本书共８章，主要讲解了电磁场与电磁波的基本原理,在此基础上增加了很多相关的工程应用实例，如地面雷达如何和空中雷达进行配合、飞机如何隐形和反隐形等。本书另配备了习题答案与详细解答，并为重要的知识点配套提供了丰富的视频、工程应用实例、教学设计案例等数字资源，使教材内容更加立体和丰富。本书可作为高等院校电气工程及其自动化等专业的本科及研究生教材，也可作为有关工程人员的参考用书。
“电磁场与电磁波”--直都是高等院校电类专业最重要的专业基础课,作为人类知识宝库中的精髓,电磁技术是相关专业工程技术人员必须掌握的基础理论。
为了使学生能够了解电磁场理论的应用和前沿知识,激发学生的学习兴趣,提高他们应用理论知识解决实际问题的能力,我们编写了《电磁场与电磁波》《电磁场与电磁波的MATLAB仿真》《电磁场与电磁波的Maxwell仿真》。这3本书在系统闸述电磁场基本理论的基础上,通过已成功应用于工程实际中的技术成果,介绍了电磁场工程问题的提出和应用电磁场理论分析、计算解决实际问题的过程。
本书的编写宗旨就是希望读者通过本书的学习,能够掌握足够的电磁场基本理论和应用研究方法。本书的编写特点如下:
第一,本书介绍了电磁场的数学物理基础,帮助学生在尽量不借助数学参考文献的情况下学习后续内容。为此按传统体系逐一讲述预备知识矢量分析静电场、恒定电场恒定磁场、时变电磁场.准静态电磁场、无界媒质中的均匀平面波、均匀平面波在不同媒质分界面的反射和折射、导行电磁波等内容。本着由简单到复杂、由浅入深、由特殊规律到普遍规律的顺序,使学生逐步加深对电磁场理论及工程应用的理解。
第二,本书突出对基础和概念的理解。增加了部分概念闸述和新的例题、图示,所有名词和概念均给出了明确的定义,概念更加清楚。为检验学习效果,课程设置有大量习题,并且为便于学生学习，还提供了所有习题的答案及详细题解。
第三,为了帮助学生提高应用电磁场理论解决实际问题的能力,本书增加了很多相关的工程应用实例,如马航MH370事件的分析.地面雷达为什么会存在低空盲区、地面雷达如何和空中雷达进行配合、飞机如何隐形和反隐形、为何“奶牛被严重击伤,人却安全无恙”、“易拉罐”是增强WiFi信号的神器、4G和5C手机能否用于煤矿的井下和井上通信、鱼塘死鱼之谜、别墅起火之谜等。
第四,该教材对“场论与路的关系”进行疏理,更加突出了场论与路的统一关系,明确指出场论是--切宏观电磁现象遵循的普遍规律,而路则是静态或准静态条件下由场论推出的特例。第五,该教材为新形态教材,在纸质版教材基础上,在重要的知识点处增加了视频.工程应用实例、教学设计案例等数字资源,使教材内容更加丰富和立体。
另外,文中带*部分为选学的内容。
参加本书编写的有谭阳红、朱彦卿、帅智康唐志祥、高兵邓晓、白艳锋,由谭阳红担任主编。本书可作为电气工程、自动化等相关专业本科及研究生的教材或有关工程人员的参考用书。书中难免存在不足之处，敬请使用本书的师生和读者批评指正。
谭阳红，湖南大学教授，首批一流本科课程和湖南大学课程思政示范课程电磁场工程应用教学团队负责人。
1994年获湖南师范大学学士学位，1997年、2005年分别获湖南大学工学硕士、工学博士学位，曾在英国University of Hertfordshire做访问学者一年。主要从事电磁场分析与计算、电力系统分析、配电网自动化、电力设备故障诊断与在线监测技术、电力系统保护与控制、电能质量分析与控制及智能信息处理在电气工程中的应用等领域的教学与研究工作。
目 录
前言
预备知识:矢量分析
1 0.1 正交坐标系 1
0.1.1 直角坐标系 1
0.1.2 柱坐标系 1
0.1.3 球坐标系 2
0.2 标量场和矢量场 2
0.2.1 标量和矢量 2
0.2.2 标量和矢量的表示 2
0.3 矢量运算 3
0.3.1 矢量的加减法 3
0.3.2 矢量与标量的乘积(矢量的数乘) 4
0.3.3 矢量与矢量的乘积 4
0.3.4 场图 5
0.4 方向导数和梯度 6
0.4.1 标量场的方向导数 6
0.4.2 梯度 6
0.5 矢量场的通量和散度 8
0.5.1 面元矢量 8
0.5.2 通量 8
0.5.3 散度 9
0.5.4 散度定理(高斯公式) 10
0.6 矢量的环量与旋度 11
0.6.1 有向线元 11
0.6.2 矢量的环量 11
0.6.3 矢量的旋度 11
0.6.4 斯托克斯定理 12
0.6.5 从环量到旋度 13
0.6.6 散度和旋度的比较 14
0.6.7 哈密顿算子 14
0.6.8 矢径 R 15
0.7 两个重要的恒等式 15
0.8 亥姆霍兹定理 16
0.8.1 亥姆霍兹定理的内容 16
0.8.2 矢量场的四种类型 16
0.9 习题与答案 18
0.9.1 习题 18
0.9.2 答案 18
第 1 章 静电场 20
1.1 自由空间的静电场 20
1.1.1 静电场的源 20
1.1.2 电场强度 22
1.1.3 电位 24
1.1.4 真空中静电场的基本性质 27
1.2 静电场中的导体和电介质 28
1.2.1 静电场中的导体 28
1.2.2 静电场中的电介质 29
1.3 电介质中的高斯定理 31
1.4 静电场的基本方程及分界面的衔接条件 33
1.4.1 静电场的基本方程 33
1.4.2 静电场的分界面的衔接条件 33
1.4.3 特殊的静电场分界面 34
1.5 静电场的边值问题及求解 35
1.5.1 静电场的边值问题 35
1.5.2 静电场边值问题的求解 36
1.5.3 分离变量法 37
1.6 静电场的等效求解方法:镜像法 40
1.6.1 导体平面镜像 40
1.6.2 介质平面镜像 44
1.6.3 导体球面镜像 45
1.6.4 导体柱面镜像 50
1.6.5 工程应用举例 51
1.7 静电场工程应用:电容及部分电容 54
1.7.1 电容 54
1.7.2 部分电容 56
1.8 静电能量与力 58
Ⅵ 1.8.1 静电能量 58
1.8.2 静电力 60
1.9 习题与答案 61
1.9.1 习题 61
1.9.2 答案 63
第 2 章 恒定电场 65
2.1 电流和电流密度 65
2.1.1 电流和电流密度 65
2.1.2 电流密度的工程应用举例:鱼塘死鱼之谜 67
2.2 电流连续性原理 68
2.3 欧姆定律的微分形式 68
2.4 焦耳定律的微分形式 69
2.5 电源和局外场强 70
2.6 恒定电场的基本方程和分界面的衔接条件 71
2.6.1 恒定电场的基本方程 71
2.6.2 分界面的衔接条件 72
2.6.3 特殊分界面的衔接条件 72
2.6.4 恒定电场的边值问题 74
2.7 恒定电场与静电场的比拟 74
2.7.1 静电比拟法 74
2.7.2 静电比拟举例:镜像法 75
2.7.3 电力系统的静电模拟法 76
2.8 绝缘电阻 76
2.9 接地电阻 79
2.9.1 接地电阻 79
2.9.2 跨步电压 81
2.10 习题与答案 82
2.10.1 习题 82
2.10.2 答案 84
第 3 章 恒定磁场 86
3.1 磁感应强度 86
3.1.1 安培力定律 86
3.1.2 毕奥￣ 萨伐尔定律 87
3.1.3 磁感应强度的通量和散度 88
3.2 磁场中的物质 88
Ⅶ 3.2.1 磁偶极子和磁偶极矩 88
3.2.2 物质的磁化 89
3.3 安培环路定理 91
3.3.1 真空中的安培环路定理 91
3.3.2 一般形式的安培环路定理 91
3.4 恒定磁场基本方程及分界面的衔接条件 94
3.4.1 恒定磁场的基本方程 94
3.4.2 恒定磁场分界面的衔接条件 95
3.4.3 特殊的恒定磁场分界面 96
3.5 恒定磁场中的位函数 96
3.5.1 矢量磁位及其边值问题 96
3.5.2 标量磁位及其边值问题 100
3.6 恒定磁场中的镜像法 101
3.7 恒定磁场的工程应用:电感 103
3.7.1 自感和互感的概念 103
3.7.2 自感和互感的计算 104
3.8 恒定磁场的能量与力 106
3.8.1 恒定磁场的能量 106
3.8.2 磁场力 108
3.8.3 霍尔效应 109
3.9 磁路 112
3.10 习题与答案 114
3.10.1 习题 114
3.10.2 答案 115
第 4 章 时变电磁场 117
4.1 电磁感应定律和感应电场 117
4.1.1 法拉第电磁感应定律 117
4.1.2 电磁感应定律的应用 119
4.1.3 感应电场 120
4.2 全电流定律:安培环路定理的修正 122
4.2.1 安培环路定理修正的依据 123
4.2.2 安培环路定理的修正 123
4.3 麦克斯韦方程 126
4.3.1 麦克斯韦方程 126
4.3.2 麦克斯韦方程组的实践性、对称性和独立性 127
4.3.3 广义的麦克斯韦方程 128
4.4 时变电磁场的边界条件 129
4.4.1 两种媒质分界面的一般边界条件 129
4.4.2 两理想介质(无损耗线性媒质)的分界面 130
4.4.3 理想介质和理想导体的分界面 130
4.5 动态位 131
4.5.1 动态位的引入 131
4.5.2 达朗贝尔方程及其特点 132
4.5.3 达朗贝尔方程解的形式 133
4.5.4 达朗贝尔方程的解 135
4.6 时变电磁场的坡印亭定理 136
4.6.1 时变场的坡印亭定理 136
4.6.2 坡印亭矢量 138
4.6.3 坡印亭矢量的应用实例 139
4.6.4 时变场的唯一性定理 143
4.7 正弦电磁场 143
4.7.1 正弦电磁场的复数表示 144
4.7.2 麦克斯韦方程的复数表示 145
4.7.3 复介电常数和复磁导率 147
4.7.4 坡印亭定理的复数形式 148
4.7.5 达朗贝尔方程的复数形式 150
4.8 电磁辐射 151
4.8.1 天线的形成 151
4.8.2 单元偶极子天线的电磁辐射 152
4.9 习题与答案 155
4.9.1 习题 155
4.9.2 答案 157
第 5 章 准静态电磁场 159
5.1 电准静态场和磁准静态场 159
5.1.1 电准静态场 159
5.1.2 磁准静态场 161
5.1.3 准静态场应用举例 162
5.2 从准静态场推导电路基本定律 163
5.2.1 基尔霍夫电流定律 163
5.2.2 基尔霍夫电压定律 164
5.3 典型 EQS 问题的分析 164
5.4 趋肤效应 167
5.4.1 涡流场方程 167
5.4.2 趋肤效应 167
5.4.3 趋肤效应的应用 169
5.4.4 电磁屏蔽 170
5.5 涡流及涡流损耗 171
5.5.1 涡流 171
5.5.2 涡流的工程应用 174
5.6 邻近效应 174
5.7 导体的交流阻抗 175
5.8 计及温度效应的导线电阻的工程计算 177
5.8.1 导线的直流电阻 177
5.8.2 导线的交流电阻 178
5.9 习题与答案 179
5.9.1 习题 179
5.9.2 答案 181
第 6 章 无界媒质中的均匀平面波 183
6.1 电磁波的波动方程 183
6.2 均匀平面波 184
6.2.1 均匀平面波的概念 184
6.2.2 均匀平面波的方程及解 185
6.2.3 理想介质中均匀平面波的传播特性 187
6.2.4 横波 188
6.3 无限大理想介质中的正弦均匀平面波 188
6.3.1 理想介质中正弦均匀平面波的方程及解 188
6.3.2 理想介质中均匀平面电磁波的参数及传输特点 189
6.3.3 理想介质中正弦均匀平面电磁波的传输特性 191
6.3.4 理想介质中均匀平面波的一般表达式 193
6.4 有损媒质中的正弦均匀平面电磁波 195
6.4.1 有损媒质中正弦均匀平面波的方程与求解 195
6.4.2 有损媒质中正弦均匀平面波的参数和传输特性 196
6.4.3 4G/ 5G 手机能否用于煤矿的井下和井上通信 199
6.4.4 飞机高度表工作原理 199
6.5 良导体和良介质中均匀平面波的传播特性 200
6.5.1 良导体中的均匀平面波 200
6.5.2 良介质中的均匀平面波 201
6.5.3 海水中潜艇之间的通信困难 202
6.5.4 再论趋肤效应 203
6.5.5 表面阻抗 203
6.5.6 高频屏蔽 204
6.5.7 航空电磁探测 205
6.6 电磁波的极化 206
6.6.1 电磁波的极化 207
6.6.2 极化波的旋向判断 209
6.6.3 电磁波极化的工程应用 209
6.7 电磁波的色散、相速和群速 212
6.8 习题与答案 214
6.8.1 习题 214
6.8.2 答案 216
第 7 章 均匀平面波在不同媒质分界面的反射与折射 218
7.1 平面波对平面边界的垂直入射 219
7.1.1 正弦平面电磁波对一般导电媒质的垂直入射 219
7.1.2 平面电磁波对理想导体平面的垂直入射 221
7.1.3 平面波在理想介质分界面的垂直入射 224
7.1.4 超声波探伤 226
7.1.5 易拉罐可否增强 WiFi 信号 227
7.2 平面波在理想介质分界面上的斜入射 228
7.2.1 反射定律和折射定律 228
7.2.2 反射系数与折射系数 230
7.2.3 全反射和全透射 232
7.3 正弦平面波对理想导体表面的斜入射 235
7.4 均匀平面波对良导体表面的斜入射 236
7.5 习题与答案 237
7.5.1 习题 237
7.5.2 答案 239
第 8 章 导行电磁波 241
8.1 导行电磁波的一般分析方法 242
8.1.1 导行电磁波的纵向分量和横向分量方程 242
8.1.2 导波场的横向分量与纵向分量之间的关系式 244
8.2 导行波波型的分类以及导行波的传输特性 245
8.2.1 导行波波型的分类 245
8.2.2 导行波的传输特性 246
Ⅺ 8.3 矩形波导 248
8.3.1 矩形波导中的 TE 波 248
8.3.2 矩形波导中的 TM 波 250
8.3.3 矩形波导的截止波长 251
8.3.4 矩形波导中的 TE10模 253
8.4 圆柱形波导 255
8.4.1 圆波导中的 TE 波 255
8.4.2 圆波导中的 TM 波 257
8.4.3 圆波导的传输特性 258
8.4.4 圆波导的常用模式 259
8.5 同轴波导 261
8.5.1 同轴波导中的 TEM 波 261
8.5.2 同轴波导中的高次模 263
8.6 谐振腔 263
8.6.1 矩形谐振腔 264
8.6.2 微波炉中的谐振腔 266
8.7 习题与答案 267
8.7.1 习题 267
8.7.2 答案 268
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