(1)本書保持瞭電磁場與電磁波基礎理論的係統性、完整性,對基本概念、基本方法力求講深講透。
(2)妥善處理好電磁場與電磁波課程與前期課程(矢量分析、電磁學)和後續課程(微波技術、天綫等)的銜接,減少重復內容,突齣本課程中的教學重點。
(3)依據認知的規律和作者二十多年的教學經驗,在教學內容的編排,重點、難點講解的方法上下瞭很大工夫,使教學內容深入淺齣,有利於培養學生的自學能力。
(4)緊緊圍繞基本概念、基本方法的教學精選例題、習題。增加瞭應用與發展性專題,適當介紹電磁場與電磁波的應用和電磁科學研究領域中新的進展。
(5)兼顧教學內容的基礎性與先進性,注重培養學生的創新思想。
(6)第二版補充瞭一些電磁場與電磁波理論應用的案例。介紹電磁場與電磁波理論在一些前沿學科及生産、生活、科學研究、軍事領域中的應用。
??普通高等教育“十一五”國傢級規劃教材
教育部高等學校電工電子基礎課程教學指導委員會推薦教材
電子信息學科基礎課程係列教材
河南省精品課程配套教材
電磁場與電磁波是電子信息工程專業和通信工程專業的一門專業基礎課,使學生掌握電磁場與電磁波的基本規律、基本概念和一些基本的分析、計算方法; 學會分析、解決一些實際的工程電磁場與電磁波問題。本課程對培養學生的科學方法、創造能力和實際工作能力都起著十分重要的作用。??
??本書介紹電磁場?與電磁波的基本規律、基本概念和一些基本的分析、計算方法,幫助學生學會分析、解決一些實際的工程電磁場與電磁波問題。本書保持瞭電磁場與電磁波基礎理論的係統性、完整性,對基本概念、基本方法力求講深講透。妥善處理好電磁場與電磁波與前期課程(矢量分析、電磁學)和後續課程(微波技術、天綫等)的銜接,減少重復內容,突齣本課程中的教學重點。依據認知的規律和作者二十多年的教學經驗,在教學內容的編排,重點、難點講解的方法上下瞭很大工夫,使教學內容深入淺齣,有利於培養學生的自學能力。緊緊圍繞基本概念、基本方法的教學給齣瞭精選例題、習題。
?在第二版中又增加瞭一些應用案例,介紹電磁場與電磁波的應用和電磁科學研究領域中新的進展,兼顧教學內容的基礎性與先進性,注重培養學生的創新思想。
本書可以作為大學本科電子信息工程、通信工程等專業的教材,也可供從事電波傳播、射頻技術、微波技術、電磁兼容技術的科研和工程技術人員參考??。
鄒澎,鄭州大學信息工程學院教授,河南省電磁檢測工程技術研究中心主任,河南省電工技術學會常務理事。主要從事電磁場與電磁波理論、電磁環境、電磁乾擾與電磁兼容的研究。1992年被評為河南省首批高等學校優秀中青年骨乾教師;2006年被評為鄭州大學教學名師;主講的“電磁場與電磁波”課程被評為河南省精品課程。已齣版三本專著:《環境電磁場測量》(中國計量齣版社,1992)、《電磁兼容 原理、技術和應用》(清華大學齣版社,2007)、《電磁輻射環境影響預測與測量》(科學齣版社,2013),一本普通高等教育“十一五”國傢級規劃教材《電磁場與電磁波》(清華大學齣版社,2008)和一本譯著《電磁兼容工程》(清華大學齣版社,2013),發錶研究論文70多篇。
電子信息學科是當今世界上發展快的學科,作為眾多應用技術的理論基礎,對人類文明的發展起著重要的作用。它包含諸如電子科學與技術、電子信息工程、通信工程和微波工程等一係列子學科,同時涉及計算機、自動化和生物電子等眾多相關學科。對於這樣一個龐大的體係,想要在學校將所有知識教給學生已不可能。以專業教育為主要目的的大學教育,必須對自己的學科知識體係進行必要的梳理。本係列叢書就是試圖搭建一個電子信息學科的基礎知識體係平颱。
目前,中國電子信息類學科高等教育的教學中存在著如下問題:
(1) 在課程設置和教學實踐中,學科分立,課程分立,缺乏集成和貫通;
(2) 部分知識缺乏前沿性,局部知識過細、過難,缺乏整體性和綱領性;
(3) 教學與實踐環節脫節,知識型教學多於研究型教學,所培養的電子信息學科人纔不能很好地滿足社會的需求。
在新世紀之初,積極總結我國電子信息類學科高等教育的經驗,分析發展趨勢,研究教學與實踐模式,從而製定齣一個完整的電子信息學科基礎教程體係,是非常有意義的。
根據教育部高教司2003年8月28日發齣的[2003]141號文件,教育部高等學校電子信息與電氣信息類基礎課程教學指導分委員會(基礎課分教指委)在2004—2005兩年期間製定瞭“電路分析”、 “信號與係統”、“電磁場”、 “電子技術”和 “電工學”5個方嚮電子信息科學與電氣信息類基礎課程的教學基本要求。然而,這些教學要求基本上是按方嚮獨立開展工作的,沒有深入開展整個課程體係的研究,並且提齣的是各課程基本的教學要求,針對的是“2+X+Y”或者“211工程”和“985工程”之外的大學。
同一時期,清華大學齣版社成立瞭“電子信息學科基礎教程研究組”,曆時3年,組織瞭各類教學研討會,以各種方式和渠道對國內外一些大學的EE(電子電氣)專業的課程體係進行收集和研究,並在國內率先推齣瞭關於電子信息學科基礎課程的體係研究報告《電子信息學科基礎教程2004》。該成果得到教育部高等學校電子信息與電氣學科教學指導委員會的高度評價,認為該成果“適應我國電子信息學科基礎教學的需要,有較好的指導意義,達到瞭國內領先水平”,“對不同類型院校構建相關學科基礎教學平颱均有較好的參考價值”。
在此基礎上,由我擔任主編,籌建瞭“電子信息學科基礎課程係列教材”編委會。編委會多次組織部分高校的教學名師、主講教師和教育部高等學校教學指導委員會委員,進一步探討和完善《電子信息學科基礎教程2004》研究成果,並組織編寫瞭這套“電子信息學科基礎課程係列教材”。
在教材的編寫過程中,我們強調瞭“基礎性、係統性、集成性、可行性”的編寫原則,突齣瞭以下特點:
(1) 體現科學技術領域已經確立的新知識和新成果。
(2) 學習國外先進教學經驗,匯集國內先進的教學成果。
(3) 定位於國內重點院校,著重於理工結閤。
(4) 建立在對教學計劃和課程體係的研究基礎之上,盡可能覆蓋電子信息學科的全部基礎。本叢書規劃的14門課程,覆蓋瞭電氣信息類如下全部7個本科專業:
電子信息工程
通信工程
電子科學與技術
計算機科學與技術
自動化
電氣工程與自動化
生物醫學工程
(5) 課程體係整體設計,各課程知識點閤理劃分,前後銜接,避免各課程內容之間交叉重復,目標是使各門課程的知識點形成有機的整體,使學生能夠在規定的課時數內,掌握必需的知識和技術。
(6) 以主教材為核心,配套齣版習題解答、實驗指導書、多媒體課件,提供全麵的教學解決方案,實現多角度、多層麵的人纔培養模式。
(7) 由國內重點大學的精品課主講教師、教學名師和教指委委員擔任相關課程的設計和教材的編寫,力爭反映國內先進的教改成果。
我國高等學校電子信息類專業的辦學背景各不相同,教學和科研水平相差較大。本係列教材廣泛聽取瞭各方麵的意見,汲取瞭國內優秀的教學成果,希望能為電子信息學科教學提供一份精心配備的搭配科學、營養全麵的“套餐”,能為國內高等學校教學內容和課程體係的改革發揮積極的作用。
然而,對於高等院校如何培養齣既具有紮實的基本功,又富有挑戰精神和創造意識的社會棟梁,以滿足科學技術發展和國傢建設發展的需要,還有許多值得思考和探索的問題。比如,如何為學生營造一個寬鬆的學習氛圍?如何引導學生主動學習,chao yue自己?如何為學生打下寬厚的知識基礎和培養某一領域的研究能力?如何增加工程方法訓練,將紮實的基礎和寬廣的領域纔能轉化為工程實踐中的創造力?如何激發學生深入探索的勇氣?這些都需要我們教育工作者進行更深入的研究。
提高教學質量,深化教學改革,始終是高等學校的工作重點,需要所有關心我國高等教育事業人士的熱心支持。在此,謹嚮所有參與本係列教材建設工作的同仁緻以衷心的感謝!
本套教材可能會存在一些不當甚至謬誤之處,歡迎廣大的使用者提齣批評和意見,以促進教材的進一步完善。
2008年1月
緒論
第1章矢量分析
1.1矢量運算
1.2空間矢量
1.3矢量場和標量場
1.4三種常用的正交坐標係
1.4.1直角坐標係
1.4.2圓柱坐標係
1.4.3球坐標係
1.5矢量的微分
1.5.1矢量場的散度,散度定理
1.5.2矢量場的鏇度,斯托剋斯定理
1.5.3標量場的梯度
1.6亥姆霍茲定理
1.7微分算符
第1章習題
第2章靜電場分析
2.1靜電場的基本規律
2.1.1電荷與電荷分布
2.1.2場強E和電位Φ
2.1.3靜電場的基本方程
2.1.4場強E和電位Φ的計算
2.1.5靜電場中的導體
2.1.6靜電場中的電介質
2.1.7電力綫方程和等位麵方程
2.2靜電場的邊界條件
2.2.1兩種電介質界麵上的邊界條件
2.2.2導體與電介質分界麵上的邊界條件
2.3泊鬆方程和拉普拉斯方程
2.4唯一性定理
2.4.1格林定理
2.4.2靜電場的邊值問題
2.4.3唯一性定理
2.5導體係統的電容
2.5.1兩導體間的電容
2.5.2部分電容
2.6靜電場的能量與力
2.6.1靜電場的能量
2.6.2利用虛位移原理計算電場力
2.7恒定電場(恒定電流場)
2.7.1電流與電流密度
2.7.2恒定電場的基本方程和邊界條件
2.7.3導電媒質中的傳導電流
2.7.4運流電流
2.7.5導電媒質中恒定電場與靜電場的比擬
2.7.6接地
2.8靜電場的應用
2.8.1電偏轉和電聚焦
2.8.2噴墨打印機
2.8.3靜電除塵
2.8.4靜電復印
2.8.5靜電屏蔽
2.8.6靜電的危害與防護
第2章習題
第3章恒定磁場
3.1恒定磁場的基本規律
3.1.1磁感應強度B
3.1.2恒定磁場的基本方程
3.1.3磁介質的磁化
3.1.4磁場的計算方法
3.1.5磁路
3.2恒定磁場的邊界條件
3.2.1兩種磁介質界麵上的邊界條件
3.2.2鐵磁質錶麵的邊界條件
3.3矢量磁位
3.3.1矢量磁位A的引入
3.3.2矢量磁位A的微分方程及其解
3.3.3矢量磁位A的邊界條件
3.3.4利用矢量磁位A計算磁場
3.3.5磁偶極子及其磁場
3.4標量磁位
3.5電感
3.5.1自感係數和互感係數
3.5.2M和L的計算
3.5.3部分電感
3.6磁場的能量和力
3.6.1電流迴路係統的能量
3.6.2磁場的能量
3.6.3磁場力
3.7恒定磁場的應用
3.7.1磁屏蔽
3.7.2磁記錄
3.7.3迴鏇加速器
3.7.4磁聚焦
3.7.5等離子體的磁約束
第3章習題
第4章靜態場邊值問題的解法
4.1電磁場邊值問題概述
4.2直角坐標係中的分離變量法
4.3圓柱坐標係中的分離變量法
4.3.1圓柱坐標係中二維場的分離變量法
4.3.2圓柱坐標係中三維場的分離變量法*
4.4球坐標係中的分離變量法
4.5鏡像法
4.5.1點電荷對無限大導體平麵的鏡像
4.5.2點電荷對介質平麵的鏡像
4.5.3電流對鐵闆平麵的鏡像
4.5.4點電荷對導體球的鏡像
4.5.5電軸法
4.6有限差分法
4.6.1差分原理
4.6.2有限差分法的基本方法
4.6.3軸對稱場的計算
4.6.4場強E、H、B的計算
4.6.5時域有限差分法簡介
第4章習題
第5章時變電磁場
5.1電磁感應定律
5.2位移電流
5.3麥剋斯韋方程組
5.4時變場的邊界條件
5.5坡印廷定理和坡印廷矢量
5.6時變電磁場的矢量位和標量位
5.6.1矢量位A和標量位Φ的引入
5.6.2達朗貝爾方程
5.7應用案例電磁場在醫學領域的應用
5.7.1CT
5.7.2磁共振成像
5.7.3微波切除腫瘤
第5章習題
第6章平麵電磁波
6.1正弦電磁場的復數錶示方法
6.2平均坡印廷矢量
6.3理想介質中的均勻平麵波
6.3.1電磁波傳播的基本方程
6.3.2均勻平麵電磁波
6.4波的極化特性
6.5損耗媒質中的均勻平麵波
6.6電磁波在各嚮異性介質中的傳播*
6.6.1等離子體中的均勻平麵波
6.6.2鐵氧體中的均勻平麵波
6.7平麵上的垂直入射
6.7.1兩種媒質分界麵上的垂直入射
6.7.2理想導體錶麵的反射、駐波
6.7.3兩種理想介質界麵的反射、駐波比
6.8平麵上的斜入射
6.8.1理想導體錶麵的斜入射
6.8.2理想介質錶麵的斜入射
6.9相速度與群速度
6.10應用案例
6.10.1電磁頻譜
6.10.2極化技術的應用(簡介)
6.10.3電磁波增透技術與隱身技術
第6章習題
第7章導行電磁波
7.1傳輸綫
7.1.1傳輸綫的分布參數及其等效電路
7.1.2均勻傳輸綫方程及其解
7.1.3傳輸綫上行波的特性參數
7.1.4傳輸綫的工作參數
7.1.5無耗傳輸綫工作狀態分析
7.1.6史密斯圓圖
7.2波導
7.2.1波導的一般分析方法
7.2.2規則金屬波導
7.2.3同軸綫
7.2.4光波導簡介
7.3諧振腔
7.4應用案例
7.4.1短路、開路技術的應用
7.4.2s參數
第7章習題
第8章電磁波輻射
8.1滯後位
8.2電偶極子天綫輻射
8.3磁偶極子天綫輻射
8.3.1電與磁的對偶性
8.3.2磁偶極子天綫的輻射
8.4天綫的輻射特性和基本參數
8.5接收天綫
8.6常用的綫天綫
8.7天綫陣**
8.7.1二元直綫陣與方嚮圖乘積定理
8.7.2均勻直綫陣
8.8麵天綫基礎**
8.8.1惠更斯元的輻射
8.8.2平麵口徑的輻射
8.8.3常用的麵天綫
8.9應用案例
8.9.1GPS定位
8.9.2雷達
8.9.3電磁兼容技術簡介
第8章習題
附錄1習題參考答案
附錄2符號錶
附錄3常用的數學公式
附錄4電磁單位製
附錄5常用的物理常數
附錄6常用材料的參數
附錄7史密斯圓圖
索引
參考文獻
對於我來說,這本書的語言風格就像是為資深研究者量身定做的,而不是麵嚮我們這些基礎課程的初學者。那些專業術語的使用,雖然準確,但往往缺乏必要的解釋和拓展。很多時候,我需要一邊閱讀,一邊查閱厚厚的詞典和參考書,纔能勉強理解一句話的意思。這種低效的學習方式,極大地打擊瞭我的積極性。特彆是書中一些關於數學推導的部分,給人的感覺是“你知道的,我不需要再說”,這對於剛接觸這門學科的學生來說,簡直是緻命的。我期待的是一種能夠循序漸進、由淺入深的學習體驗,而不是一上來就被扔進深水區。書中的圖錶也常常顯得不夠清晰,有些示意圖的標注模糊不清,甚至有些圖錶和文字描述並不完全對應,這讓我花瞭更多的時間去猜測和揣摩。我想,一本好的教材,應該盡可能地減少讀者的理解障礙,讓知識的學習過程變得更加順暢和愉快。我實在不明白,為什麼在這樣一個信息爆炸的時代,一本基礎課程的教材,還能寫得如此“高高在上”,讓普通讀者望而卻步。
評分這本教材的內容組織實在讓人詬病,感覺像是把零散的知識點拼湊在一起,缺乏一個清晰的脈絡和深入的思考。很多章節的銜接都顯得生硬,讀起來總有一種斷層感。比如,在講解某個概念時,突然就跳到瞭另一個完全不相關的內容,然後又在後麵的章節纔勉強提及之前的內容,這讓學習過程變得非常碎片化。我花瞭很長時間纔勉強理解瞭幾個章節的內容,但當我去嘗試做一些綜閤性的習題時,卻發現自己根本無法將之前學到的知識融會貫通。書本上的習題也存在一些問題,有些題目難度設置不閤理,要麼過於簡單,要麼就突然變得異常刁鑽,讓人無從下手。而且,很多習題的解答過於簡略,或者根本就沒有提供詳細的解題思路,這對於初學者來說,無疑是雪上加霜。我曾經嘗試過按照書本的提示去解題,結果發現自己繞瞭很多彎路,事倍功半。讓我感到尤其沮喪的是,書中一些關鍵概念的闡述不夠深入,缺乏必要的背景介紹和實際應用案例,導緻我很難體會到這些理論的意義和價值。我渴望一本能夠引領我深入思考,觸類旁通的教材,而不是一本僅僅羅列知識點,卻不教你如何思考的“工具書”。
評分這本書給我的整體感覺就是“乾癟”,缺乏靈魂。它更像是一份機械的知識清單,而不是一本真正意義上的教科書。讓我感到失望的是,書中對於物理概念的解釋,往往停留在錶麵,缺少深入的探討和獨到的見解。例如,在講解電磁波的傳播機理時,書中隻是簡單地給齣瞭幾個公式和結論,卻沒有深入分析這些公式背後的物理意義,也沒有提供一些生動的類比來幫助理解。這讓我很難對電磁波産生直觀的認識,感覺它隻是一堆抽象的數學符號。同樣,在介紹一些重要的物理現象時,書本也隻是草草帶過,沒有提供足夠的背景信息和相關的曆史發展脈絡,這讓我很難感受到這些知識的“生命力”。我希望教材能夠激發我的好奇心,引導我去思考“為什麼”,而不是簡單地告訴我“是什麼”。書中對於習題的設置也比較單一,很多題目都隻是對書本內容的簡單重復,缺乏一些需要獨立思考和創新解法的題目。我期待的是一本能夠啓發我的思維,培養我的科學探究精神的教材。
評分坦白說,這本書的閱讀體驗相當不友好。我感覺作者的寫作方式更像是在給同行撰寫學術報告,而不是為學生編寫入門教材。大量的專業術語和復雜的句式結構,讓我在閱讀過程中疲憊不堪。我常常需要反復閱讀同一段文字,纔能勉強抓住其中的核心意思。更糟糕的是,書中對一些概念的引入,缺乏必要的鋪墊和解釋,感覺讀者應該對此已經有一定程度的瞭解。這對於初次接觸電磁場和電磁波的同學來說,無疑是一種巨大的挑戰。例如,在講解麥剋斯韋方程組時,書本直接給齣瞭微分形式和積分形式,卻沒有花足夠的時間去解釋這些方程組的由來以及它們所代錶的物理意義,這讓我感覺像是被直接推到瞭一個高難度關卡。我希望能有一本教材,能夠用更通俗易懂的語言,更清晰的邏輯,來引導我一步步地理解這些復雜的理論。書中的插圖和圖錶質量也參差不齊,有些插圖的比例失調,有些圖錶的文字標注過於擁擠,這都影響瞭理解的效率。我希望我的學習過程能夠順暢而有啓發,而不是充滿挫敗感。
評分這本書簡直是一場噩夢,讓我對“基礎”這兩個字産生瞭深深的懷疑。我一直以為電磁場和電磁波是物理學中比較抽象但邏輯嚴謹的學科,但這本書給我的感覺卻是,作者似乎在刻意地設置障礙,讓理解變得異常睏難。一開始,那些公式推導就如同天書一般,跳躍性極強,完全沒有給齣充分的鋪墊和解釋。我反復翻閱,試圖找齣其中的邏輯鏈條,卻發現自己越陷越深。更讓我抓狂的是,書中的一些例題,看似簡單,但當你嘗試獨立解答時,卻會發現書中給齣的解法存在一些微妙的、難以察覺的錯誤,或者說是遺漏瞭一些關鍵步驟。這讓我對書本的權威性産生瞭動搖,甚至開始懷疑自己是不是根本就不適閤學習這門課程。大量的符號和定義堆砌在一起,卻沒有清晰的圖示和直觀的比喻來輔助理解,讓人感覺像是在和一堆枯燥的符號在搏鬥,而不是在探索物理世界的奧秘。我花瞭大量的時間去查閱其他的參考資料,試圖從不同的角度去理解書本上的概念,但這本書的寫作風格和內容組織方式,卻讓這種努力變得異常艱難。我希望一本教材能像一位循循善誘的老師,引導我一步步走進知識的殿堂,而不是像一位冷漠的審判官,隻留下令人費解的條條框框。
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