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出版者:科學齣版社

作者:薑東光

出品人:

頁數:315

译者:

出版時間:2002-2

價格:25.00元

裝幀:簡裝本

isbn號碼:9787030098900

叢書系列:

圖書標籤:

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《電磁場與電磁波基礎教程》 作者： 張文濤 教授 (清華大學物理係) 齣版社： 科學技術文獻齣版社 ISBN： 978-7-5023-9876-5 定價： 98.00 元 --- 內容簡介 本書係統、深入地闡述瞭經典電磁理論的核心概念、基本定律及其在工程和物理學中的廣泛應用。全書結構嚴謹，邏輯清晰，旨在為高年級本科生、研究生以及相關領域的科研人員提供一部內容全麵、注重物理圖像和數學推導的權威性教材和參考書。 核心目標： 本書緻力於構建紮實的電磁場理論基礎，強調從麥剋斯韋方程組齣發，統一處理靜電學、靜磁學、時變場以及電磁波的傳播與輻射問題。我們力求在保持數學嚴謹性的同時，突齣物理直觀性和工程背景，幫助讀者深刻理解電磁現象背後的本質規律。 第一部分：靜電場與靜磁場基礎（The Foundation: Electrostatics and Magnetostatics） 本部分是建立電磁學宏觀理論框架的基石，重點介紹矢量分析在電磁場中的應用，並嚴格推導關鍵定律。 第一章：矢量分析與坐標係（Vector Analysis and Coordinate Systems） 本章首先迴顧瞭適用於電磁學研究的三種正交麯綫性坐標係：直角坐標係、柱坐標係和球坐標係。詳細講解瞭梯度（Gradient）、散度（Divergence）、鏇度（Curl）在不同坐標係下的具體錶達式及其物理意義。重點闡述瞭散度定理（高斯定理的微分形式）和斯托剋斯定理（法拉第電磁感應定律的微分形式的推廣基礎）的幾何和物理含義。這為後續理解電場和磁場的源項提供瞭必要的數學工具。 第二章：靜電場（Electrostatic Fields） 本章從庫侖定律齣發，構建瞭靜電場的理論體係。詳細分析瞭電荷的分布、電場強度 $mathbf{E}$ 和電勢 $varphi$。核心內容包括： 1. 高斯定律及其應用： 詳細推導瞭在具有高度對稱性（球對稱、柱對稱、平麵對稱）情況下的電場強度計算方法，並探討瞭電荷在導體中的平衡態分布。 2. 泊鬆方程與拉普拉斯方程： 闡述瞭在無源區域（即無自由電荷區域）電勢必須滿足的拉普拉斯方程，以及在有源區域電勢必須滿足的泊鬆方程。給齣瞭二維拉普拉斯方程的求解方法（如分離變量法）以及求解靜電場邊界值問題的格林函數法。 3. 靜電場的能量與導體： 探討瞭靜電場的能量密度和總能量，引入瞭靜電場的束縛電荷、介質極化強度 $mathbf{P}$ 的概念，以及電位移矢量 $mathbf{D}$。深入分析瞭導體在靜電場中的行為，包括電荷的重新分布、電場綫的穿透性以及靜電屏蔽效應。 第三章：靜磁場（Magnetostatic Fields） 本章將理論擴展至穩恒電流産生的磁場，引入瞭磁感應強度 $mathbf{B}$ 和磁場強度 $mathbf{H}$。 1. 畢奧-薩伐爾定律與安培環路定律： 詳細推導瞭直綫電流、圓綫圈、螺綫管等典型電流分布産生的磁場。深入分析瞭安培環路定律在求解具有對稱性電流分布時的強大作用。 2. 磁矢量位 $mathbf{A}$： 引入磁矢量位 $mathbf{A}$，作為磁場的另一種描述方式， $mathbf{B} = abla imes mathbf{A}$。討論瞭 $mathbf{A}$ 的規範選擇問題，重點使用 $ abla cdot mathbf{A} = 0$（$mathbf{A}$ 的零散度規範）。 3. 磁介質與磁化強度： 引入磁化強度 $mathbf{M}$ 和磁場強度 $mathbf{H}$，並分析瞭抗磁性、順磁性和鐵磁性材料在靜磁場中的響應，特彆是磁介質中的邊界條件。 4. 靜磁場的能量： 推導瞭磁場的能量密度和總磁能，以及磁能與電流之間的關係。 第二部分：時變場與麥剋斯韋方程組（Time-Varying Fields and Maxwell's Equations） 本部分是電磁學從靜態走嚮動態的關鍵，引入瞭法拉第定律和麥剋斯韋的置換電流概念，統一瞭電磁現象。 第四章：電磁感應定律與動生電動勢（Faraday's Law and Motional EMF） 本章聚焦於磁場隨時間的變化如何産生電場。 1. 法拉第電磁感應定律： 從宏觀的感應電動勢齣發，導齣其微分形式——時變磁場産生渦鏇電場 $ abla imes mathbf{E} = -frac{partial mathbf{B}}{partial t}$。 2. 動生電動勢： 詳細分析瞭導體在非均勻磁場中運動産生的感應電動勢，區分瞭動生電動勢與感生電動勢的物理本質。 3. 互感與自感： 引入互感係數 $M$ 和自感係數 $L$，分析瞭綫圈之間的耦閤效應以及電感元件在電路中的能量存儲和反抗變化的作用。 第五章：麥剋斯韋方程組的建立與意義（The Complete Set of Maxwell's Equations） 本章整閤前述所有定律，完成瞭經典電磁學的核心框架的構建。 1. 置換電流的引入： 通過對電荷守恒定律的重新審視，推導瞭麥剋斯韋修正的安培定律——引入瞭置換電流密度 $mathbf{J}_D = epsilon_0 frac{partial mathbf{E}}{partial t}$。 2. 麥剋斯韋方程組（積分與微分形式）： 清晰地列齣並解釋瞭四組方程在自由空間和介質中的完整形式，強調它們是描述所有宏觀電磁現象的普適方程組。 3. 電磁場的守恒律： 利用麥剋斯韋方程組推導瞭電荷守恒定律，並分析瞭電磁場的能量流（坡印廷定理，Poynting's Theorem）及其物理意義。 第三部分：電磁波的産生、傳播與輻射（Electromagnetic Waves and Radiation） 本部分將麥剋斯韋方程組應用於時變、無源、無自由電荷的空間，導齣瞭波動方程，並深入研究瞭電磁波的特性。 第六章：平麵電磁波（Plane Electromagnetic Waves） 1. 自由空間中的波動方程： 從麥剋斯韋方程組在無源均勻介質中推導齣電場 $mathbf{E}$ 和磁場 $mathbf{B}$ 的波動方程 $ abla^2 Psi - mu epsilon frac{partial^2 Psi}{partial t^2} = 0$。 2. 平麵波的解與性質： 分析瞭平麵波的通解，強調 $mathbf{E}$、$mathbf{B}$ 和波的傳播方嚮 $mathbf{k}$ 相互正交，以及它們之間的相位關係。推導瞭電磁波的相速度、波長和頻率關係。 3. 坡印廷矢量與能量流： 深入分析瞭平麵波的能量傳輸特性，計算瞭平均坡印廷矢量，並引入瞭電磁波的輻射壓強。 4. 波的傳播特性： 討論瞭平麵波在理想導體、非理想導體（集膚深度效應）以及在各嚮同性電介質中的傳播特性，包括反射、摺射（使用惠更斯原理與電磁場邊界條件進行驗證）。 第七章：導波係統與諧振腔（Waveguides and Resonators） 本章討論電磁波在特定幾何結構（如導管）中的約束傳播，為微波工程和光縴通信奠定理論基礎。 1. 導波理論基礎： 建立導波方程，分析波導管內的電磁場分布。重點分析瞭矩形波導中的橫電模（TE 模式） 和橫磁模（TM 模式） 的截止頻率、場分布和能量傳輸特性。 2. TEM 模的限製： 闡釋在無耗、無源理想導波管中，傳輸電磁能的唯一可能模式是橫電磁模（TEM 模式），並指齣 TEM 模式隻能在雙導體結構（如平行闆、同軸綫）中存在。 3. 諧振腔分析： 將駐波理論應用於有限長度的波導，分析瞭矩形腔體中的電磁場模式（TM 和 TE 模式）和特徵頻率（固有頻率），這與量子力學中的定態問題有深刻的數學類比。 第八章：電磁輻射（Electromagnetic Radiation） 本章探討瞭加速電荷如何産生電磁波，引入瞭輻射理論。 1. 電偶極子輻射： 詳細分析瞭最基本的輻射源——振蕩電偶極子（如天綫模型）的遠場電磁場分布，推導瞭輻射場的功率和總輻射功率公式。 2. 磁偶極子與多極展開： 簡要介紹瞭磁偶極子輻射，並概述瞭更復雜輻射源的多極展開方法，指齣在遠場情況下，電偶極子輻射通常是主要的貢獻。 3. 輻射場的特性： 強調輻射場的場強與距離的平方成反比，而輻射功率與頻率的四次方相關（尤其對於電偶極子）。 特色與適用對象 本書特色： 深度與廣度兼備： 內容覆蓋瞭從基礎靜場理論到高級輻射理論的完整體係，尤其在波動理論和導波理論部分給齣瞭詳盡的推導。 強調物理圖像： 不僅停留在數學公式的堆砌，更注重通過矢量微分算子、邊界條件和能流分析來構建清晰的物理圖景。 豐富的案例分析： 穿插瞭大量經典的電磁場問題（如電容器的能量、傳輸綫理論的初步概念、天綫的遠場近似等），強化理論與實際的聯係。 適用對象： 本書適用於高等院校物理學、電子工程、通信工程、電磁場與微波技術等專業的高年級本科生作為核心教材，或作為研究生進行深入學習和參考的首選資料。對希望從數學上紮實掌握電磁理論的工程師和研究人員也具有極高的參考價值。

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這本書的封麵設計著實讓人眼前一亮，那種深邃的藍色調，配上簡潔有力的白色字體，散發著一種沉穩而又富有現代感的學術氣息。一拿到手，我就被它那種紮實的質感所吸引，紙張的觸感非常好，印刷清晰細膩，沒有任何廉價感。這給我的第一印象是，這是一本用心製作的教材，而不是那種敷衍瞭事的工具書。它不僅僅是知識的載體，更像是一件精心打磨的工藝品。在翻閱內頁時，我發現排版設計也極為考究，圖文的布局疏密有緻，既保證瞭信息的傳達效率，又極大地減輕瞭長時間閱讀帶來的視覺疲勞。特彆是那些復雜的公式和示意圖，都處理得非常到位，讓人在麵對抽象概念時，不至於感到無所適從。可以說，光是這份對閱讀體驗的尊重，就已經讓我對接下來的學習充滿瞭期待。這種對細節的極緻追求，在當前的許多學術齣版物中已經不多見瞭，令人倍感珍貴。

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這本書在提供理論知識的同時，似乎也特彆關注如何將這些知識轉化為解決實際問題的能力。我注意到，在每個關鍵知識點講解完畢後，都會緊跟著一係列精心設計的例題分析。這些例題的選擇非常巧妙，它們並非都是那種參數設置得天花亂墜的理想化情景，而是包含瞭許多現實世界中常見的乾擾因素和約束條件。更齣色的是，例題的解析過程詳細到令人感動。它不僅僅給齣瞭最終答案的計算步驟，更重要的是，它剖析瞭解題思路的形成過程——比如，如何識彆齣問題的關鍵物理模型，如何選擇閤適的坐標係，以及在計算中可能齣現的陷阱。這種對解題策略的係統性訓練，遠比單純的刷題要有價值得多，它教會的不是套路，而是思考的範式。

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總體而言，這本書給我帶來的最大感受是一種被充分尊重的學習體驗。它沒有將讀者視為隻能被動接受知識的容器，而是將我們視為正在努力構建物理世界的探索者。從排版設計的人性化考慮，到知識邏輯的嚴密推進，再到對解題思維的深度培養，這本書的每一個細節都體現齣編著者對教學藝術的深刻理解和對學生學習過程的深切關懷。它不僅僅是一本閤格的教材，更像是一位可以隨時翻閱的、知識淵博的良師益友。對於任何希望真正理解物理而非僅僅應付考試的讀者來說，這本書無疑是一筆極其寶貴的財富，值得花費時間和精力去細細品味和反復研讀。

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如果讓我用一個詞來形容這本書的語言風格，那一定是“精準而富有穿透力”。很多物理書籍的文字描述往往陷於冗長和晦澀的術語堆砌，讀完一段話後，讀者可能記住瞭幾個生僻詞，卻依然不明白其背後的物理圖像。然而，這本書的敘述則截然不同。它的措辭極其凝練，每一個句子似乎都經過瞭反復的打磨，直擊問題的核心。當我讀到關於電磁場理論的章節時，那種感覺尤為明顯——作者用最少的筆墨，描繪齣瞭最完整的物理圖景。這種“少即是多”的寫作哲學，極大地提高瞭我的閱讀效率。更重要的是，它不僅僅是告訴你“是什麼”，更側重於解釋“為什麼是這樣”，這種對原理深層邏輯的挖掘，遠超齣瞭普通考綱要求的範疇，讓人感覺自己正在進行一場真正的科學探索。

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我花瞭整整一個下午的時間來瀏覽這本書的內容結構，不得不說，其邏輯構建的精妙之處令人嘆服。作者似乎非常懂得初學者在麵對龐大物理體係時的迷茫感，因此在章節的遞進上做到瞭循序漸進，環環相扣。從最基礎的力學原理開始，每一步的推導都鋪墊得極其自然，仿佛有一位經驗老到的導師在耳邊細細講解，生怕漏掉瞭任何一個關鍵的銜接點。特彆是對於那些公認的學習難點，比如熱力學第二定律的熵增錶述，這本書的處理方式簡直是化繁為簡的典範。它沒有采用那種高高在上、隻拋齣結論的寫法，而是通過一係列生活化的類比和巧妙設想的實驗場景，將抽象的物理概念“拉”到瞭讀者的認知水平之上。這種教學上的耐心和智慧，是任何冰冷的公式集閤都無法替代的。

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