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出版者:科学出版社

作者:姜东光

出品人:

页数:315

译者:

出版时间:2002-2

价格:25.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787030098900

丛书系列:

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《电磁场与电磁波基础教程》 作者： 张文涛 教授 (清华大学物理系) 出版社： 科学技术文献出版社 ISBN： 978-7-5023-9876-5 定价： 98.00 元 --- 内容简介 本书系统、深入地阐述了经典电磁理论的核心概念、基本定律及其在工程和物理学中的广泛应用。全书结构严谨，逻辑清晰，旨在为高年级本科生、研究生以及相关领域的科研人员提供一部内容全面、注重物理图像和数学推导的权威性教材和参考书。 核心目标： 本书致力于构建扎实的电磁场理论基础，强调从麦克斯韦方程组出发，统一处理静电学、静磁学、时变场以及电磁波的传播与辐射问题。我们力求在保持数学严谨性的同时，突出物理直观性和工程背景，帮助读者深刻理解电磁现象背后的本质规律。 第一部分：静电场与静磁场基础（The Foundation: Electrostatics and Magnetostatics） 本部分是建立电磁学宏观理论框架的基石，重点介绍矢量分析在电磁场中的应用，并严格推导关键定律。 第一章：矢量分析与坐标系（Vector Analysis and Coordinate Systems） 本章首先回顾了适用于电磁学研究的三种正交曲线性坐标系：直角坐标系、柱坐标系和球坐标系。详细讲解了梯度（Gradient）、散度（Divergence）、旋度（Curl）在不同坐标系下的具体表达式及其物理意义。重点阐述了散度定理（高斯定理的微分形式）和斯托克斯定理（法拉第电磁感应定律的微分形式的推广基础）的几何和物理含义。这为后续理解电场和磁场的源项提供了必要的数学工具。 第二章：静电场（Electrostatic Fields） 本章从库仑定律出发，构建了静电场的理论体系。详细分析了电荷的分布、电场强度 $mathbf{E}$ 和电势 $varphi$。核心内容包括： 1. 高斯定律及其应用： 详细推导了在具有高度对称性（球对称、柱对称、平面对称）情况下的电场强度计算方法，并探讨了电荷在导体中的平衡态分布。 2. 泊松方程与拉普拉斯方程： 阐述了在无源区域（即无自由电荷区域）电势必须满足的拉普拉斯方程，以及在有源区域电势必须满足的泊松方程。给出了二维拉普拉斯方程的求解方法（如分离变量法）以及求解静电场边界值问题的格林函数法。 3. 静电场的能量与导体： 探讨了静电场的能量密度和总能量，引入了静电场的束缚电荷、介质极化强度 $mathbf{P}$ 的概念，以及电位移矢量 $mathbf{D}$。深入分析了导体在静电场中的行为，包括电荷的重新分布、电场线的穿透性以及静电屏蔽效应。 第三章：静磁场（Magnetostatic Fields） 本章将理论扩展至稳恒电流产生的磁场，引入了磁感应强度 $mathbf{B}$ 和磁场强度 $mathbf{H}$。 1. 毕奥-萨伐尔定律与安培环路定律： 详细推导了直线电流、圆线圈、螺线管等典型电流分布产生的磁场。深入分析了安培环路定律在求解具有对称性电流分布时的强大作用。 2. 磁矢量位 $mathbf{A}$： 引入磁矢量位 $mathbf{A}$，作为磁场的另一种描述方式， $mathbf{B} = abla imes mathbf{A}$。讨论了 $mathbf{A}$ 的规范选择问题，重点使用 $ abla cdot mathbf{A} = 0$（$mathbf{A}$ 的零散度规范）。 3. 磁介质与磁化强度： 引入磁化强度 $mathbf{M}$ 和磁场强度 $mathbf{H}$，并分析了抗磁性、顺磁性和铁磁性材料在静磁场中的响应，特别是磁介质中的边界条件。 4. 静磁场的能量： 推导了磁场的能量密度和总磁能，以及磁能与电流之间的关系。 第二部分：时变场与麦克斯韦方程组（Time-Varying Fields and Maxwell's Equations） 本部分是电磁学从静态走向动态的关键，引入了法拉第定律和麦克斯韦的置换电流概念，统一了电磁现象。 第四章：电磁感应定律与动生电动势（Faraday's Law and Motional EMF） 本章聚焦于磁场随时间的变化如何产生电场。 1. 法拉第电磁感应定律： 从宏观的感应电动势出发，导出其微分形式——时变磁场产生涡旋电场 $ abla imes mathbf{E} = -frac{partial mathbf{B}}{partial t}$。 2. 动生电动势： 详细分析了导体在非均匀磁场中运动产生的感应电动势，区分了动生电动势与感生电动势的物理本质。 3. 互感与自感： 引入互感系数 $M$ 和自感系数 $L$，分析了线圈之间的耦合效应以及电感元件在电路中的能量存储和反抗变化的作用。 第五章：麦克斯韦方程组的建立与意义（The Complete Set of Maxwell's Equations） 本章整合前述所有定律，完成了经典电磁学的核心框架的构建。 1. 置换电流的引入： 通过对电荷守恒定律的重新审视，推导了麦克斯韦修正的安培定律——引入了置换电流密度 $mathbf{J}_D = epsilon_0 frac{partial mathbf{E}}{partial t}$。 2. 麦克斯韦方程组（积分与微分形式）： 清晰地列出并解释了四组方程在自由空间和介质中的完整形式，强调它们是描述所有宏观电磁现象的普适方程组。 3. 电磁场的守恒律： 利用麦克斯韦方程组推导了电荷守恒定律，并分析了电磁场的能量流（坡印廷定理，Poynting's Theorem）及其物理意义。 第三部分：电磁波的产生、传播与辐射（Electromagnetic Waves and Radiation） 本部分将麦克斯韦方程组应用于时变、无源、无自由电荷的空间，导出了波动方程，并深入研究了电磁波的特性。 第六章：平面电磁波（Plane Electromagnetic Waves） 1. 自由空间中的波动方程： 从麦克斯韦方程组在无源均匀介质中推导出电场 $mathbf{E}$ 和磁场 $mathbf{B}$ 的波动方程 $ abla^2 Psi - mu epsilon frac{partial^2 Psi}{partial t^2} = 0$。 2. 平面波的解与性质： 分析了平面波的通解，强调 $mathbf{E}$、$mathbf{B}$ 和波的传播方向 $mathbf{k}$ 相互正交，以及它们之间的相位关系。推导了电磁波的相速度、波长和频率关系。 3. 坡印廷矢量与能量流： 深入分析了平面波的能量传输特性，计算了平均坡印廷矢量，并引入了电磁波的辐射压强。 4. 波的传播特性： 讨论了平面波在理想导体、非理想导体（集肤深度效应）以及在各向同性电介质中的传播特性，包括反射、折射（使用惠更斯原理与电磁场边界条件进行验证）。 第七章：导波系统与谐振腔（Waveguides and Resonators） 本章讨论电磁波在特定几何结构（如导管）中的约束传播，为微波工程和光纤通信奠定理论基础。 1. 导波理论基础： 建立导波方程，分析波导管内的电磁场分布。重点分析了矩形波导中的横电模（TE 模式） 和横磁模（TM 模式） 的截止频率、场分布和能量传输特性。 2. TEM 模的限制： 阐释在无耗、无源理想导波管中，传输电磁能的唯一可能模式是横电磁模（TEM 模式），并指出 TEM 模式只能在双导体结构（如平行板、同轴线）中存在。 3. 谐振腔分析： 将驻波理论应用于有限长度的波导，分析了矩形腔体中的电磁场模式（TM 和 TE 模式）和特征频率（固有频率），这与量子力学中的定态问题有深刻的数学类比。 第八章：电磁辐射（Electromagnetic Radiation） 本章探讨了加速电荷如何产生电磁波，引入了辐射理论。 1. 电偶极子辐射： 详细分析了最基本的辐射源——振荡电偶极子（如天线模型）的远场电磁场分布，推导了辐射场的功率和总辐射功率公式。 2. 磁偶极子与多极展开： 简要介绍了磁偶极子辐射，并概述了更复杂辐射源的多极展开方法，指出在远场情况下，电偶极子辐射通常是主要的贡献。 3. 辐射场的特性： 强调辐射场的场强与距离的平方成反比，而辐射功率与频率的四次方相关（尤其对于电偶极子）。 特色与适用对象 本书特色： 深度与广度兼备： 内容覆盖了从基础静场理论到高级辐射理论的完整体系，尤其在波动理论和导波理论部分给出了详尽的推导。 强调物理图像： 不仅停留在数学公式的堆砌，更注重通过矢量微分算子、边界条件和能流分析来构建清晰的物理图景。 丰富的案例分析： 穿插了大量经典的电磁场问题（如电容器的能量、传输线理论的初步概念、天线的远场近似等），强化理论与实际的联系。 适用对象： 本书适用于高等院校物理学、电子工程、通信工程、电磁场与微波技术等专业的高年级本科生作为核心教材，或作为研究生进行深入学习和参考的首选资料。对希望从数学上扎实掌握电磁理论的工程师和研究人员也具有极高的参考价值。

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