Fundamentals Of Electromagnetics 2 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Morgan & Claypool

作者:Voltmer, David/ Balanis, Constantine (EDT)

出品人:

页数:100

译者:

出版时间:

价格:309.00 元

装帧:Pap

isbn号码:9781598291728

丛书系列:

图书标签:

• Electromagnetics
• Electromagnetic Field Theory
• Maxwell's Equations
• Transmission Lines
• Wave Propagation
• Antennas
• Electromagnetic Compatibility
• Microwave Engineering
• Engineering Electromagnetics
• Physics

电磁场与电磁波理论：现代工程与物理学之基石 本书旨在为读者提供一个全面、深入且注重实际应用的电磁场与电磁波理论的导论。 鉴于现代工程学、通信技术、能源系统乃至基础物理研究对电磁现象的深刻依赖，本书力求构建坚实的理论框架，并辅以大量的实例和应用说明，确保读者不仅掌握数学工具，更能理解物理直觉。本书内容涵盖了从静电场、静磁场的基本定律出发，逐步过渡到时变电磁场及其在空间中传播的波动现象。 --- 第一部分：静电场与介质（The Realm of Electrostatics） 本部分聚焦于电荷在静止状态下产生的场，这是理解所有电磁现象的起点。我们将从最基本的库仑定律（Coulomb's Law）和电荷守恒原理出发，建立起描述电场强度的数学基础。 第一章：静电场的描述与基础定律 电荷与电荷密度： 详细阐述离散电荷、线电荷密度、面电荷密度和体电荷密度在不同坐标系下的表示方法。 电场强度（E）与电位移矢量（D）： 引入电场强度 $mathbf{E}$ 作为力的直接度量，并解释电位移矢量 $mathbf{D}$ 在存在介质时的重要性。 高斯定律在积分形式与微分形式下的应用： 这是静电学的核心。我们将展示如何利用高斯定律简化具有高度对称性的问题（如无限平面、同轴电缆、球形电荷分布）的场强计算。微分形式 ($ abla cdot mathbf{D} = ho_v$) 则作为麦克斯韦方程组的第一个基础方程出现。 第二章：静电场的能量、势能与导体 电势（V）与梯度关系： 定义标量电势 $V$ 并确立其与电场强度之间的梯度关系 ($mathbf{E} = - abla V$)。这极大地简化了电场分析的复杂性。 等势面： 阐述等势面的几何特性及其在场分析中的实际意义。 电场的能量密度与总储能： 导出行域中储存的静电能量密度公式 $frac{1}{2}mathbf{D} cdot mathbf{E}$，并讨论如何计算电容器中的总储能。 静电学中的导体特性： 深入探讨导体在静电平衡状态下的关键性质，如导体内部场强为零、净电荷分布在导体表面、以及导体表面的电场与表面电荷密度之间的关系。 第三章：静电场中的介质与边界条件 电极化现象： 引入电介质的概念，详细分析电场作用下介质内部的分子极化过程，推导电极化强度 $mathbf{P}$。 电介质本构关系： 建立 $mathbf{D}$、$mathbf{E}$ 和 $mathbf{P}$ 之间的线性关系，引入相对介电常数 $epsilon_r$ 和绝对介电常数 $epsilon$。 静电边界条件： 在两种不同介质的交界面上，推导出电场强度 $mathbf{E}$ 的切向分量和电位移矢量 $mathbf{D}$ 的法向分量必须满足的连续性或跳变条件。这些条件是分析复合结构（如多层电缆、绝缘体封装）的关键。 --- 第二部分：静磁场与磁介质（The World of Magnetostatics） 本部分将视角从静止的电荷转向稳恒的电流，分析由稳定电流产生的磁场。 第四章：稳恒电流与磁场定律 电流密度（J）与欧姆定律： 引入电流密度 $mathbf{J}$ 来描述电流的体分布，并复习稳恒电流条件下的欧姆定律 $mathbf{J} = sigma mathbf{E}$。 毕奥-萨伐尔定律（Biot-Savart Law）： 作为静磁场的积分基本定律，用于计算由任意形状的电流元产生的磁感应强度 $mathbf{B}$。通过该定律计算直导线、圆线圈和螺线管产生的磁场。 安培环路定律（Ampère's Circuital Law）的积分形式： 阐述 $oint_L mathbf{H} cdot dmathbf{l} = I_{enc}$，并展示其在对称情况下的应用（如无限长导线、无限长螺线管）。 第五章：磁场强度（H）与磁介质 磁感应强度（B）与磁场强度（H）： 解释 $mathbf{B}$ 是测量磁场效应的基本量，而 $mathbf{H}$ 则用于简化存在磁介质时的计算。 磁介质的磁化： 探讨磁场如何引起物质的磁化（抗磁性、顺磁性、铁磁性），引入磁化强度 $mathbf{M}$。 磁介质本构关系： 建立 $mathbf{B}$ 与 $mathbf{H}$ 的关系，引入相对磁导率 $mu_r$ 和绝对磁导率为 $mu = mu_r mu_0$。 静磁场的能量与磁偶极子： 导出磁场能量密度 $frac{1}{2}mathbf{B} cdot mathbf{H}$，并分析载流回路产生的磁偶极矩及其在外部磁场中的势能。 第六章：磁标势与静磁边界条件 磁标势（Magnetic Scalar Potential, $V_m$）： 在无磁介质或均匀磁介质区域，利用 $mathbf{H} = - abla V_m$ 将矢量分析转化为标量分析，进一步简化计算。 安培环路定律的微分形式： $ abla imes mathbf{H} = mathbf{J}$，这是麦克斯韦方程组中的第二个关键方程。 磁场边界条件： 导出在两种不同磁介质界面上，磁场强度 $mathbf{H}$ 的切向分量和磁感应强度 $mathbf{B}$ 的法向分量需要满足的连续性或跳变条件。 --- 第三部分：时变场、法拉第定律与麦克斯韦方程组（Time-Varying Fields） 本部分是连接静电学、静磁学与电磁波理论的桥梁，引入时间变量，探讨电场和磁场的相互激发。 第七章：法拉第电磁感应定律与互感 法拉第定律（Faraday's Law of Induction）： 详细阐述感应电动势的产生机制，给出其积分形式 $mathcal{E} = -frac{dPhi_B}{dt}$。 动生电动势与变压器电动势： 区分由于导体运动（动生）和磁通量变化（变压器）产生的电动势，并用洛伦兹力定律进行推导。 麦克斯韦-法拉第方程： 将法拉第定律表达为微分形式 $ abla imes mathbf{E} = -frac{partial mathbf{B}}{partial t}$，这是电磁波传播的必要条件。 互感与自感： 分析互感 $M$ 和自感 $L$ 在电路理论中的应用，并计算简单几何结构（如螺线管）的自感系数。 第八章：麦克斯韦方程组的完整形式与位移电流 位移电流的必要性： 讨论经典安培定律在非稳恒情况下的缺陷，并引入爱因斯坦-麦克斯韦的位移电流概念 $mathbf{J}_D = frac{partial mathbf{D}}{partial t}$。 麦克斯韦方程组（全貌）： 整合高斯定律、安培-麦克斯韦定律、法拉第定律和电荷守恒定律，形成完整的四组偏微分方程组： 1. $ abla cdot mathbf{D} = ho_v$ 2. $ abla cdot mathbf{B} = 0$ 3. $ abla imes mathbf{E} = -frac{partial mathbf{B}}{partial t}$ 4. $ abla imes mathbf{H} = mathbf{J} + frac{partial mathbf{D}}{partial t}$ 物理意义的解析： 详细解析每一组方程在描述物理现象中的作用，强调电场和磁场不再是独立存在的，而是相互耦合、相互激励的动态系统。 --- 第四部分：电磁波的传播（Electromagnetic Wave Propagation） 基于完整的麦克斯韦方程组，本部分将推导出自由空间和介质中电磁场的波动方程，并分析波的特性。 第九章：波动方程的导出与自由空间波 齐次和非齐次波动方程： 通过对麦克斯韦方程组进行旋度运算，推导出描述电场和磁场在源（$ ho_v, mathbf{J}$）存在与否情况下传播的亥姆霍兹方程和波动方程。 自由空间平面波： 求解麦克斯韦方程组在无源、无损耗 ($ ho_v=0, mathbf{J}=0, sigma=0$) 空间中的解。 证明 $mathbf{E}$ 和 $mathbf{B}$ 场是相互垂直的、与传播方向垂直的横波。 推导出波速 $c = 1/sqrt{mu_0 epsilon_0}$ 与电磁常数的关系。 建立 $mathbf{E}$ 场与 $mathbf{B}$ 场之间的幅值关系 $|mathbf{E}| = c |mathbf{B}|$. 坡印廷矢量（Poynting Vector）： 定义 $mathbf{S} = mathbf{E} imes mathbf{H}$ 作为电磁能量流密度的瞬时矢量，并推导出其散度方程，即能量守恒定律在场论中的体现。计算自由空间中的平均功率密度。 第十章：导波与传输线基础（聚焦于理想情况） 导体的特性与理想电导体（PEC）： 阐述理想导体对电磁波的完全反射特性。在理想导体表面，电场的切向分量和磁场的法向分量必须为零。 平面波在理想导体上的反射： 分析垂直极化波（TE）和水平极化波（TM）分别射向理想导体平面时的反射特性，推导反射系数和驻波比。 传输线模型概述： 虽然本书侧重于场理论，但简要引入传输线（如平行板传输线）的概念，阐述其低频近似与高频场理论的联系，强调传输线是场论在特定约束下的工程实现。 --- 总结与展望 本书结构设计遵循从静态到动态、从基础到复杂的逻辑，确保读者对电磁场理论的掌握是渐进和稳固的。对静电场和静磁场的深入理解是掌握麦克斯韦方程组和电磁波传播的先决条件。本书提供的理论工具和分析方法，是进行现代通信、射频工程、光学以及电磁兼容性（EMC）分析的必备基础。

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