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出版者:Prentice Hall

作者:Mersereau, Russell M./ Jackson, Joel R.

出品人:

页数:464

译者:

出版时间:2005-8

价格:388.47元

装帧:HRD

isbn号码:9780130932242

丛书系列:

图书标签:

• 电路分析
• 电路
• 电子学
• 电气工程
• 模拟电路
• 线性电路
• 电路理论
• 工程数学
• 高等教育
• 教科书

好的，这是一本名为《电磁场与波：理论、应用与前沿》的图书简介，该书内容聚焦于电磁现象的本质、数学描述及其在现代工程领域中的广泛应用。 --- 电磁场与波：理论、应用与前沿 绪论：探寻无形的力量 电磁场是自然界中最基本、最普遍的物理现象之一，是构成物质世界和信息传递的基石。从光线的传播到无线通信的实现，从电能的输送到先进传感器的设计，无处不渗透着电磁场的深刻影响。本书《电磁场与波：理论、应用与前沿》旨在为读者提供一个全面、深入且富于洞察力的视角，系统梳理经典电磁学的核心原理，并将其与现代工程实践紧密结合。 本书不仅是一部严谨的理论教材，更是一部面向未来技术发展的工具书。它要求读者具备扎实的微积分、线性代数和矢量分析基础，通过清晰的逻辑推导和丰富的工程案例，帮助读者构建起坚实的电磁学思维框架。 第一部分：电磁学的基石——静场与恒场分析 本部分致力于建立读者对电磁现象的直观理解，并引入描述这些现象的微分和积分方程。 第1章 矢量分析基础回顾与电场强度 本章从矢量微积分的视角回顾了梯度、散度、旋度等关键算子在三维空间中的物理意义。随后，引入了电荷密度、电流密度、电位移矢量等基本概念。库仑定律作为电场产生的源头，将被详细剖析。我们将运用高斯定律（微分形式和积分形式）来处理具有高度对称性的电场分布问题，如无限平面、无限长线、同轴导体等，重点训练读者运用散度定理进行物理推导的能力。 第2章 电势与静电场的能量 电势的概念是简化静电场计算的关键。本章将电场强度与电势之间的关系——梯度——作为核心，讨论等势面与电场线的关系。随后，深入探讨静电场的边界条件，特别是在导体、电介质分界面上的约束。电场的能量密度（$frac{1}{2}mathbf{D} cdot mathbf{E}$）和总能量的计算，将为后续分析电磁场对系统做功打下基础。此外，泊松方程和拉普拉斯方程的求解方法（包括分离变量法和唯一性定理）将在本章得到详尽阐述。 第3章 稳恒电流与磁场 从静电场过渡到稳恒磁场，本章引入了电流密度和欧姆定律的微观描述。安培环路定律（微分形式和积分形式）是分析恒定电流所产生的磁场分布的核心工具。我们将应用安培定律求解长直导线、螺线管、圆环电流等典型结构的磁场。法拉第电磁感应定律的引入，尽管在此阶段主要处理恒定磁场下的感应电动势，但它已预示了电磁场的动态特性。 第4章 磁介质与磁矢量位 类比静电场的电介质，本章介绍了磁介质（顺磁、抗磁、铁磁材料）对磁场的影响，定义了磁场强度 $mathbf{H}$。毕奥-萨伐尔定律的积分形式将被介绍，作为精确计算复杂电流分布产生的磁场的补充方法。磁矢量位 $mathbf{A}$ 的引入，提供了一种绕过磁场强度直接求解磁场的数学途径，并与电势的地位相对应。 第二部分：时变场与麦克斯韦方程组的统一 本部分是全书的理论核心，聚焦于动态电磁场现象，特别是法拉第定律和变化的电场如何产生磁场（或反之）。 第5章 法拉第感应定律与麦克斯韦修正 本章的核心是将法拉第定律从积分形式推广到微分形式，并重点讨论麦克斯韦对安培定律的修正——引入“位移电流”的概念。通过对位移电流的物理意义和数学表达的深入分析，最终导出了完整的、四个方程构成的麦克斯韦方程组，这是理解所有电磁现象的终极框架。 第6章 亥姆霍兹方程与波动方程的推导 基于麦克斯韦方程组，本章展示了如何在无源区域（源项为零）推导出电场 $mathbf{E}$ 和磁场 $mathbf{H}$ 所必须满足的波动方程。推导过程将清晰地展示电场和磁场如何相互激发、自我维持，形成电磁波。本章将详细分析该波动方程的特性，特别是其相速、波长与频率的关系。 第三部分：平面电磁波在均匀介质中的传播 理解电磁波的传播特性是应用电磁学的关键。本部分专注于理想的、无限大的均匀介质中电磁波的传播规律。 第7章 平面波的特性与传播 本章分析了电磁波在无损（低损耗）介质中的传播特性，包括波的相位常数、衰减常数、特性阻抗等关键参数。重点讨论了本征阻抗（Intrinsic Impedance）的概念，及其在描述介质中 $mathbf{E}$ 场与 $mathbf{H}$ 场振幅关系中的作用。讲解了P波（横电磁波，TEM波）的性质，即电场、磁场和传播方向三者相互垂直的特性。 第8章 波在不同介质界面上的反射与透射 当电磁波从一种介质传播到另一种介质时，会在界面处发生反射和透射。本章将应用边界条件，结合菲涅耳公式，详细分析： 1. 垂直入射：不同材料组合（如空气-介质、介质-导体）下的反射系数和透射系数的计算。 2. 斜射入射：斯涅尔定律（Snell's Law）在电磁波传播中的体现，特别是全内反射现象的条件与应用。 3. 布儒斯特角：分析特定入射角下完全透射或完全反射的物理条件。 第9章 导波结构与传输线基础 本章将理论从无限空间转移到有限的导引结构。首先分析理想平行板波导（Parallel Plate Waveguide）中TEM波、TE波和TM波的模式，强调波导截止频率的概念及其重要性。随后，过渡到更实际的传输线理论，从集总参数模型（Lumped-Element Model）出发，解释了传输线上的电压和电流分布，并引入史密斯圆图作为阻抗匹配分析的强大工具。 第四部分：电磁场的工程应用与数值方法 本部分将理论知识转化为解决实际工程问题的能力，包括辐射理论和求解复杂几何问题的数值方法。 第10章 辐射原理：天线基础 天线是将电能转换为电磁波或将电磁波转换为电能的关键器件。本章从远场近似出发，引入了小型振子（如半波长偶极子）的辐射场模型。定义了天线的关键参数，如辐射方向图、辐射强度、有效面积以及最重要的——天线增益。并探讨了基本阵列（如偶极子阵列）的合成孔径效应。 第11章 趋肤效应与高频损耗 在处理高频信号时，导体的集肤深度（Skin Depth）是一个至关重要的参数。本章详细分析了趋肤效应的物理机制，并计算了高频下导体的有效电阻和损耗。这对于设计高频电路板（PCB）和射频元件的损耗分析具有直接指导意义。 第12章 求解电磁场问题的数值技术概览 对于具有复杂几何形状和非均匀材料的实际问题，解析解往往难以获得。本章将介绍三种主流的数值方法的基本思想和适用范围： 1. 矩量法 (MoM)：侧重于积分方程的求解，常用于天线和散射问题。 2. 有限差分法 (FDM)：侧重于微分方程的离散化，常用于时域分析（FDTD）。 3. 有限元法 (FEM)：侧重于将求解区域划分为小单元，常用于处理复杂边界和非均匀介质。 结语：迈向电磁学的未来 电磁学是信息科学、能源工程、微电子学和光子学等众多高新技术领域的共同语言。本书提供了一个从麦克斯韦方程组出发，系统探索电磁场与波行为的路径。掌握这些知识，读者将能更好地理解现代通信系统的工作原理，设计出更高效的电磁设备，并为未来在太赫兹、量子电磁学等前沿领域的研究打下坚实的基础。 ---

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