电磁场与电磁波

章 电磁模型
1.1 引言
1.2 电磁模型简介
1.3 国际单位制单位与普适常数
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第2章 矢量分析
2.1 引言
2.2 矢量的加法和减法
2.3 矢量的乘积
2.3.1 标量积或点积
2.3.2 矢量积或叉积
2.3.3 三个矢量的乘积
2.4 正交坐标系
2.4.1 直角坐标系
2.4.2 圆柱坐标系
2.4.3 球坐标系
2.5 矢量函数的积分
2.6 标量场的梯度
2.7 矢量场的散度
2.8 散度定理
2.9 矢量场的旋度
2.10 斯托克斯定理
2.11 两个零恒等式
2.11.1 恒等式ⅰ
2.11.2 恒等式ⅱ
2.12 亥姆霍兹定理
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第3章 静电场
3.1 引言
3.2 真空中静电学的基本公理
3.3 库仑定律
3.3.1 离散电荷系统的电场
3.3.2 连续分布电荷的电场
3.4 高斯定理及其应用
3.5 电位
3.6 静电场中的导体
3.7 静电场中的电介质
3.8 电通密度和介电常数
3.9 静电场的边界条件
3.10 电容和电容器
3.10.1 电容器的串联和并联
3.10.2 多导体系统的电容
3.10.3 静电屏蔽
3.11 静电能量和静电力
3.11.1 场量表示的静电场能量
3.11.2 静电力
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第4章 静电问题的解
4.1 引言
4.2 泊松方程和拉普拉斯方程
4.3 静电问题解的性
4.4 镜像法
4.4.1 点电荷和导体平面
4.4.2 线电荷和平行导体圆柱
4.4.3 点电荷和导体球
4.4.4 带电球和接地平面
4.5 直角坐标中的边值问题
4.6 圆柱坐标中的边值问题
4.7 球坐标中的边值问题
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第5章 稳恒电流
5.1 引言
5.2 电流密度和欧姆定律
5.3 电动势和基尔霍夫电压定律
5.4 连续性方程和基尔霍夫电流定律
5.5 功耗和焦耳定律
5.6 电流密度的边界条件
5.7 电阻的计算
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第6章 静磁场
6.1 引言
6.2 真空中静磁学的基本公理
6.3 矢量磁位
6.4 毕奥-萨伐定律及应用
6.5 磁偶极子
6.6 磁化强度和等效电流密度
6.7 磁场强度和相对磁导率
6.8 磁路
6.9 磁性材料的性质
6.10 静磁场的边界条件
6.11 电感和电感器
6.12 磁能
6.13 磁场力和磁转矩
6.13.1 霍尔效应
6.13.2 载流导体上的磁场力和磁转矩
6.13.3 用存储的磁能表示磁场力和磁转矩
6.13.4 用互感表示磁场力和磁转矩
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第7章 时变电磁场和麦克斯韦方程
7.1 引言
7.2 法拉第电磁感应定律
7.2.1 时变磁场中的静止回路
7.2.2 变压器
7.2.3 静磁场中的运动导体
7.2.4 时变磁场中的运动回路
7.3 麦克斯韦方程
7.4 位函数
7.5 电磁边界条件
7.5.1 两种无损耗线性媒质之间的分界面
7.5.2 电介质和理想导体之间的分界面
7.6 波动方程及其解
7.6.1 位函数的波动方程的解
7.6.2 无源波动方程
7.7 时谐场
7.7.1 相量的应用
7.7.2 时谐电磁学
7.7.3 简单媒质中的无源场
7.7.4 电磁波谱
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第8章 平面电磁波
8.1 引言
8.2 无损耗媒质中的平面波
8.2.1 多普勒效应
8.2.2 横电磁波
8.2.3 平面波的极化
8.3 损耗媒质中的平面波
8.3.1 低损耗电介质
8.3.2 良导体
8.3.3 电离气体
8.4 群速
8.5 电磁能流和坡印廷矢量
8.6 导体平面边界的垂直入射
8.7 导体平面边界的斜入射
8.7.1 垂直极化
8.7.2 平行极化
8.8 电介质平面边界上的垂直入射
8.9 多层电介质分界面上的垂直入射
8.9.1 总场的波阻抗
8.9.2 用多层电介质作阻抗变换
8.10 电介质平面边界上的斜入射
8.10.1 全反射
8.10.2 垂直极化
8.10.3 平行极化
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第9章 传输线理论及应用
9.1 引言
9.2 沿平行板传输线的横电磁波
9.2.1 有损平行板传输线
9.2.2 微带线
9.3 一般的传输线方程
9.3.1 无限长传输线上波的特性
9.3.2 传输线参数
9.3.3 功率关系导出的衰减常数
9.4 有限长传输线上波的特性
9.4.1 传输线用作电路元件
9.4.2 电阻性终端的传输线
9.4.3 任意终端的传输线
9.4.4 传输线电路
9.5 传输线的瞬态
9.5.1 反射图
9.5.2 脉冲激励
9.5.3 初始充电传输线
9.5.4 电抗负载传输线
9.6 史密斯圆图
9.7 传输线阻抗匹配
9.7.1 四分之一波长变换器作阻抗匹配
9.7.2 单短截线匹配
9.7.3 双短截线匹配
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0章 波导和谐振腔
10.1 引言
10.2 波沿均匀波导的一般传输特性
10.2.1 横电磁波
10.2.2 横磁波
10.2.3 横电波
10.3 平行板波导
10.3.1 平行板间的tm波
10.3.2 平行板间的te波
10.3.3 能量传输速度
10.3.4 平行板波导中的衰减
10.4 矩形波导
10.4.1 矩形波导中的tm波
10.4.2 矩形波导中的te波
10.4.3 矩形波导中的衰减
10.4.4 矩形波导中的不连续性
10.5 圆波导
10.5.1 贝塞尔微分方程和贝塞尔函数
10.5.2 圆波导中的tm波
10.5.3 圆波导中的te波
10.6 介质波导
10.6.1 沿介质板传播的tm波
10.6.2 沿介质板传播的te波
10.6.3 关于介质波导的补充信息
10.7 谐振腔
10.7.1 矩形谐振腔
10.7.2 谐振腔的品质因数
10.7.3 圆形谐振腔
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1章 天线和辐射系统
11.1 引言
11.2 基本偶极子的辐射场
11.2.1 基本电偶极子
11.2.2 基本磁偶极子
11.3 天线方向图和天线参数
11.4 细直线天线
11.4.1 半波偶极子
11.4.2 有效天线长度
11.5 天线阵
11.5.1 二元阵
11.5.2 一般的均匀直线阵
11.6 接收天线
11.6.1 内部阻抗和方向图
11.6.2 有效面积
11.6.3 反向散射横截面
11.7 发送-接收系统
11.7.1 佛利斯传输定理和雷达方程
11.7.2 近地面的波传播
11.8 一些其他类型的天线
11.8.1 行波天线
11.8.2 螺旋天线
11.8.3 八木天线
11.8.4 宽带天线
11.9 孔径辐射器
参考文献
复习题
习题

附录a 符号和单位
a.1 基本的国际单位制（或有理制mksa）单位
a.2 导出单位
a.3 单位的倍数和约数
附录b 一些有用材料的常数
b.1 真空中的常数
b.2 电子和质子的物理常数
b.3 相对介电常数
b.4 电导率
b.5 相对磁导率
附录c 表格索引
习题答案
术语
一些常用矢量恒等式
梯度、散度、旋度以及拉普拉斯运算
柱坐标（r，φ，z）
球坐标（r，θ，φ）
总的参考文献

第l章电磁模型

    电磁学可以简单地表述为研究静止电荷和运动电荷效应的学科。从基础物理学中，我们知道存在两种电荷：正电荷和负电荷。这两种电荷都是电场的源。运动电荷形成电流，电流产生磁场。这里，先宏观地论述电场和磁场；之后再对这些术语给予确切的定义。场是一个空间分布的量，可以是时间的函数也可以不是。时变电场伴随时变磁场，反之亦然。换句话说，时变电场和时变磁场是成对出现的，从而形成电磁场。在某些条件下，时变电磁场将产生电磁波，该波从场源辐射出去。

    在解释远距离的作用时，场和波的概念是必不可少的。例如，从基础力学中得知物体会互相吸引，这就是为什么物体会掉在地面上的原因。但是既然没有弹性绳将自由落下的物体和地面连接，那我们又怎么解释这种现象呢?通过假设重力场的存在，可解释这种距离作用的现象。卫星通信的可能性以及从几百万英里远处空间探测器传来接收信号的可能性，只能通过电磁场以及电磁波的存在来解释。在《电磁场和电磁波》这本书中，我们将研究解释电磁现象的电磁学定律的原理及应用。

    对于物理学家、电气和计算机工程师而言，电磁学至关重要。在理解核粒子加速器、阴极射线示波器、雷达、卫星通信、电视接收、遥感、无线电天文学、微波设备、光纤通信、传输线中的暂态、电磁兼容问题、仪器导航着陆系统、机电能量转换等的原理时，电磁理论是必不可少的。电路概念是电磁概念的一个特例。正如第7章所见，当场源的频率非常低以至于导体网络的尺寸比波长小很多时，我们应用准静态条件，可以将电磁问题简化为电路问题。然而，必须指出电路理论本身是一门非常完善、成熟的学科。电路理论应用于各种不同的电气工程问题中，并且其本身就很重要。

    以下两种情况说明了电路理论概念的不足以及电磁场概念的需要。图1一l描绘了一种手提无线电话机上的单极天线。在发射端，基底的源将携带信息的电流馈给天线，采用合适的载频发射。从电路理论的观点来看，源给一个开路馈电，因为天线的上部尖端没有连接任何东西，因此没有电流流过，而且没有任何事情发生。当然，这个观点不能解释为什么在远距离的两个手提无线电话之间可建立通信。这就必须用到电磁概念。第11章将看到，当天线的长度是载波波长可估计的一部分时q)，不均匀的电流会沿着末端开口的天线流动。这个电流会在空间发射出一个时变电磁场，这个电磁场作为电磁波传播，而且在远处

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