内容简介

这本学时一学期的、精简版的教材介绍了电气和计算机工程技术要用到的电磁学的基本概念。本书的编写以时变场的麦克斯韦方程组为起点，将其他不同类型的场作为麦克斯韦方程组的解进行处理，并使用静态-准静态波引出物理结构的频率行为。本书采用笛卡儿坐标系来处理物质的体积，保证了几何结构的简单和易于理解，尽管笛卡儿坐标系对于学习物理概念和数学工具是足够的，但在必要的地方还需要使用其他的坐标系。本书特色■ 独特地介绍时变场的麦克斯韦方程组，首先介绍麦克斯韦方程组的积分形式，然后介绍麦克斯韦方程组的微分形式。■ 在麦克斯韦方程组之后，介绍了均匀平面波在自由空间中的传播，通过考虑均匀平面波场和媒质的相互作用介绍了媒质。■ 由物理结构的频率行为的讨论，引出了传输线和分布电路的概念。■ 用一章的篇幅介绍了传输线分析所必需的基本知识，既包括频域分析、史密斯圆图，也包括时域分析。■ 用一章的篇幅介绍了金属波导和介质波导的原理。■ 通过对准静态场连续解的扩展得到赫兹振子场的完整解，以此为起点讨论了天线的基本原理。■ 用一章的篇幅介绍了可选教学的补充主题。本书详细介绍了电磁场理论的基础知识，主要内容包括矢量和场的基本概念、时变场的麦克斯韦方程组的积分和微分形式、均匀平面波的传播特性、传输线理论、波导原理和天线基础。本书还在扩展部分介绍了平面波在电离媒质及各向异性媒质中的传播、电磁兼容与屏蔽、串扰、色散等其他相关内容。附录中对圆柱坐标系和球坐标系做了简要介绍，还介绍了三种坐标系下的旋度、散度和梯度的计算及物理意义。

作者简介

　　Nannapaneni Narayana Rao教授于1965年获得华盛顿大学电气工程博士学位，同年加入伊利诺伊大学Urbana-Champaign分校（UIUC）电气工程系(现为电气和计算机工程系)。2007年Rao教授以电气和计算机工程的Edward C. Jordan荣誉教授从UIUC退休。__eol__在伊利诺伊大学42年的任职期间，Rao教授致力于科研、教学、管理和国际活动，教授了多门电气工程课程，并开设了电磁场和波传播的课程，出版了6个版本的Elements of Engineering Electromagnetics本科教材。Rao教授因为他在电磁学教学和课程建设方面的出色贡献而获得了许多的奖励和荣誉。

　　Rao教授主要从事电离层的传播方面的科研工作，并在教学和课程建设方面获得了许多奖励和荣誉，如1989年因其在电气工程教育和电离层传播等方面的贡献当选IEEE会士。Rao教授是IEEE的终生会士和ASEE的终生会员。作为伊利诺伊大学电气和计算机工程系的Eaward C. Jordan荣誉教授和Amrita大学的Amrita杰出工程教授，Rao教授一直活跃于国际的工程教育领域。曾出版本科教材Basic Electromagnetics with Applications和6个版本的Elements of Engineering Electromagnetics。

目录

第1章 矢量和场
1．1 矢量代数
1．2 笛卡儿坐标系
1．3 标量场和矢量场
1．4 正弦时变场
1．5 电场
1．6 磁场
小结
复习思考题
习题
第2章 麦克斯韦方程组的积分形式
2．1 线积分
2．2 面积分
2．3 法拉第定律
2．4 安培环路定律
2．5 电场的高斯定律
2．6 磁场的高斯定律
小结
复习思考题
习题
第3章 麦克斯韦方程组的微分形式
3．1 法拉第定律
3．2 安培环路定律
3．3 旋度和斯托克斯定理
3．4 电场的高斯定律
3．5 磁场的高斯定律
3．6 散度和散度定理
小结
复习思考题
习题
第4章 波在自由空间中的传播
4．1 无限大电流平面
4．2 无限大电流平面附近的磁场
4．3 麦克斯韦方程组的连续解
4．4 波动方程的解
4．5 均匀平面波
4．6 坡印亭矢量和能量存储
小结
复习思考题
习题
第5章 波在材料媒质中的传播
5．1 导体和电介质
5．2 磁性材料
5．3 波动方程及其解
5．4 电介质和导体中的均匀平面波
5．5 边界条件
5．6 均匀平面波的反射和透射
小结
复习思考题
习题
第6章 静态场、准静态场和传输线
6．1 梯度和电位
6．2 泊松方程和拉普拉斯方程
6．3 静态场和电路元件
6．4 通过准静态分析低频特性
6．5 分布电路概念和平行板传输线
6．6 任意横截面的传输线
小结
复习思考题
习题
第7章 传输线分析
7．1 短路传输线和频域特性
7．2 传输线的不连续性
7．3 Smith圆图
7．4 端接阻性负载的传输线
7．5 有初始条件的传输线
7．6 逻辑门之间的互连
小结
复习思考题
习题
第8章 波导原理
8．1 沿任意方向传播的均匀平面波
8．2 平行平板波导的横电波
8．3 色散和群速
8．4 矩形波导和谐振腔
8．5 平面波的反射和透射
8．6 介质板波导
小结
复习思考题
习题
第9章 天线基础
9．1 赫兹振子
9．2 辐射电阻和方向性系数
9．3 半波振子
9．4 天线阵列
9．5 镜像天线
9．6 接收特性
小结
复习思考题
习题
第10章 补充主题
10．1 电离媒质中波的传播
复习思考题
习题
10．2 各向异性媒质中波的传播
复习思考题
习题
10．3 电磁兼容和屏蔽
复习思考题
习题
10．4 传输线的串扰
复习思考题
习题
10．5 平行板波导的不连续性
复习思考题
习题
10．6 矢量磁位和环天线
复习思考题
习题
附录A 圆柱坐标系和球坐标系
附录B 圆柱坐标系和球坐标系中的旋度、散度和梯度
附录C 单位和量纲
奇数编号习题答案
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中英文术语对照

前言/序言

这本学时一学期的、精简版的教材介绍了电气和计算机工程技术要用到的电磁学的基本概念。本书的编写以时变场的麦克斯韦方程组为起点，将其他不同类型的场作为麦克斯韦方程组的解进行处理，并使用静态-准静态波引出物理结构的频率行为。本书采用笛卡儿坐标系来处理物质的体积，保证了几何结构的简单和易于理解，尽管笛卡儿坐标系对于学习物理概念和数学工具是足够的，但在必要的地方还需要使用其他的坐标系。

本书特色

■ 独特地介绍时变场的麦克斯韦方程组，首先介绍麦克斯韦方程组的积分形式，然后介绍麦克斯韦方程组的微分形式。

■ 在麦克斯韦方程组之后，介绍了均匀平面波在自由空间中的传播，通过考虑均匀平面波场和媒质的相互作用介绍了媒质。

■ 由物理结构的频率行为的讨论，引出了传输线和分布电路的概念。

■ 用一章的篇幅介绍了传输线分析所必需的基本知识，既包括频域分析、史密斯圆图，也包括时域分析。

■ 用一章的篇幅介绍了金属波导和介质波导的原理。

■ 通过对准静态场连续解的扩展得到赫兹振子场的完整解，以此为起点讨论了天线的基本原理。

■ 用一章的篇幅介绍了可选教学的补充主题。

再 版 序

本书是根据美国伊利诺伊大学电气与计算机工程系N. Narayana Rao博士所著的Fundamentals of Electromagnetics for Electrical and Computer Engineering 翻译而成的。

Rao教授于1965年获得华盛顿大学电气工程博士学位，同年加入伊利诺伊大学Urbana�睠hampaign分校（UIUC）电气工程系(现为电气和计算机工程系)。2007年Rao教授以电气和计算机工程的Edward C. Jordan荣誉教授从UIUC退休。在伊利诺伊大学42年的任职期间，Rao教授致力于科研、教学、管理和国际活动，讲授了多门电气工程课程，并开设了电磁场和波传播的课程，出版了6个版本的Elements of Engineering Electromagnetics本科教材。Rao教授因为他在电磁学教学和课程建设方面的出色贡献而获得了许多的奖励和荣誉。

Rao教授汇集多年教学经验编写本书，用于一学期课程教学，是精简版的教科书。书中详细介绍了电磁场理论的基础知识。以分析研究时变电磁场的麦克斯韦方程组为起点，将其他不同类型的场作为麦克斯韦方程组的解，使用静态-准静态波引出了物理结构的频率特性。采用笛卡儿坐标系来处理物质的空间特性，使得几何结构简单且易于理解。本书主要内容包括矢量和场的基本概念、时变场的麦克斯韦方程组的积分形式和微分形式、均匀平面波的传播特性、传输线理论、波导原理、天线基础。本书还在扩展部分介绍了平面波在电离媒质以及各向异性媒质中的传播、电磁兼容与屏蔽、串扰、色散等其他相关内容。附录中对圆柱坐标系和球坐标系做了简要介绍，还介绍了三种坐标系下旋度、散度和梯度的计算以及物理意义。

电磁场理论是电气电子、信息以及计算机工程专业最重要的基础课程之一。本书内容编排简洁清晰，概念原理论述清楚，分析深入浅出，概括和总结了电磁场理论在电子和计算机工程领域的发展历程，是大学高年级本科生难得的专业基础教材之一。

本书的前言、第2章、第3章、第9章和附录C由郭勇博士翻译；第1章、第4章、第5章、第8章和附录A以及索引由邵小桃副教授翻译；第6章、第7章、第10章和附录B由王国栋副教授翻译，孟水仙硕士参与了第10章部分章节的翻译工作。邵小桃副教授负责全书的统稿和内容的审校。为了与英文版教材对照，本书中的矢量符号沿用英文版中的黑正体。

由于译者水平有限，时间较紧，虽然付出了最大的努力，但译文中仍然不可避免地会出现错误和疏漏，敬请各位读者指正。

译 者

于北京交通大学

前 言

“……我正在谈论的是已经处于我们所知和所做的中心的科学和学术的领域，是曾经支持和引导我们，对我们思想非常重要的领域。正是已经如此重要的各种形式的电磁学萦绕我们和引导我们……”

—Nick Holonyak， Jr.，UIUC电气和计算机工程与物理约翰·巴丁荣誉主席教授，半导体可见光LED、激光和量子阱激光器的发明者。

“正如我们所知，电磁理论无疑是人类智慧和理性的一项至高成就。但其在科学和工程中的用处使其在任何技术和物理研究领域里成为必不可少的工具。”

—George W. Swenson， Jr.，UIUC电气和计算机工程荣誉教授。

以上的两段言论来自我的两位杰出的UIUC同事，这两段话强调了电磁学在我们的生活中无处不在的事实。简言之，每一次我们打开电气动力或电子设备的开关，每一次我们按下电子计算机键盘上或移动电话上的按键，或每一次日常电子设备的使用，电磁学便开始发挥作用。它是电气和计算机工程技术的基础，覆盖整个电磁频谱，从直流到光频。因为这样，在工程教育过程中，电磁学对于电气和计算机工程的学习是极其重要的。而电磁学的基本原理却始终不变，但讲授电磁学的方式却可能随时间的流逝而变化，因为随着电气和计算机工程技术的发展，课程的要求和基本概念的重点会发生变化。

30年前，我写了一本学时为一学期的教材，第一版的Elements of Engineering Electromagnetics。由于伊利诺伊大学当时面对增加选修课和减少必修课的压力，要求电磁学的课程由三学期的系列课程缩减为一学期的课程。考虑到学生之前在工程物理中学习了静态场的传统方法，而到麦克斯韦方程组为止，因此学时一学期的教材使用的方法和传统的处理不同，是基于动态场和动态场的工程应用。在那之后不到10年， 课程要求的放宽以及计算机的出现促成了第二版两学期用书的出版。后续的版本在本质上继承了第二版。

有趣的是，第一版中抛弃了传统处理的方法已经变得越来越适合新的形势，因为随着电气和计算机工程的发展，电磁学中基于动态场的基本概念的理解变得越来越重要了。Elements of Engineering Electromagnetics第一版另的一个特性是在处理物质体积的时候笛卡儿坐标系的使用。在后续版本中，这一点有所放宽，主要因为有加入包含圆柱坐标系和球坐标系的结构的例题的空间，虽然这些例题对于基本概念的理解并不是必不可少的。

本书是学时为一学期的教材，保持了Elements of Engineering Electromagnetics第一版的特点，同时基本概念的处理随着电气和计算机工程技术的发展与时俱进。特别是，以麦克斯韦方程组作为开端来介绍基本概念的方法，并结合了将不同类型的场看做麦克斯韦方程组的解的处理方式，使用静态-准静态波作为线索引出物理结构的频率行为的方法。因此，本书前9章中包含如下显著的特性：1. 使用笛卡儿坐标系来处理物质的体积保证几何结构简单，对学习物理概念和数学工具是足够的，在某些必要的地方采用其他的坐标系。

2. 在本书的前面首先介绍麦克斯韦方程组的积分形式，然后是麦克斯韦方程组的微分形式。

3. 通过求面电流密度为均匀正弦时变的无限大载流平面的解引入均匀平面波。

4. 通过考虑材料媒质与均匀平面波场的关系介绍了材料媒质。

5. 使用静态-准静态波作为线索引出物理结构的频率行为，进而发展到传输线和分布电路概念。

6. 在一章中覆盖了传输线频域和时域分析所必需的基本知识。

7. 通过讨论斜入射情况下均匀平面波的传播引入金属波导的概念，在讨论平面波的反射和折射之后引入介质波导的概念。

8. 通过对准静态场的解的扩展得到赫兹振子的完整解，该解能同时满足麦克斯韦两个旋度方程，然后发展天线的基本概念。最后一章用来阐述6个补充的主题，每一个主题基于之前一章或多章的内容。教师可以在讲完相应的章节之后使用这些主题进行讨论。有关圆柱坐标和球坐标的内容在附录中给出，以便在讨论了笛卡儿坐标系相应的内容之后或者在必要的时候能够学习。

考虑到不同学校的学生的不同基础，许多超过了三个学分的课程内容的资料被加入本书。全书有许多给出详解的例题，并且在有些情况下，扩展了不同的概念。每章的小结和复习题便于读者的复习。

我要对众多从1972年开始就一直使用我的教材的UIUC同事表达感激之情，也要对世界范围的无数使用者表示感谢。技术的进步（电磁学在其中也起了很大的作用）已经给现在的时代带来了很多变化，以1972年UIUC我们系开设计算机工程的课程开始，接着1984年我们系更名为电气和计算机工程系，当今世界的生活方式已由本地化变成了全球化。

本书的标题体现了在电气工程和计算机工程中对电磁学这门核心课程永恒不变的重要性的认识，尤其是现在这个高速的时代。我任职的UIUC位于西方，而同时任职的Amrita大学位于东方，但由于当今的世界已由本地化转变为全球化，我能同时任职于两所学校真是一件令人愉快的事。东方不再仅仅是东方，西方也不再仅仅是西方，两者已经互相融合。

N. Narayana Rao

感 激 之 心

那是50年前的1958年，我来到美国，身上只有50美元，还有我的祖国印度发给我的护照。除了这些，我所拥有的就是印度马德拉斯理工学院给予的本科教育，当时我的专业是电子技术领域。我在华盛顿大学获得电气工程的博士学位，随后于1965年成为UIUC电气与计算机工程系的一员。我被那时的系主任Edward C. Jordan先生深深吸引，正是他在1954—1979年的25年间为该系带来国内及国际的巨大声誉。经过42年的任教生涯，我作为电气和计算机工程系Edward C. Jordan荣誉教授于2007年6月1日正式退休。

近年来，我在印度从事工程教育。2005年12月，我得以结识博爱的精神领袖Amma Mata，她是Amrita大学的校长，人们都亲切地称她Amma，也就是妈妈的意思。从那之后，我与Amrita大学有了联系，并于2006年11月被该校授予杰出Amrita工程教授职位。我跟Amrita大学有着特别的开始，记得2006年的夏天

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