电磁场与电磁波

《电磁场与电磁波》分6章编排，介绍了电磁场与电磁波的普遍规律。首先，考虑课程的先后行关系，在第1章中，以麦克斯韦方程为主线，概括了电磁场的基本规律；接着，针对课时偏少的实际情况，考虑到《电磁学》重点处理了场的问题，因此从第2章起，本书重心放在波的描述，第2章介绍了无限均匀各向同性媒质（包括分层介质）中电磁波场的规律；第3章给出了均匀平面电磁波在分界面上的反射和折射规律；第4章讲述了电磁波的辐射特征；第5章概括了电磁波的衍射与成像；后在第6章，则概括了电磁波的对单粒子的散射特征。其中，后3章的教学内容对电气信息类专业如：光电信息科学与工程、电子信息工程、大气物理等相关专业的学生是十分重要的，是他（她）们必备的专业基础。《电磁场与电磁波》分6章编排，介绍了电磁场与电磁波的普遍规律。首先，考虑课程的先后行关系，在第1章中，以麦克斯韦方程为主线，概括了电磁场的基本规律；接着，针对课时偏少的实际情况，考虑到《电磁学》重点处理了场的问题，因此从第2章起，本书重心放在波的描述，第2章介绍了无限均匀各向同性媒质（包括分层介质）中电磁波场的规律；第3章给出了均匀平面电磁波在分界面上的反射和折射规律；第4章讲述了电磁波的辐射特征；第5章概括了电磁波的衍射与成像；后在第6章，则概括了电磁波的对单粒子的散射特征。其中，后3章的教学内容对电气信息类专业如：光电信息科学与工程、电子信息工程、大气物理等相关专业的学生是十分重要的，是他（她）们必备的专业基础。

前言
第1章电磁场的普遍规律
1.1电荷与电场
1.1.1库仑定律
1.1.2电场与场强
1.1.3静电场的通量与散度方程
1.1.4静电场的旋度与旋度方程
1.2电流与磁场
1.2.1电流和电流密度
1.2.2电荷守恒定律
1.2.3安培定律
1.2.4毕奥·萨伐尔定律
1.2.5恒定磁场的通量与散度方程
1.2.6恒定磁场的环流与旋度方程
1.3麦克斯韦方程组
1.3.1电磁感应定律
1.3.2位移电流
1.3.3真空中的麦克斯韦方程组
1.3.4洛伦兹力公式
1.4介质的电磁性质
1.4.1介质的极化
1.4.2介质的磁化
1.4.3介质中的麦克斯韦方程组
1.4.4介质中的本构方程
1.5电磁场边值关系
1.5.1法向边界条件
1.5.2切向边界条件
1.6电磁场的能量
1.6.1场和电荷系统能量守恒定律的一般形式
1.6.2电磁场能量密度和能流密度的表示式
1.7习题
第2章静态电磁场及其边值问题的解
2.1边值问题的分类
2.2标量格林定理和性定理
2.2.1标量格林定理
2.2.2性定理
2.3稳恒电场分析
2.3.1稳恒电场的位函数
2.3.2稳恒电场的能量
2.3.3求电场力的虚位移法
2.4稳恒磁场分析
2.4.1矢量磁位函数
2.4.2库仑规范
2.4.3标量磁位函数
2.4.4稳恒磁场的能量
2.5镜像法
2.5.1点电荷对无限大平面的镜像
2.5.2点电荷对无限大相交导体平面的镜像
2.5.3点电荷对接地导体球面的镜像
2.5.4线电荷对导体圆柱面的镜像
2.6分离变量法
2.6.1直角坐标系中的分离变量法
2.6.2圆柱坐标系中的分离变量法
2.6.3球坐标系中的分离变量法
2.7习题
第3章时变电磁场
3.1时变电磁场的波动方程
3.1.1麦克斯韦方程组
3.1.2波动方程
3.2时变电磁场的性定理
3.3时变电磁场的位函数
3.3.1用位函数描述时变电磁场
3.3.2位函数的微分方程
3.3.3滞后位与超前位
3.4时谐电磁场
3.4.1场方程
3.4.2时谐电磁场的能量及功率
3.4.3时谐电磁场的位函数
3.5习题
第4章平面电磁波
4.1理想介质中的均匀平面波
4.1.1理想介质中的波方程
4.1.2均匀平面波的传播特性
4.1.3描述均匀平面波的物理参数
4.2导电介质中的均匀平面波
4.2.1导电介质中的电荷分布
4.2.2导电介质中的波方程
4.2.3导电介质中平面波的传播特性
4.2.4描述导电介质中均匀平面波的物理参数
4.2.5良介质与良导体
4.3均匀平面波的极化特性
4.3.1极化的概念
4.3.2椭圆极化波
4.3.3圆极化波
4.3.4直线极化波
4.3.5电磁波极化特性的工程应用
4.4极化波的合成与分解
4.4.1极化波的表示
4.4.2用琼斯矢量表示极化态
4.4.3极化波的合成与分解
4.5相速和群速
4.6习题
第5章平面波的反射与折射
5.1电磁波反射与折射的基本规律
5.1.1反射定律折射定律
5.1.2反射波与折射波的电磁场矢量表示
5.1.3反射系数与透射系数
5.2均匀平面波对平面边界的垂直入射
5.2.1相关描述
5.2.2均匀平面波对理想导体的垂直入射
5.2.3均匀平面波对一般导电介质的垂直入射
5.2.4均匀平面波对理想介质的垂直入射
5.3均匀平面波对分层介质平面的垂直入射
5.3.1输入波阻抗
5.3.2均匀平面波在多层介质中的传播
5.3.3三层介质的重要应用
5.4均匀平面波对不同介质分界的斜入射
5.4.1垂直极化波的反射与折射
5.4.2平行极化波的反射与折射
5.4.3反射情况分析
5.5平面波对理想导体表面的斜入射
5.5.1折射定律的修正
5.5.2垂直极化平面波对理想导体表面的斜入射
5.5.3平行极化平面波对理想导体表面的斜入射
5.6等离子体中的平面波
5.7铁氧体中的平面波
5.8习题
第6章电磁波的标量衍射
6.1亥姆霍兹·基尔霍夫衍射定理
6.1.1电磁场的波动方程
6.1.2从矢量衍射理论到标量衍射理论
6.1.3亥姆霍兹·基尔霍夫积分定理
6.2平面衍射屏的基尔霍夫公式
6.2.1积分定理的应用
6.2.2基尔霍夫边界条件
6.2.3菲涅耳·基尔霍夫衍射公式
6.3瑞利·索末菲衍射公式
6.3.1格林函数的其他选择
6.3.2瑞利·索末菲衍射理论
6.3.3基尔霍夫理论与瑞利·索末菲理论的比较
6.3.4基尔霍夫公式的进一步分析
6.4菲涅耳衍射与夫琅禾费衍射
6.4.1初步的近似处理
6.4.2菲涅耳衍射
6.4.3夫琅禾费衍射
6.5习题
附录
附录A矢量基本运算公式
A.1常用的基本运算公式
A.2各章中出现的基本运算公式
附录B常用函数
B.1狄拉克（Dirac）δ函数
B.2几个初等函数
附录C基本数学公式
C.1傅里叶变换
C.2卷积的定义及傅里叶变换
C.3常用傅里叶变换公式
附录D常用物理常数
附录E部分习题参考答案
参考文献

前 言“电磁场与电磁波”是一门研究电磁场与电磁波的基本属性、描述方法、运动规律，以及与物质的相互作用及其应用的课程，它是电子、通信、微波、大气及生物医学等多学科的理论基础；同时也是光电信息科学与工程、电子信息工程、大气物理、电气工程与自动化、应用物理学等相关专业的核心主干课程。从20世纪90年代起，我先后为本科生、研究生开设了“电磁场与电磁波”课程，在教学中，参考中外优秀教材和该学科的最新研究进展，形成了讲义并几易其稿。能编著一本深度与广度适当，又能反映这一领域教研成果的教材，是我一直以来的夙愿。2013年，《电磁场与电磁波》获南京信息工程大学重点建设教材（13JCLX012）立项，促使我潜心整理教学资料。在本书的编写过程中，考虑到这门课具有概念比较抽象、所用数学工具较多、与其他学科高度融合等特点，结合课内学时普遍压缩的实际情况，参考教育部2012版《普通高等学校本科专业目录》，做了如下尝试：1．取材侧重于电磁波，仅用第2章这一章的篇幅来研究静态电磁场及其边值问题；考虑到衍射既是电磁场重要的传播特征，也是电磁场基本方程的重要应用，而目前许多专业教学又不涉及衍射，因此，本书用第6章概括了电磁波的衍射与成像。2．将重要的数学公式列在正文中，并以此推演出相关的电磁场公式，最后再将这些数学公式按顺序列在附录中，以方便学生阅读。在电磁公式的推演过程中，力求物理意义明确、具有较强的可读性。3．突出基本概念和基本规律的描述，力求使本书更具普适性；加强了对极化状态的描述，以便大气物理、光电信息科学与工程等相关专业取舍。4．在书中安排了一定数量的插图、例题与习题，并在书末附有部分习题的参考答案。5．采用国际单位制，设计周学时为3学时或4学时。学习本课程需要较多的数学知识，但它并非数学课，数学只是学习该课的工具，因此，本书没有将数学知识单列一章，而是把必备的数学工具融入各章节的教学中，便于学生学习和掌握，以增加本书的可读性。在本书的编写过程中，得到了南京信息工程大学校内外许多同行给予的大力支持和帮助，与赵德林、顾斌、郑改革、徐林华、陈云云、刘玉柱、李金花等老师的多次教学讨论更使我受益匪浅；机械工业出版社的李馨馨老师组织、策划了本书的编辑工作，陈崇昱编辑的出色工作使本书增色不少；另外，我还得到了刘巧玲女士的支持和来自张修潼的鼓励；本书的出版还获得了南京信息工程大学重点教材建设立项支持，在此一并表示感谢!由于笔者水平有限，书中错误和不当之处在所难免，恳请读者批评指正。张成义 2016年9月20日于南京