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出版者:中国科学技术大学出版社

作者:王吉英

出品人:

页数:138

译者:

出版时间:2005-8

价格:15.00元

装帧:

isbn号码:9787312017636

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现代工程中的电磁场与波：从基础到应用 内容概要： 本书深入探讨了现代工程科学基石——电磁场与波的理论、分析方法及其在各个工程领域的广泛应用。全书结构严谨，逻辑清晰，旨在为读者构建一个从麦克斯韦方程组的精细推导到复杂系统电磁兼容性（EMC）设计的完整知识体系。我们避免了对传统电路理论（如RLC电路的稳态分析）的直接重复，而是将焦点集中在场论的本质以及高频、宽带系统所必需的电磁波传播特性上。 第一部分：电磁场基础理论与分析 本部分构建了描述电磁现象的数学框架。我们从矢量分析和坐标系的选择入手，为理解三维空间中的场分布奠定基础。 第一章：静电场与静磁场 本章首先复习了库仑定律和毕奥-萨伐尔定律，并迅速过渡到对场分布更具普适性的描述——电场强度 ($mathbf{E}$)、磁感应强度 ($mathbf{B}$)、电位移矢量 ($mathbf{D}$) 和磁场强度 ($mathbf{H}$)。 高斯定律与磁场高斯定律的微分与积分形式： 详细分析了场线的源和汇，特别关注散度和旋度的物理意义，避免了在低频电路分析中对节点和回路的简化处理。 泊松方程与拉普拉斯方程的求解： 重点讨论了在特定边界条件下的唯一性定理，并引入了分离变量法和格林函数法等高等数学工具来求解复杂几何结构中的电位分布，这与传统电路中基尔霍夫定律的线性方程组求解有本质区别。 边界条件分析： 深入研究了不同介质界面上的场分量突变规律，这是理解波导和天线设计中能量反射与折射的关键。 第二章：时变场与麦克斯韦方程组 本章是全书的核心，将静态分析扩展到动态世界。 法拉第电磁感应定律与安培环路定律的修正： 详细阐述了麦克斯韦引入的“位移电流”概念的物理必要性，这是理解电磁波产生的关键。 麦克斯韦方程组的完整形式： 将四个基本方程进行系统性的整合和阐释，强调它们是描述所有经典电磁现象的统一理论。 标量和矢量势： 引入电磁场的势函数描述，为后续的波动方程推导做准备。 第二部分：电磁波的传播与导引 本部分着重于时间和空间上耦合变化的电磁场如何形成波，以及如何引导这些波。 第三章：平面电磁波 本章专注于均匀介质中的理想情况，这是理解所有复杂波传播的基础。 导出的波动方程： 从麦克斯韦方程组推导出电场和磁场的波动方程，并求解其在无源、无损介质中的平面波解。 波的特性参数： 深入分析了波长、频率、波数、相速、群速以及传播常数（衰减常数和相位常数）之间的内在联系。 坡印廷矢量与能量流： 严格推导坡印廷定理，用以量化电磁场的能量密度和能量流密度，这是分析功率传输和辐射效率的根本工具。 介质中的波： 分别讨论了电磁波在理想导体、低损耗介质和理想介质中的传播特性，特别是趋肤深度（Skin Depth）的概念在交流系统中的意义。 第四章：导引电磁波——传输线与波导 本章将场的概念应用于结构化系统，研究如何有效地约束和传输电磁能量，这超越了集中参数电路的范畴。 传输线理论（高频视角）： 采用分布参数模型，对同轴线、平行双线进行分析。重点在于输入阻抗、反射系数、驻波比（VSWR）以及史密斯圆图的应用，这些工具是设计高频匹配网络的核心。 特性的阻抗匹配： 详细分析了阻抗失配导致的功率反射问题，并介绍了四分之一波长匹配器和加载技术。 波导理论： 针对金属空腔结构（如矩形波导），分析了主模（如TE10模）的截止波长、相位常数和群速，解释了波导如何充当高频的“低损耗传输线”。 TEM、TE和TM模的区分： 明确区分三种模式的物理差异及其在实际应用（如微带线与波导）中的对应关系。 第三部分：辐射与散射 本部分聚焦于电磁能量向自由空间发射的过程，以及物体对电磁场的响应。 第五章：电磁辐射基础 本章关注电磁场如何从结构中“泄漏”或“辐射”出去，核心概念是“远场区”的分析。 微偶极子（Hertzian Dipole）和环天线： 从基本辐射单元出发，推导其远场区的电场和磁场分布，计算辐射功率和辐射方向图。 辐射效率与有效面积： 定义了天线的增益、有效辐射功率（ERP）和有效接收面积，这些参数是衡量辐射/接收效率的关键指标，与传统电路中的损耗概念不同。 阵列理论基础： 简要介绍多个辐射单元组合时的方向性增强效应，这是现代通信和雷达系统的基础。 第六章：电磁兼容性（EMC）与屏蔽 本章将理论知识应用于实际工程的“噪声”和“干扰”问题，这是现代电子设备设计中不可或缺的一环。 信号的频谱特性： 强调快速变化的数字信号（如上升沿或下降沿）在频域上具有极宽的频谱内容，这与传统电路中的单频或窄带分析形成鲜明对比。 串扰（Crosstalk）与耦合机制： 分析了近场（电场和磁场耦合）和远场（辐射耦合）的机制，并解释了如何通过布局和布线设计来最小化它们。 屏蔽与接地： 深入探讨了电磁屏蔽的原理（反射和吸收），并详细分析了不同接地技术（单点接地、多点接地）在抑制噪声方面的优缺点，这直接关系到系统的抗干扰能力。 目标读者： 本书适合于物理学、电子工程、通信工程、微波技术、航空航天工程等领域的高年级本科生、研究生以及从事射频识别（RFID）、高频电路设计、电磁兼容性分析的工程师。它要求读者具备扎实的微积分和矢量代数基础，但无需预先掌握麦克斯韦方程组的完整知识。通过本书的学习，读者将能够独立分析和解决涉及高频和宽带电磁现象的工程问题。

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我是一个已经工作了好几年的工程师，现在需要为一个新的项目快速熟悉和复习一下基础的模拟电路和基础的系统级测试方法，所以找到了这本《电路理论实验》。说实话，市面上很多实验教材要么过于偏向本科生的基础教学，内容过于简单和重复，要么就是过于面向高级研究，很多基础却至关重要的调试技巧没有提及。这本书的平衡点把握得非常好。它的实验项目设计得很贴近工业中常见的问题。比如，它不仅教你如何搭建一个标准的滤波器电路，更会深入探讨在实际的PCB布局中，寄生电容和电感如何影响你的测试结果，以及如何使用示波器的探头补偿功能来确保测量的准确性。书中对误差分析的部分，简直是教科书级别的范例。它不光告诉你“读数有误差”，而是细致地分析了仪器误差、环境影响、元件公差等多个维度，并给出了量化分析的方法。对于我们这些需要进行产品可靠性验证的人来说，这种严谨的分析思路比单纯的“做出来能跑”要重要得多。更让我惊喜的是，它对一些高级仪器的使用说明也写得很详尽，比如阻抗分析仪的设置和校准，这在很多基础教材中是完全缺失的。

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我个人对“动手能力”的培养看得非常重，认为理论如果不付诸实践，就如同空中楼阁。这本《电路理论实验》的魅力在于它对“材料科学”和“测量哲学”的融入。在讲解RLC串并联谐振电路时，它不仅让你测量谐振频率，还花了大篇幅去讨论不同品牌电容的介质损耗因子（Dissipation Factor）对Q值的影响，这在一般教材中是绝对看不到的。它引导你思考，为什么同一个电路，在不同的元件批次下，测试结果会有差异，这实际上是引入了现实世界的复杂性。书中对仪器的选择和校准也有独到的见解，它会对比使用不同精度等级的示波器（比如老式的模拟示波器和现代的数字存储示波器）来观察同一信号时，我们观察到的“真实”会有多大的不同。这种对测量工具局限性的清晰认知，是培养一个优秀电子工程师的关键一步。它教会我的不是如何照着书本做实验，而是如何带着批判性的眼光去审视每一次测量结果，并理解这些结果背后的物理限制。这绝对是一本能够帮你从“操作员”进化为“思考者”的实验指导书。

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我是一个正在准备考研复试的研究生，这次特地找来这本《电路理论实验》来加强我的实验能力和对基础理论的深度理解。这本书的深度和广度都非常令人印象深刻。它在对基本定律的验证之外，还引入了一些工程上非常实用的技巧。比如，在直流电源稳压电路的实验部分，它并没有止步于经典的并联稳压管电路，而是进一步探讨了如何使用集成稳压器（如7805）来构建更稳定、效率更高的电源，并深入分析了纹波抑制比和动态响应。更重要的是，它对实验报告的撰写规范有着近乎苛刻的要求。它提供了详细的模板，指导我们如何规范地记录原始数据、如何进行误差传播计算，以及如何用规范的图表展示实验结果。这对于我们准备进入更高阶段科研学习的人来说，是至关重要的训练。很多理论书只是告诉你“理论上应该如此”，而这本书却实实在在地展示了“现实中如何精确地去证明这一点，以及在这个过程中会遇到哪些阻碍”。它将理论的严谨性与工程的实用性完美地结合在了一起，真正做到了“知其然，更知其所以然”。

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这本《电路理论实验》的教材，坦白说，对我这个初次接触实验课的学生来说，简直是救星一般的存在。我之前在理论课上，那些复杂的电路图和抽象的定律总是让我云里雾里，总觉得实践操作会是一场灾难。但这本书的编排方式，简直是把一个“小白”领进了门。它不是那种冷冰冰的理论堆砌，而是非常注重实验步骤的清晰度和逻辑性。每一章的开头，都会用非常接地气的方式重新回顾一下相关的理论知识，但重点是**如何将理论转化为实际的测量和观察**。比如在讲解基尔霍夫定律的实验时，它不是简单地让你接线，而是会详细解释为什么我们选用特定的电阻值，测量电流和电压时应该使用什么档位，以及数据出现偏差时可能的物理原因。我尤其欣赏的是它在安全注意事项上的强调，每一个实验都有醒目的警告和操作规范，这对于我们这些新手来说，是极大的保障。书中的插图清晰度非常高，电路图和实物连接图的对应性做得很好，我拿着书就能快速在面包板上找到对应的元件位置，大大减少了摸索的时间。这本书的实验设计也很有层次感，从最基础的电阻、电容、电感元件特性测试，逐步过渡到复杂的电源、放大器分析，这种循序渐进的学习路径，让我能够稳扎稳打地建立起对电路的直观感受，而不是仅仅停留在纸面计算上。

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对于自学者来说，一本好的实验书的价值无可替代，它必须能够替代一个活生生的导师在旁边指导。而这本《电路理论实验》在这方面做得尤为出色。我之前尝试过网上各种零散的教程和视频，但总是感觉抓不住重点，做出来的东西总是不稳定。这本书最大的特点在于它的“反思”环节。每一个实验结束，它都会留出大量的空白区域和引导性问题，让你去思考：“如果我把这个电容换成10倍大小时，输出波形会有什么变化？”或者“如果输入信号是方波而不是正弦波，我们观察到的现象会有何不同？”这些问题迫使你不仅仅停留在“按部就班”地完成任务，而是主动去探索电路的边界条件和工作极限。我记得在学习运算放大器的负反馈配置时，书上提供了一个叫做“故障排除挑战”的小节，模拟了实际中元件损坏或接线错误的几种常见情况，并引导你用万用表和示波器去逐步定位问题所在。这种主动发现和解决问题的能力培养，远比仅仅学会搭建电路本身重要得多。它构建了一个从“观察现象”到“提出假设”再到“实验验证”的完整科学思维链条。

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