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出版者:清华大学出版社

作者:William H.Hayt.Jr.

出品人:

页数:593

译者:袁建生 选译

出版时间:2014-7

价格:79.00元

装帧:平装

isbn号码:9787302359364

丛书系列:清华版双语教学用书

图书标签:

• 英文原版
• 入门
• RF
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• 电磁学
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• 麦克斯韦方程
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• 微波技术
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• 高频电路

电磁场理论基础与应用 本书旨在为学习电磁场理论的读者提供一个全面、深入且注重实践的入门和进阶指南。内容涵盖了从麦克斯韦方程组的严格推导到各种实际电磁现象的精细分析，强调理论与工程应用的紧密结合。 --- 第一部分：电磁场理论的基石 本部分着重于建立读者对静电场、静磁场以及时变电磁场现象的坚实数学和物理基础。 第一章：矢量分析与坐标系变换 电磁场理论的数学工具至关重要。本章首先回顾了高等数学中的核心概念，包括向量的微分和积分运算，如梯度（$ abla f$）、散度（$ abla cdot mathbf{A}$）和旋度（$ abla imes mathbf{A}$）。重点阐述了散度和旋度在物理意义上的直观解释——场源密度与环量密度。 随后，详细介绍了三种主要的直角坐标系（直角坐标系、柱坐标系和球坐标系）的定义、基矢表示以及微分算子在该坐标系下的具体形式。通过大量的实例对比，使读者掌握在不同几何结构问题中选择合适坐标系的重要性。最后，深入探讨了格林定理、斯托克斯定理和散度定理（高斯定理）在求解边界值问题中的应用，为后续引入麦克斯韦方程组做好准备。 第二章：静电场分析 静电场是电磁场问题的起点。本章从库仑定律出发，系统地推导了电场强度 $mathbf{E}$ 和电位移矢量 $mathbf{D}$。内容详述了电荷连续性假设下的电荷分布模型，包括点电荷、线电荷、面电荷和体电荷。 核心内容集中在求解由这些电荷分布产生的电场。着重介绍了高斯定律的应用，特别是在具有高度对称性（如无限平面、无限长导线、球对称体）情况下的简化计算。随后引入了电势的概念，阐述了电势与电场之间的微分关系 $mathbf{E} = - abla V$。讨论了静电场的有势场特性，即 $ abla imes mathbf{E} = 0$。 本章的后半部分深入探讨了静电场的能量、导体在静电场中的行为（包括静电平衡条件、导体表面电荷密度与场强的关系），以及静电场的边界条件。重点讲解了像法原理（Method of Images），这是求解带电体与接地平面或带电球体相互作用的强大工具。最后，分析了介质（电介质）对静电场的影响，引入了电极化强度 $mathbf{P}$ 和电容的概念。 第三章：静磁场分析 本章将分析由稳恒电流（不随时间变化的电流）产生的磁场。从毕奥-萨伐尔定律（Biot-Savart Law）开始，推导出各种典型电流（如无限长直导线、有限长导线、圆形电流环）产生的磁感应强度 $mathbf{B}$。 接着，引入了安培环路定律，并阐述了其在求解具有磁对称性的系统（如螺线管、同轴电缆）中磁场分布的有效性。与静电场类似，本章也讨论了磁场的无源特性，即 $ abla cdot mathbf{B} = 0$。 随后，重点研究了磁矢量位 $mathbf{A}$，它是磁场的原初数学描述，满足 $mathbf{B} = abla imes mathbf{A}$。讨论了磁矢量位的规范选择（如库仑规范）。在分析磁介质时，引入了磁化强度 $mathbf{M}$ 和磁场强度 $mathbf{H}$，并详细分析了磁导率 $mu$ 对磁场分布的影响。内容还涵盖了磁场的边界条件、磁场的能量密度，以及磁偶极子产生的磁场模型。 --- 第二部分：时变场与麦克斯韦方程组 本部分是电磁学理论的核心，将静场分析扩展到动态过程，引入了时间变量，并构建了完整的麦克斯韦方程组。 第四章：电磁感应与麦克斯韦方程组 本章的起点是法拉第电磁感应定律，定量描述了变化的磁通量如何产生电动势和涡旋电场。通过数学形式的演绎，本章导出了麦克斯韦修正后的安培定律（引入了位移电流密度 $mathbf{J}_d$），这是实现电磁场动态描述的关键一步。 系统地总结并阐述了完整形式的麦克斯韦方程组（微分形式和积分形式），强调了这四个方程在描述所有经典电磁现象中的统一性和完备性。详细分析了方程组中各个物理量之间的内在联系，例如电荷守恒（连续性方程）是电场和电流密度之间的必然联系。 本章的实践性内容包括对电磁感应现象的深入分析，如涡流（Eddy Currents）的产生机理及其在制动和加热中的应用。 第五章：平面电磁波的传播 基于麦克斯韦方程组，本章开始研究电磁场在无损耗介质（理想电介质）中的传播特性。通过推导，从时变麦克斯韦方程组中分离出齐次亥姆霍兹方程（或波动方程），并求解了平面波的解析解。 重点分析了均匀平面波的特性： 1. 波的矢量特性：电场 $mathbf{E}$、磁场 $mathbf{H}$ 和波的传播方向（波数矢量 $mathbf{k}$）之间的相互正交关系。 2. 传播常数：相速度、波长、波数以及在不同介质中传播时的特性阻抗 $eta$。 3. 坡印廷矢量：精确定义了电磁场的能量流密度，即坡印廷矢量 $mathbf{S}$，并计算了其时间平均值，用以衡量电磁波的能量传输效率。 随后，深入探讨了电磁波在有损耗介质（如导体或具有电导率的介质）中的传播特性，引入了集肤深度（Skin Depth）的概念，并分析了导体内部电磁场的衰减规律。 第六章：电磁波的反射与折射 本章将平面波理论应用于电磁波在不同介质界面上的行为分析，这是射频、微波工程和光通信的基础。 首先，基于静电场和静磁场的边界条件，推导了电磁场在理想导体界面上的反射和透射条件，阐明了全反射的物理图像。 随后，详细分析了电磁波在两种理想介质界面（如空气/玻璃、自由空间/水）的反射与折射，严格推导了菲涅耳公式（Fresnel's Equations），分别针对垂直极化波（TE）和平行极化波（TM）进行了详细分析。本章将系统讨论布儒斯特角（Brewster's Angle）和临界角（Critical Angle）现象，并展示斯涅尔定律（Snell's Law）是如何从菲涅耳公式中自然导出的。 --- 第三部分：特论与工程应用 本部分将理论知识应用于更复杂的场分布、辐射问题以及实际的工程结构。 第七章：导波系统分析 本章关注电磁能如何在特定几何约束的结构中传输，特别是传输线和波导管。 1. 传输线理论：从集总参数模型（Lumped-Element Model）出发，推导了传输线上的电压和电流的分布方程。详细分析了特性阻抗 $Z_0$、电压驻波比（VSWR）的概念，并引入了史密斯圆图（Smith Chart）作为解决传输线匹配和阻抗变换问题的核心工具。讨论了无耗、有耗传输线的衰减和相位常数。 2. 波导理论：分析了矩形波导、圆波导和同轴电缆中的电磁波模式。重点讲解了横电模式（TE）、横磁模式（TM）的求解过程，确定了截止波长 $lambda_c$ 和相应模式的色散关系。解释了波导中能量传输的机理，以及波导作为高频信号传输线的优势。 第八章：天线与辐射场 本章将电磁场理论与空间辐射问题相结合，是所有无线通信系统的核心。从迟滞势（Retarded Potentials）出发，导出了瞬时电磁场表达式，并分析了辐射场的概念——即远离源点、随距离快速衰减的场分量。 深入分析了线性电流元（如半波振子、全波振子）的辐射特性，推导了它们的方向图、辐射强度和天线增益（Gain）的计算公式。重点介绍了有效面积和辐射功率的概念，并讨论了天线系统的互易性原理。 第九章：静电/静磁场的数值解法（有限元/边界元导论） 针对复杂几何结构下解析解难以获得的挑战，本章引入了求解电磁场问题的数值方法概述。 重点介绍有限差分法（FDM）和有限元法（FEM）在求解静电场泊松方程和静磁场拉普拉斯方程中的基本思想和离散化过程。讲解了如何建立离散方程组，处理不同材料交界面上的边界条件。虽然不进行深入编程细节，但旨在使读者理解现代电磁仿真软件（如 Ansys HFSS, CST Microwave Studio 等）背后的数学框架和物理假设，为后续深入学习专业仿真软件打下坚实的理论基础。 --- 总结： 本书结构严谨，逻辑清晰，从矢量分析的数学工具开始，逐步推进到麦克斯韦方程组的建立，随后深入探讨了电磁波在不同介质中的传播、反射与折射，最终落脚于传输线、波导和天线等关键工程结构。本书强调理论推导的完整性，并配有丰富的工程实例说明，确保读者不仅掌握了“是什么”，更能理解“为什么”以及“如何用”。

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这本书，我拿到手的时候，确实有点犹豫。封面设计很朴实，标题“工程电磁场”也直白得有些严肃，一下子就让人联想到枯燥的公式和复杂的理论。我本来以为会是一本需要抱着字典啃下去的“硬骨头”，没想到打开之后，它却用一种出人意料的方式吸引了我。作者在开头部分，并没有直接抛出艰深的数学推导，而是从一些非常贴近我们日常生活的现象入手，比如静电的吸附作用，或者为什么会有磁铁吸附金属等，然后层层递进，将抽象的电磁概念具象化。这种“由表及里”的讲解方式，极大地降低了初学者的门槛，让我觉得电磁场不再是遥不可及的科学概念，而是无处不在的物理规律。书中的插图也相当用心，很多图例都清晰地展示了电场线、磁感线的分布，甚至还有一些模拟的仿真截图，这些视觉化的元素，对于理解三维空间中的电磁分布非常有帮助。我尤其喜欢其中关于“涡流”的讲解，通过一个简单的线圈和变化的磁场，生动地解释了为什么会产生涡流，以及涡流在实际工程中的应用，比如感应加热。总的来说，它是一本非常友好的入门读物，能够激发读者对电磁学的好奇心，而不是单纯地灌输知识。

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说实话，拿到这本书的时候，我心里是带着一丝期待，但更多的是一种“挑战”的心态。我之前接触过一些电磁场的教材，总是觉得它们要么过于理论化，要么就是简单粗暴地给出结论，很难找到那种既严谨又易于理解的。然而，这本书给了我惊喜。它在开篇就非常巧妙地引入了“电荷守恒定律”和“能量守恒定律”这两个基本原理，然后以此为基础，构建起整个电磁场理论的框架。这种从宏观到微观、从原理到应用的讲解思路，让我觉得非常系统和有条理。它在推导某些重要公式时，会非常详细地解释每一步的物理意义，而不是简单地给出数学推导过程。我特别欣赏它在处理“坡印德廷矢量”这一章节时的处理方式，它不仅解释了坡印德廷矢量的定义和计算方法，还通过几个典型的电磁波传播和能量传输的例子，让我们直观地感受到能量在电磁场中的流动方向和大小。书中的公式推导清晰，而且很多地方都给出了不同场景下的简化形式，方便我们应用。虽然这是一本偏向理论的书籍，但它并没有忽略工程应用的价值，在很多章节的结尾都会提及相关的工程背景，这让我在学习理论的同时，也能感受到它的实用性。

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这本书，怎么说呢，给我一种“老派学者”的感觉。不是说它陈旧，而是它那种严谨、深入骨髓的学术风格，让人肃然起敬。从一开始，它就没有回避那些经典的理论模型，比如麦克斯韦方程组，而是将其作为整个体系的基石，然后一点点展开。它的讲解逻辑非常清晰，每一步都建立在前一步的基础上，推导过程详尽而不跳跃，对于我这种喜欢刨根问底的读者来说，简直是福音。作者似乎有一种魔力，能把那些看似复杂的积分和微分方程，分解成易于理解的物理意义。我记得有一次，我花了很久都没理解“边界条件”在求解电磁场问题中的作用，翻到这本书的某个章节，它通过一个关于电缆传输的例子，非常形象地说明了边界条件如何影响信号的传播和反射，让我豁然开朗。书中的例题也很有代表性，涵盖了各种典型的工程问题，而且解答过程完整，让我在学习理论的同时，也能掌握解决实际问题的技巧。虽然这本书的篇幅不小，阅读起来需要投入不少时间和精力，但每一次的理解和进步，都带来巨大的成就感。它更像是一本“武功秘籍”，需要你耐心研习，才能领悟其中精髓。

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这本书，我觉得它更像是一本“指南”，而不是一本“教科书”。它没有那种大部头书籍的压迫感，但内容却非常扎实，而且结构组织得非常巧妙。作者在讲解电磁场理论时，采用了“问题导向”的学习模式，也就是说，它不是按照传统的知识点顺序来讲解，而是从一些实际的工程问题出发，然后引导读者去探索解决这些问题所需的电磁场理论。比如，在讲解“磁场与物质相互作用”时，它不是直接给出磁化率的定义，而是从一个关于永磁体设计的问题入手，然后逐步分析不同材料的磁性能如何影响磁场分布，最终引出磁畴、磁滞回线等概念。这种方式让我觉得学习的过程更有目的性，也更容易集中注意力。书中的语言风格也比较活泼，不像传统的学术书籍那么刻板，读起来有一种轻松感。它还引入了很多现代的仿真软件和实验方法，让我在学习理论的同时，也能接触到一些前沿的工程实践。我特别喜欢其中关于“电磁兼容性”的章节，它用了很多实际的案例，分析了不同电子设备之间可能产生的电磁干扰，以及如何进行有效的防护，这些内容对于我这个工程专业学生来说，实用性非常强。

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我最近在学习的过程中，碰巧接触到这本书，一开始是被它那封面所吸引，感觉设计得很有现代感，很简洁。拿到手里翻看了几页，发现它的内容和我之前看过的很多电磁场教材都不太一样。它不是那种上来就讲公式、讲定理的类型，而是从一些大家非常熟悉的应用场景切入，比如手机信号的传播、无线充电的原理，甚至是微波炉的工作方式，然后逐步引出相关的电磁场概念。这种方式让我觉得特别亲切，也更容易理解。作者在讲解一些核心概念时，用了很多比喻和类比，让那些抽象的物理量变得生动起来。比如，它在解释“电位移”时，就用了一个“水位”的比喻，非常形象。而且，这本书的排版也很舒服，文字大小、行间距都恰到好处，加上适量的插图和图表，阅读起来一点都不费劲。最重要的是，它在讲解理论的同时，非常注重与工程实践的结合，很多章节后面都会提到相关的工程应用案例，甚至还给出了一些初步的计算方法，这对于我这种更偏向实际应用的学习者来说，非常有价值。总的来说，这本书给我带来了很多新的视角和启发。

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