电磁场与电磁波基础（第2版）.pdf

电子信息与电气学科规划教材电子电气基础课程 电磁场与电磁波基础(第 2 版)刘 岚 黄秋元 程 莉 胡耀祖 编著 内 容 简 介 本书是按照电子信息与电气类专业“电磁场与电磁波”课程教学的基本要求，本着深入浅出、通俗易学的原则而编写的。为了更适合于电子信息与电气类专业学生的学习，本书在给出了“场”的基本方程和一般概念与分析方法后，重点着墨于“波”的基本特性与传播过程分析。本书共分 11 章，主要内容包括：矢量分析与场论，电场、磁场与麦克斯韦方程，介质中的麦克斯韦方程，矢量位与标量位，静态场的解，自由空间中的电磁波，非导电介质中的电磁波，导电介质中的电磁波，波的反射与折射，等等。本书最后对电磁波的导引和辐射进行了简要的介绍。每章之后均附有本章小结和丰富的习题，书末附有大部分习题参考答案。本书可作为普通高等院校通信工程、电子信息工程、电子科学与技术、自动化、电气工程及其自动化等专业的本科生教材，也可供从事“电磁场与电磁波”方向的工程技术人员参考。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 电磁场与电磁波基础刘岚等编著2 版北京：电子工业出版社，2010.7 电子信息与电气学科规划教材电子电气基础教程 ISBN 978-7-121-11188-4 电 刘 电磁场高等学校教材电磁波高等学校教材 O441.4 中国版本图书馆 CIP 数据核字(2010)第 119664 号 策划编辑：段丹辉 责任编辑：段丹辉 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：7871092 1/16 印张：18.5 字数：498 千字 印 次：2010 年 7 月第 1 次印刷 印 数：4000 册 定价：32.00 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 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：(010)88258888。III 前 言 电磁场与电磁波理论是近代自然科学中，理论相对最完整、应用最广泛的支柱学科之一。电磁场与电磁波技术已遍及人类的科学技术、政治、经济、军事、文化及日常生活的各个领域。目前，“电磁场与电磁波”是电子信息与电气类专业学生必修的一门重要的专业基础课程，它所涉及的内容是电子信息与电气类专业学生知识结构的必要组成部分。通过该课程的学习，可使学生在建立场与路的统一认识的基础上，从集总参数电路理论过渡到分布参数的高频电路理论，为学习半导体技术、光电子技术、微波技术、天线理论、光纤通信、移动通信等专业课程或从事电磁工程研究奠定必要的基础。尤其是在当今光电子与信息技术高速发展的时代，不断升高的工作频率或信号速率成为了电子产品开发中不可忽视的技术前提，这时许多技术问题用集总参数电路的理论已难以解决，而必须使用场和波的观点才能得到完整的解释，电磁技术成为了光电子产品性能的决定因素。在光电子与通信领域中，不管是光还是电子、有线通信还是无线通信、数字通信还是模拟通信，在频率较高或信号速率较高时，其信号在信道中的传输与处理过程都离不开电磁场与电磁波的理论知识。但是，由严密的数学推证、精确的实验和科学的抽象所构成的电磁场与电磁波理论却实在是一门既难教又难学的课程，它在数学方法和物理概念不断相互交融中所表现出来的轮廓和内涵，常常会令人感到望而生畏，从而使学生难以提高学习兴趣。数年来，我们一直希望能出版一本既通俗易学，又重点突出的教材，这里要突出的重点就是与电气信息类专业较为密切的电磁波学。虽然，电磁场与电磁波密不可分，但是在给出场的基本概念后，我们希望能围绕着波的理论进行较为广泛和深入的探讨，本书就是在这样的指导思想下编写的。2006 年，我们出版了本书的第一版，通过几年的使用，发现了一些问题，同时也积累了一些经验，希望这次修订能够弥补不足，使本书的质量得到进一步的提升。本书在这次修订过程中融入了如下的考虑：(1)在学生已有的理论基础上由浅入深展开教学，强调基础，重视基本概念，并及时总结，让学生感到经过努力，能够掌握所学内容，从而增强学生的学习信心；(2)从各个不同角度反复强调基本理论和计算公式的适用条件，帮助学生建立清晰的物理概念，并培养学生良好的科学习惯，避免学生盲目套用公式；(3)处处以麦克斯韦方程组这一描述宏观电磁现象的基本理论为指导，对一些宏观电磁现象和问题进行定性分析与定量计算，培养学生正确的思维方法和分析问题的方法，提高学生运用理论解决实际问题的能力；(4)帮助学生掌握“类比”这一科学的分析方法，使学生不断巩固所学内容，缩短新内容的学习过程；(5)在内容编排中，既有从特殊到一般的归纳方法，又有从一般到特殊的演绎方法，既能使学生易于接受新内容，又能培养学生的抽象思维能力；(6)紧跟时代步伐，调整教学内容，使学生看到科学技术的不断发展，产生努力学习的紧迫感。IV 本书的编写借助了国内外优秀教材的成功之处，以及编者在教学和研究方面所积累的经验。本书有如下特点：(1)以场的理论为基础进行分析，以波的特性为重点展开论述；(2)采用不同的论述体系。从力的类比入手引入场，从大学物理的基础导出电磁场与电磁波的基本理论和基本方程；(3)强调并引入位函数，同时以静态场为例介绍位场的求解方法；(4)在不同的介质条件下反复分析场与波的基本规律；(5)结合工程实际情况，对波的产生、导波及辐射进行分析讨论。本书共分 11 章，主要内容包括：矢量分析与场论，电场、磁场与麦克斯韦方程，介质中的麦克斯韦方程，矢量位与标量位，静态场的解，自由空间中的电磁波，非导电介质中的电磁波，导电介质中的电磁波，波的反射与折射，导行电磁波，辐射系统，等等。本书最后对电磁波的导引和辐射进行了简要的介绍。每章之后均附有小结和习题，书末附有大部分习题答案。本书适用于 4864 教学学时，任课教师可根据具体情况决定内容舍取。为方便教师教学和读者自学，本书配有免费电子教学课件，可登录华信教育资源网()免费注册下载或发送电子邮件至向本书的责任编辑索取。此外，为选用本书作为教材的任课老师免费提供课后习题的详细解题过程。欢迎任课教师及时反馈授课心得和建议。本书由武汉理工大学刘岚教授负责统稿。其中，第 69 章和第 11 章由刘岚编写，第 1 章和第 5 章由黄秋元编写，第 24 章由程莉编写，第 10 章由胡耀祖编写。本书承华中科技大学杨晓非教授主审，并经武汉大学胡钋教授审阅，他们提出了不少有益的建议和宝贵意见，在此一并表示诚挚的感谢。限于编者的水平和经验，书中难免存在错误和不妥之处，敬请广大读者批评指正。作者的联系方式：。编 者 2010 年 6 月于武汉 V 本书符号说明 a 半径(m)A 面积(m2)a 任意矢量 A 矢量位(Wb/m，韦伯每米)b 直径(m)b 任意矢量 B 磁场矢量(T，特斯拉)；磁感应强度矢量；磁通密度矢量 B0 恒定磁场矢量 0B 反射波中的恒定磁场矢量 0B 透射波中的恒定磁场矢量 c 自由空间中的光速 C 电容(F，法拉第)；任意标量 c 任意矢量 D 电位移矢量(C/m2)或称为电通量密度矢量 E 电动势 Ee 电源的电动势 ex x轴方向的单位矢量 ey y轴方向的单位矢量 ez z轴方向的单位矢量 er r增量方向的单位矢量 e 增量方向的单位矢量 e 增量方向的单位矢量 ne 法线方向的单位矢量 E 电场矢量(V/m)E0 恒定电场矢量 0E 反射波中的恒定电场矢量 0E 透射波中的恒定电场矢量 f 频率(Hz)；可变函数 fc 截止频率；极限频率(Hz)F 力矢量(N，牛顿)VI(续)g 天线增益；可变函数 H 磁场强度矢量(A/m)i 1 I 电流(A，安培)J 电流密度矢量(A/m2)Jf 自由电流密度矢量(A/m2)Jb 极化电流密度(A/m2)Jc 传导电流密度矢量(A/m2)Jv 运流电流密度矢量(A/m2)Jd 位移电流密度矢量(A/m2)Jm 磁化介质中的电流密度(A/m2)JJ 雅可比行列式 k 传播常数 xk 传播矢量的x分量 yk 传播矢量的y分量 zk 传播矢量的z分量 k 传播矢量(幅值为K)k 反射波的传播矢量 k 透射波的传播矢量 wK 行波系数 l 电偶极子的长度(m)L 自由电荷的位移(m)m 电荷q的质量(kg)；整数 M 单位体积介质的磁化强度(A/m)n 折射率；整数 nI 折射率的虚部 nr 折射率的实部 N 介质的每单位体积中分子、原子或电荷的数量 pe 电偶极矩(Cm)pm 磁偶极矩(Cm)P 每单位体积的电极化强度(C/m2)q 电荷(C)Q 电荷的总量(C)VII(续)Rr 天线的辐射电阻()r 从参考原点到场点的矢量(m)rp 从参考原点到电荷点的矢量 pr 从参考原点到延迟电荷位置的矢量 R 从电荷位置到场点的矢量 R 从延迟电荷位置到场点的矢量 pR pprr，从延迟电荷到当前电荷或电流位置的矢量 R 电阻；反射系数/R 平行极化波的电场反射系数 R 垂直极化波的电场反射系数 S 表面积(m2)wS 驻波系数(VSWR)avS 熵J/(kmol)；平均坡印廷矢量(W/m2)S 坡印廷矢量(W/m2)enS 电磁能量密度(J/m3)enS 平均电磁能量密度(J/m3)t 时间(s，秒)t 延迟时间(s，秒)T 温度(K，开尔文)Tc 居里温度/T 平行极化波的电场折射系数 T 垂直极化波的电场折射系数 u 能量(J)；标量 U 电压(V，伏特)；每单位体积的能量(J/m3)v 速度；电磁波的相速(m/s)vp 电磁波的相速(m/s)ven 电磁波的能量速度(m/s)v 电荷的延迟速度(m/s)V 体积(m3)W 功率(W，瓦特)0W 天线或自由电荷辐射的功率 0W 束缚电荷辐射的功率 iW 平面电磁波每单位面积上的功率,x X 笛卡儿坐标系 VIII(续),y Y 笛卡儿坐标系,z Z 笛卡儿坐标系,x y z 移动电荷的延迟坐标 p 分子或原子的极化率(alpha)衰减系数(beta)任意常数；相位系数(gamma)电导率(S/m)(gamma)闭合曲线；传播系数(delta)渗透深度(m)(epsilon)介电系数 r 介质的相对介电系数 0 自由空间的绝对介电系数，120 8.85 10F/m(theta)角度(lambda)波长(m)m(chi)磁化率(mu)磁导率(H/m)r 介质的相对磁导率 0 自由空间的磁导率，70410=H/m(pai)3.14(rho)电荷体密度(C/m3)；电压反射系数(sigma)表面电荷密度(C/m2)l 线电荷密度(C/m)S 自由电荷的散射截面(m2)；面电荷密度 S 束缚电荷的散射截面(m2)(tau)衰减常数的倒数(phi)角度 电位、标量位(V)e 电通量 m 磁通量(omega)角频率(2f=)(omega)欧姆(psi)波函数(yita)本征阻抗 IX 目 录 第 1 章 矢量分析与场论 (1)1.1 矢量的表示和运算(1)1.1.1 矢量与标量(1)1.1.2 矢量的代数运算(2)1.1.3 标量场与矢量场(4)1.2 正交坐标系(4)1.2.1 正交坐标系的概念(4)1.2.2 笛卡儿坐标系(5)1.2.3 圆柱坐标系(6)1.2.4 球坐标系(7)1.2.5 三种坐标系中单位矢量之间的关系(8)1.3 矢量函数的通量与散度(10)1.3.1 矢量的通量(10)1.3.2 散度(12)1.3.3 高斯散度定理(14)1.4 矢量函数的环量与旋度(15)1.4.1 矢量的环量(16)1.4.2 矢量场的旋度(16)1.4.3 斯托克斯定理(20)1.5 标量函数的方向导数与梯度(21)1.5.1 标量场与等值面(21)1.5.2 方向导数(21)1.5.3 梯度(22)1.6 格林公式(25)1.7 亥姆霍兹定理 (26)1.7.1 散度和旋度的比较(26)1.7.2 亥姆霍兹定理(26)1.8 矢量场的分类