电磁理论前沿探索札记.pdf

电磁理论前沿探索札记 梁昌洪 陈 曦 著 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 本书是作者几十年教学实践所总结出的 18 篇电磁理论系列札记，加上 1 篇思考和 1 篇札记教学，共计 20 篇。全书内容涵盖广泛，从静电场自作用能、广义电磁惯性到电磁对称，从提出问题、讨论问题到最后提升为电磁理论之美。书中突出了电磁理论的思想、概念、方法和工程应用。札记代表作者和广大电磁工作者一种平等、推心置腹的交流，坦诚地表白作者遇到的难点、疑点，并对电磁理论的发展提出基本看法；札记又是作者向广大青年教师坦露的学习体会与教训，其中答问录更是直言心声，互动交底；札记更是广大研究生、本专科学生的一本很好的学习参考和示范书。本书适合作为高等学校电子信息、通信专业的广大教师、研究生和本专科学生的教学参考书，也可供工程技术人员参考。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 电磁理论前沿探索札记/梁昌洪，陈曦著 北京：电子工业出版社，20127 ISBN 978-7-121-17705-7 电 梁 陈 电磁理论-文集 O441-53 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2012）第 168081 号 策划编辑：王春宁 责任编辑：曲 昕 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：787980 1/16 印张：205 字数：400 千字 印 次：2012 年 7 月第 1 次印刷 定 价：7800 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 zltspheicomcn，盗版侵权举报请发邮件至 dbqqpheicomcn。服务热线：（010）88258888。中国科学院院士黄宏嘉为本书题诗 电磁理论 迅猛发展 涉及领域 深广无边 大容宇宙 细至极端 昌洪教授 学术渊源 新书付梓 探索前沿 学无止境 先睹为欢 为梁昌洪教授所著电磁理论前沿探索扎记书此短句 2012 年 4 月 作者传略 梁昌洪，1943 年 12 月生于上海。1962 年加入中国共产党。1965 年本科毕业于西安军事电信工程学院物理系微波专业。1967 年 7 月于西安军事电信工程学院物理系天线专业研究生肄业，留校任教，1978 年定职为讲师。1980 年 8 月至 1982 年 8 月在美国纽约州 Syracuse 大学做访问学者。梁昌洪教授是 IEEE senior member，1984 年 9 月被遴选为中国电子学会高级会员（现改为会士），1986 年 5 月破格晋升为教授，1986 年 7 月被批准为博士生指导教师。1989 年成为中国电子学会微波学会副主任委员，1989 年 1 月任西安电子科技大学副校长，1992 年至 2002 年，任西安电子科技大学校长。梁昌洪教授长期从事微波和电磁领域的系列研究，四十多年来，他在微波和电磁领域取得了一系列创新性的成果，在铁氧体移相器、孔耦合理论、网络系统分析和电磁场数值计算等方面都有独到的研究，特别是在计算微波、非线性电磁学、微波网络理论方面的研究尤为突出。先后获得省部级科技成果奖十余项，在国内外学术期刊上发表主要论文 300 余篇，已出版微波网络及其应用、从测量数据谈起、计算微波及其典藏版、孤立子理论及其应用、简明微波、话说极限、话说对称、矢算场论札记、复变函数札记、科学随想录、科学漫谈录专著 11 部，无坐标法译著 1部。其中百万字著作简明微波，获 2011 年陕西省高校优秀教材一等奖，从使用到出版历时 12 年，在师生中获得了很好的使用效果，为广大学生所接受，现已被多个院校选为教材或专业参考书，如上海交通大学、华南理工大学、杭州电子科技大学等；实地教学录像约 45 小时，在网上广泛使用，并获得师生一致好评。梁昌洪教授在国内最早提出计算微波概念，初步建立了计算微波理论，建立了微波宽带耦合器定向 CAD 方法，解决了 Landstofer 弯曲天线阵列最优化问题。在国内最早推动了非线性电磁学和有耗电磁学的研究，建立了国内第一套电磁孤子实验系统。梁昌洪教授承担和完成了多项重大工程项目，许多项目已完成型号鉴定，应用于实 I 践。其中，孔耦合系列研究获 1984 年电子部科技进步一等奖，舰用 381 相控阵雷达获1984 年电子部科技成果一等奖，矩量法系列研究获 1987 年机电部科技成果二等奖，计算微波研究获 1989 年国家教委科技进步二等奖。梁昌洪教授治学严谨，为人师表，在担任校长期间，尽管行政工作繁忙，他仍一直坚持给本科生讲课。他常以鲁迅的话自勉：“时间就像海绵里的水，只要愿意挤，总还是有的”。他常说：“如果不想讲课，别说当校长，当个学院院长就可以不讲；你要是想讲，当什么都可以讲。做别的事情也是一样的道理！”梁昌洪教授所培养的博士生中已有 10 余位博导和 1 位长江学者奖励计划特聘教授。其本人 1985 年荣获全国人民教师奖章，1987 年获全国电子工业劳动模范，1988 年获国家有突出贡献专家，1991 年获全国优秀留学回国人员，1992 年获陕西省优秀党员专家，2003 年获首届国家级教学名师称号。他所讲授的“微波技术基础”课程被评为首届“国家精品课程”。梁昌洪教授表示：国内外多位顶级专家的著作，如 R F Harrington 的 正弦电磁场、矩量法，R E Collin 的导波场论，黄宏嘉的微波原理（、卷）等，都对他产生极大的影响与鞭策。前辈的工作是带有开创性的，而他则是学生辈，很多工作都是学习和体会前辈著作的结果，而且在今后还要继续学习。前 言 回顾我所写的书，其形成过程大致可分为两类：一类是有意识创作，如 1985 年版计算微波就属此种。1982 年留美归来，我特别想把大洋彼岸的新鲜空气微波与现代计算机和计算技术结合介绍过来，从而使国内在此领域更上高楼，于是全力以赴，写成此书。另一类则是偶有所发，而后则一发不可收拾，从而形成著作，本书当属此例。2008 年偶见有文献讨论静电场电荷系统的能量问题，认为应该包括两部分，即电荷之间的相互作用能和电荷系的固有能。很清楚，这里所述及的固有能即静电场的自作用能。实际上早在 70 年前，即 1940 年秋，著名美国物理学家 Feynman 就注意到电磁理论的主要问题是电子自作用能无限大的困难，这一困难是由于把电子描述成点粒子而造成的。Feynman 自己提出一个假定：电子不能对自己产生作用。经过艰苦的思考，以及和他的导师 Wheeler 反复讨论，终于写成了超距作用的经典理论作为物体阻尼抵制的吸收体反作用，并以两人联名发表于 1945 年的现代物理评论上。由此，我采用了极限数学方法证明了静电场的自作用能始终为零。通俗地说，正如“用力抓住自己的头发离开地球是不可能实现的一件事！”遂成一文并投寄电气电子教学学报，承蒙编辑的大胆支持，不仅同意发表，而且从 2008 年开始我就成为该刊的“专栏作家”，到 2011 年历时 3 年，其间共发表札记 18 篇。因为说些真话，所以有些地方均已越过界限，甚至达到“胡言乱语”。当然作为问题的另一方面，这也使我能彻底“摘下面具”，提出自己学习和研究过程中的难点与疑点，坐下来与读者平等而推心置腹地讨论。应该承认，这正是当前国内不可多得的学术民主环境，它的产生与编辑们宽大的胸怀、高超的眼光密不可分。在此基础上进一步写出各篇的问答录，再加上 1 篇思考和 1篇札记教学，计 20 篇，这就是本书的形成过程。特别指出，札记所涵盖的内容极为广泛：从静电场自作用能、广义电磁惯性到电磁对称。其中，既有提出问题的 Fermat 原理之谜，又有深入讨论数学方法的电荷多极子和电流多极子，最后还有提炼总结的电磁理论之美。本书突出了电磁理论的思想、概念、III 方法和工程应用。坦率地说，完成一本书后作者最关心的是是否有读者？是否有价值？但是，静下心来反思，这将取决于两方面条件：一是作者的水平和努力程度；二是当前的环境和氛围。如此看来，这个问题还不能用短期的眼光去考察。回顾从 1980 年以来 30 多年的实际情景，十分令人深思：1980 年吴万春教授和我完成微波网络及其应用，正好遇到文革后 1978 年拨乱反正，压抑多年的广大青年（有的已应该算做中年）学生，个个摩拳擦掌，对于学习的饥渴性无与伦比。不仅反映在学校教学，而且作为我本人还收到大量要求参加学习和回答问题的信件，特别是当年 77班和 78 班学生的学习动力，至今依然历历在目。到 1988 年翻译美国陈惠青名著电磁波理论无坐标法时，情况已有很大不同。我经常说中国的环境大致是 10 年一个变化。当时学术已成为次要兴趣，加之此书曲高和寡，其情况与微波网络及其应用（1980）和计算微波（1985）已不能同日而语。再到 2006 年出版简明微波，这时社会上的经济规则已相当直白。只要做一件事必然有人会问：能否赚钱？赚多少钱？因此，尽管这本书对于宽广的专业均有较好的参考价值，但因为不能与赚钱直接挂钩，于是也只能隅于一角。根据这一思路推断，显然不能对这本札记的期望值过高，它至多是一件文化商品，正如著名电视主持人白岩松所发现的一个规则一本新华字典的售价在任何时期都与 1 斤猪肉的价格极为接近。我所能期望的是随着时间的变迁，学术和文化终将又成为人们追踪的热点。特别指出，优秀的青年学者陈曦为本书作出很多贡献。札记一 静电场的自作用能 0 引言/1 1 静电场的自作用能/2 11 222aaa均匀电荷分布立方体的静电总自作用能/3 12 体积为V的任意形状电荷系统的静电总自作用能/4 2 场计算法和源计算法/5 21 场求解法/5 22 源计算法/6 3 结语/8 答问录/8 推荐人物/10 附录/12 参考文献/16 札记二 时谐场和复数场的对应研究 0 引言/17 1 时谐场一次量的复数场表示/18 11 实部表示准则/18 12 微积分准则/18 13 本构算子准则/18 2 时谐场的二次量与复数场表示/19 3 三个主要定理/21 31 能量Poynting定理/21 32 无耗单口系统的Foster定理/22 33 Lorentz互易定理/22 4 结语/23 答问录/23 推荐人物/25 参考文献/27 札记三 静电场与恒定电流场的转化与统一 0 引言/28 1 两种场的转化和统一/29 2 Poynting矢量S佯谬/31 3 结语/32 答问录/33 推荐人物/36 参考文献/37 札记四 电荷多极子和电流多极子 0 引言/38 1 ()f R的广义Taylor展开/38 2 电荷多极子/39 3 多极子的矩阵表示/42 4 电流多极子/43 5 相对论中四维电流多极子/46 6 结语/46 答问录/46 推荐人物/50 参考文献/51 I 目 录札记五 电磁波极化及其应用 0 引言/52 1 椭圆极化波/52 2 极化转换和矩阵表示/58 3 极化的工程应用/61 4 结语/62 答问录/62 推荐人物/64 参考文献/64 札记六 电荷守恒和电流守恒 0 引言/65 1 电荷守恒/66 2 电流守恒/68 3 电流电荷守恒/69 4 应用实例/69 5 结语/70 答问录/71 推荐人物/75 附录/77 参考文献/78 札记七 电磁互易对称性和无耗对称性 0 引言/79 1 Lorentz互易对称性/80 2 厄密（Hermite）无耗对称性/82 3 网络型Foster定理，广义惯性/85 4 电磁互易对称性和无耗对称性/86 5 结语/88 答问录/88 II 推荐人物/92 参考文献/94 札记八 电磁对称和对称算子 0 引言/95 1 二次型对称/95 2 一次型对称/100 3 辛内积和电磁辛正交/101 4 结语/102 答问录/102 推荐人物/104 参考文献/106 札记九 平面镜像法与有