2球面镜像与柱面镜像
4.4有限差分法
4.4.1有限差分法基本原理
4.4.2有限差分法的基本实现方法
习题
第5章时变电磁场
5.1麦克斯韦方程组
5.1.1麦克斯韦第一方程
5.1.2麦克斯韦第二方程
5.1.3麦克斯韦第三方程
5.1.4麦克斯韦第四方程
5.1.5麦克斯韦方程组的形式
5.1.6媒质的本构方程
5.2时变电磁场的边界条件
5.2.1法向场的边界条件
5.2.2切向场的边界条件
5.3时谐电磁场及麦克斯韦方程组的复数形式
5.3.1时谐电磁场的复数形式
5.3.2麦克斯韦方程组的复数形式
5.4时变电磁场的能量及功率
5.4.1坡印亭定理
5.4.2复坡印亭矢量及平均坡印亭矢量
5.5时变电磁场的专享性定理
5.6电磁场的位函数及波动方程
习题
第6章无界媒质中的均匀平面波
6.1理想介质中的均匀平面波
6.1.1亥姆霍兹方程与均匀平面波
6.1.2理想介质中均匀平面波的特性
6.1.3理想介质中均匀平面波的一般表达式
6.2电磁波的极化
6.2.1线极化
6.2.2圆极化
6.2.3椭圆极化
6.2.4极化波的合成与分解
6.3导电媒质中的均匀平面波
6.3.1导电媒质中的波动方程与均匀平面波
6.3.2导电媒质中均匀平面波的特性
6.3.3良介质与良导体
6.3.4趋肤效应
6.3.5表面阻抗、交流电阻
6.3.6损耗功率
6.4时域有限差分法
6.4.1麦克斯韦方程的差分格式
6.4.2UPML吸收边界条件
习题
第7章均匀平面波在不同媒质分界面的反射与折射
7.1平面波垂直入射到理想导体表面
7.2平面波垂直入射到理想介质间的分界面
7.3平面波斜入射到理想导体表面
7.3.1垂直极化波斜入射
7.3.2平行极化波斜入射
7.4平面波斜入射到理想介质间的分界面
7.4.1平行极化波斜入射
7.4.2垂直极化波斜入射
7.4.3全折射、全反射与表面波
7.5平面波在导电媒质分界面的反射与折射
7.6平面波在多层媒质分界面的垂直入射
7.7人工电磁材料
7.7.1负折射效应
7.7.2完美透镜效应
7.7.3负相速度
7.7.4逆多普勒频移
7.7.5逆切伦科夫辐射
7.7.6完美吸波材料
习题
第8章导行电磁波
8.1导行电磁波传播模式及其传播特性
8.1.1TEM波
8.1.2TM波
8.1.3TE波
8.2双导体传输线
8.2.1平行双线传输系统
8.2.2同轴传输线
8.2.3微带线
8.3矩形波导
8.3.1矩形波导中的TM波
8.3.2矩形波导中的TE波
8.3.3简并模、主模及单模传输
8.3.4矩形波导的传播特性参数及传输功率
8.4圆波导
8.4.1圆波导中的TM波
8.4.2圆波导中的TE波
8.4.3圆波导的传播特性
8.4.4圆波导的几种主要波形
8.5谐振腔
8.5.1谐振腔的基本参数
8.5.2矩形谐振腔
8.5.3圆谐振腔
8.6基片集成波导
习题
第9章电磁辐射
9.1滞后位
9.2电偶极子的辐射
9.2.1电偶极子电磁场的激发与辐射
9.2.2电偶极子的辐射场
9.3磁偶极子的辐射
9.4电与磁的对偶原理
9.5对称振子天线
9.5.1对称振子天线上的电流分布
9.5.2对称振子天线的远区场
9.6天线的基本参数
9.6.1方向性函数、方向图与方向性系数
9.6.2输入阻抗与驻波比
9.6.3极化
9.6.4效率
9.6.5增益
9.6.6波瓣宽度
9.6.7前后比和副瓣电平
9.6.8有效长度与频带宽度
习题
附录A矢量基本运算公式
附录B洛伦兹规范
附录C无线电频段划分
附录D常用导体材料的参数
附录E常用介质材料的参数
附录F常用物理常数
附录G一维吸收边界条件UPML的实现
附录H梯度、散度和旋度的计算公式
附录I习题参考答案
附录J专业名词解释
参考文献

     第3章 CHAPTER 3 恒 定 磁 场 第2章讨论了在恒定电流条件下分布不变的电荷所产生的恒定电场的性质。实验表明，恒定电流会产生恒定磁场，或者称为静态磁场。静态电场与静态磁场又统称为静态电磁场（静态场）。本章将从基本实验定律出发，描述恒定磁场的基本场矢量和基本场方程，讨论恒定磁场的性质，确立恒定磁场的边界条件，分析磁偶极子、磁介质的磁化、矢量磁位、电感、磁场能量和磁场力等基本问题。 微课视频 3.1恒定磁场的基本定律 3.1.1安培力定律 实验表明，两个恒定电流回路之间存在着相互作用力。1820年，法国物理学家安培通过实验总结出这个相互作用力所遵循的规律，即安培力定律。 图31电流回路之间的 相互作用力 如图31所示，根据安培力定律，在真空中有分别载有恒定电流I、I1（线电流）的两个回路C0和C1，则C0对C1的作用力为 F10=μ04π∮l∮l′I1dl×（Idl′×eR）R2（31） 其中，l′、l分别为对两个回路C0和C1的积分路径，μ0＝4π×10-7H/m（亨/米）为真空中的磁导率； r′和r分别为电流元Idl′与I1dl的位置矢量，R为两个电流元之间的距离。R=r-r′=ReR，eR=R/R。 同样，回路C1对C0的作用力为F01=-F10，即两个回路之间的相互作用力满足牛顿第三定律。 由式（31）可以得到两个电流元Idl′与I1dl之间的相互作用力为 dF10=-dF01=μ04πI1dl×（Idl′×eR）R2（32） 注意，实际上孤立的电流元并不存在，在此主要用于电流闭合回路安培力的计算。 3.1.2毕奥萨伐尔定律 实验表明，电流元在磁场中会受到力的作用，该力的大小与磁场、电流的大小及磁场与电流方向夹角的正弦成正比，其方向与电流方向和磁场方向均垂直。由此得到该力与电流元Idl、磁感应强度B的关系为 df=Idl×B（33） 对于闭合回路，其在磁场中受到的力为 f=∮lIdl×B（34） 类似于静电场中电场强度的定义，恒定电流回路在某点产生的磁感应强度可定义为单位电流元在该点所受到的优选磁场力。由此比较式（33）与式（32），此时式（33）中的Idl相当于式（32）中的I1dl，可以得到电流元Idl′在距离其R的场点处产生的磁场为 dB=μ04πIdl′×eRR2=μ04πIdl′×RR3（351） 其中，磁感应强度B为一个矢量函数，其单位为特斯拉（T），或者韦伯/米2（Wb/m2）。在工程上还用较小的单位高斯（Gs），其中，1T=104 Gs。 对于面电流分布，由于Idl′=Jsdy′dl′=JsdS′，其中Js为面电流密度，dy′为垂直于电流方向的横向长度。因此，面电流元产生的磁感应强度为 dB=μ04πJs×RR3dS′（352） 同理，对于体电流分布，Idl′=J（r′）·dS′·dl′=J（r′）dV′，J（r′）为体电流密度，dS′为垂直于电流方向的横截面，体电流元产生的磁感应强度为 dB=μ04πJ（r′）×RR3dV′（353） 对式（35）各式积分可以得到线电流分布、面电流分布和体电流分布时产生的磁场分别为 B=μ04π∮l′Idl′×RR3（361） B=μ04πS′Js×RR3dS′（362） B=μ04πV′J（r′）×RR3dV′（363） 其中，S′为面电流分布区域，V′为体电流分布区域。 以上各式称为毕奥萨伐尔定律，几乎与安培力定律同时，于1820年由法国物理学家毕奥、萨伐尔根据闭合电流回路的实验结果，通过理论分析总结出来。 由于Idl=dqdt·vdt=vdq，因此磁场对电流的作用可认为是对运动电荷的作用。将此表达式代入式（33）可得 df=dqv×B（37） 对上式两边积分可得 f=qv×B（38） 上式为运动速度为v的电荷q在磁场B中受到的洛伦兹力的表达式。 电荷q被放置到电场E中受到的电场作用力为qE。结合式（38）可知，运动速度为v的电荷q在电场E和磁场B中受到的作用力为 f=qE+qv×B 图32长直载流导线 例题31直流电流I通过长为L的直导线。求空间任一点处的磁感应强度B。 解如图32所示，取圆柱坐标系，设带电线段沿z轴排列。取电流元为Idz′ez，源点和场点分别为（0,0,z′）、P（r,,z）。应用毕奥萨伐尔定律，得到Idz′ez在场点的磁感应强度B为 dB=μ04πIdz′ez×eRR2=μ04πIsinαdz′R2e 由图32可知，R=［r2+（z-z′）2］1/2，sinα=r［r2+（z-z′）2］1/2。所以，长直载流导线在观察点产生的磁场为（注： 利用积分递推公式） B=μ0Ie4π∫L2-L2rdz′［r2+（z-z′）2］3/2=μ0Ie4πrz+L/2［r2+（z+L/2）2］1/2-z-L/2［r2+（z-L/2）2］1/2数。而μ=μ0μr通常被称为介质的磁导率，单位为亨利/米（H/m）。磁导率和相对磁导率反映了磁介质的磁化特性，属物质的三个基本电磁参数之一。式（335）即磁介质中的磁场物质（本构）方程。 由于自然界中没有发现孤立的磁荷存在，因此式（311）描述的磁通连续性原理在磁介质中