工程电磁场基础_王薪、刘冰、陆明宇_9787302612070

在内容编排上，采用以问题为导向的组织方式，依据矢量分析中的散度、旋度和波动方程等概念形成逻辑主线，分别针对电磁场和电磁波两个大的概念体系展开编写。前五章为矢量分析及静态场，着重建立场的概念体系，其核心问题是场源关系，即电场与磁场的散度和旋度源。围绕该核心问题，对电场、磁场的基本概念、基本特点、相关的边界条件，以及在此基础上求解典型的工程问题进行了阐述。后四章为时变电磁场与电磁波，着重建立波的概念体系，突出无源区域的电磁波作为亥姆霍兹方程的解这一关键点，以寻求不同边界条件下波动方程的求解作为问题导向。内容包括时变场的波动特性，均匀平面波在自由空间的传播、在媒质分界面上的反射、折射，以及波导结构中电磁波的传播模式和规律等等。主要读者对象为电类工程专业的本科学生，特别是适合开设电磁场理论双语课程的电子信息类高校学生。也可供一般的电子工程专业技术人员参考。

双语教学是我国高等教育适应全球化趋势，增强学生国际交流与竞争能力的一项重要措施。电磁场理论作为电子信息与电气学科最重要的专业基础课程之一，包含的概念、原理和方法在后续多个课程中都有重要的体现。开设电磁场理论双语课，让学生在学习专业知识的过程中同时积累和掌握中英文相关专业词汇和表达方式，对于学生将来从事相应的科研和技术工作十分有益。而据编者所知，国内尚没有专门针对电磁场双语教学的教材。国内已开设相关双语课程的高校多采用英美原版英文教材，存在与国内电磁场理论教学要求不一致等问题。本书是在笔者多年从事电磁场理论双语教学经验的基础上编写而成，在内容安排、章节分配、知识侧重点和讲解顺序上更适合于国内双语教学。
由于理论性强，对学生的数学基础和空间想象力要求较高，电磁场理论普遍被认为是学习难度最大的电类基础课程之一。这主要表现在课程的概念公式多、理论抽象、数学方法较为复杂，学生在学习过程中容易产生迷失感。针对这一问题，笔者尝试在教材内容编排上突出知识点之间的逻辑联系，围绕场和波这两个大的概念体系，分别以矢量场的亥姆霍兹定理和亥姆霍兹方程在不同条件下的典型解作为逻辑主线，形成各自的核心问题，通过核心问题将各个部分的知识点串联形成易于掌握的逻辑链条，以帮助学生理解每个知识点在整个电磁场基础理论中的位置与作用，便于在学习过程中形成课程知识体系。
前5章的矢量分析与静态场着重建立场的概念体系。从矢量分析的亥姆霍兹定理出发，将矢量场的散度和旋度作为场的概念体系的核心，突出场源关系这一核心问题，即电、磁场与其通量源和漩涡源的关系。亥姆霍兹定理表明任何一个矢量场均能通过其散度和旋度确定，因此，本书组织场的概念体系的逻辑链条为：首先由实验定律出发确定场的通量源和漩涡源，即微分形式的场源关系，然后通过矢量分析工具得出相应物理定律，即积分形式的场源关系，在此基础上再衍生出其他物理概念和方法。具体而言，介绍静电场时，从库仑定律和电场强度的概念出发，推导得出静电场的通量源与涡旋源，进而推导出高斯定律和静电场的无旋特性，引申出利用高斯定律和标量电位求解电场分布的方法。介绍恒定磁场时，从磁感应强度的概念和比奥萨法定律出发，推导得出恒定磁场的通量源与漩涡源，进而推导出安培环路定律和恒定磁场的无散特性，形成利用安培环路定律或者矢量磁位求解磁场分布的方法。静态和时变场的边界条件是场源关系在不连续媒质分界面上的特殊体现。静电场边值问题的求解方法则给出了实际情况下电荷分布未知时分析场源关系的数学工具及其理论依据。介质的极化和磁化现象以及导体在电场中的特性都反应了不同媒质的存在对场源关系的影响。
第6章引入时变场，从法拉第电磁感应定律和时变条件下的电荷守恒定律出发，分别推导出时变电场和时变磁场的旋度，从而得出时变电场和时变磁场互为各自的漩涡源的结论，在此基础上推导得到波动方程，形成电磁波的概念，为后续章节过渡到波的概念体系打下基础。
后3章着重建立波的概念体系，突出无源区域的电磁波作为亥姆霍兹方程的解这一关键点，突出不同边界条件下亥姆霍兹方程的求解这一核心问题，以利于学生理解数学推导的目的性，将复杂的数学表达式与物理意义相结合。具体而言，在自由空间中，均匀平面波的概念作为亥姆霍兹方程的最简单的基本解被引入，在此基础上定义行波电磁波的波长、相速、群速、极化、波阻抗等概念。在无限大媒质分界面上，需要引入反射和折射的概念以形成同时满足亥姆霍兹方程与分界面边界条件的解，在此基础上定义反射系数、透射系数以及驻波的概念。在波导结构中，各个波导模式则代表了满足波导壁边界条件的亥姆霍兹方程的离散的特征解。在此基础上阐述不同波导模式对应的不同的截止频率、波导波长、相速度、波阻抗等概念。
针对双语教学要求，本书主要采用英文编写，对重要的概念、定理、定律以及方法，提供中英文对照，并配备了复习思考题和习题。本书的主要读者对象为电类工程专业的本科学生，特别适用于电磁场理论双语课程，以及针对国际留学生的电磁场理论本科课程教学，也可供一般的电子和电气工程专业技术人员参考。
因笔者水平所限，书中难免有不足之处，衷心欢迎读者和同行批评指正。

编著者2022年10月

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