本教材詳細(xì)闡述了電磁場和電磁波理論，涉及了PCB中存在的電磁兼容問題以及產(chǎn)生的根源，并針對(duì)目前廣泛應(yīng)用的高速PCB設(shè)計(jì)中的信號(hào)完整性問題作了深入分析，還對(duì)常見的電磁兼容規(guī)范、靜電放電特點(diǎn)及電磁兼容測試做了簡要介紹。在教材建設(shè)思想上，體現(xiàn)教材是知識(shí)的載體，體現(xiàn)理論與技術(shù)的結(jié)合；在教材的素材選擇上，將最新的科技成果轉(zhuǎn)化為教材內(nèi)容，體現(xiàn)基礎(chǔ)性和先進(jìn)性。最后對(duì)常見的電磁兼容規(guī)范、靜電放電特點(diǎn)及電磁兼容測試做了簡要介紹。在教材建設(shè)思想上，體現(xiàn)教材是知識(shí)的載體，體現(xiàn)理論與技術(shù)的結(jié)合；在教材的素材選擇上，將最新的科技成果轉(zhuǎn)化為教材內(nèi)容，體現(xiàn)基礎(chǔ)性和先進(jìn)性。
本書在素材選擇上，將最新的科技成果轉(zhuǎn)化為教材內(nèi)容，體現(xiàn)基礎(chǔ)性和先進(jìn)性。最后對(duì)常見的電磁兼容規(guī)范、靜電放電特點(diǎn)及電磁兼容測試做了簡要介紹
著手寫一本《電磁場與電磁波》教材，感覺壓力非常大。因?yàn)榭催^太多前輩寫的經(jīng)典教材，深知我們的功力不可企及； 也因?yàn)樯磉呌刑嘣煸勆詈竦膶W(xué)者，深知自己的水平相去甚遠(yuǎn)。但是在新工科建設(shè)過程中，當(dāng)代學(xué)生的求知特點(diǎn)、培養(yǎng)目標(biāo)的持續(xù)改進(jìn)、新興產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，無不對(duì)教材內(nèi)容提出了新要求，對(duì)教材建設(shè)提出了新挑戰(zhàn)。我們就是在這樣一種新形勢下，結(jié)合自己的教學(xué)和科研經(jīng)驗(yàn)，著手編寫這本教材的。
在編寫過程中，我們主要有以下幾方面的考慮。
（1） 注重知識(shí)點(diǎn)的系統(tǒng)性。像電磁場與電磁波等重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，必須包含本科課程的系統(tǒng)知識(shí)體系，絕不能因?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而丟失課程的本色或者降低對(duì)學(xué)生的要求。在章節(jié)的安排上，我們也考慮到了學(xué)生的層次，以便任課教師靈活把握。對(duì)一些艱澀難懂的內(nèi)容，我們做了選修標(biāo)記。
（2） 注重部分內(nèi)容的可視化。電磁場和電磁波與數(shù)學(xué)是緊密聯(lián)系的，學(xué)生普遍感覺難學(xué)的原因是工科學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不足，對(duì)煩瑣的公式推導(dǎo)有排斥心理。我們組織力量，制作了一些可視化的素材，相信有利于學(xué)生學(xué)習(xí)本課程。
（3） 堅(jiān)持課程的工程基礎(chǔ)性。隨著集成電路工作頻率的提高以及器件尺寸的減小，路的特性越來越模糊，而場的效應(yīng)越來越明顯。掌握電磁場理論，有利于理解現(xiàn)代技術(shù)中的要點(diǎn)。
（4） 體現(xiàn)課程的思政內(nèi)容。我們非常注重本課程中所包含的科學(xué)精神、工程意識(shí)、工程倫理、探索精神等方面的內(nèi)涵。
在習(xí)題方面，我們分章節(jié)編寫了習(xí)題。這對(duì)知識(shí)點(diǎn)的鞏固無疑是有益的，同時(shí)這也是傳統(tǒng)教學(xué)方法的主要環(huán)節(jié)之一。為幫助大家學(xué)習(xí)，本書還提供了配套的習(xí)題全解。另外，考慮到工程教育專業(yè)認(rèn)證對(duì)解決復(fù)雜工程問題的要求，還考慮到新工科專業(yè)建設(shè)對(duì)實(shí)踐創(chuàng)新能力的要求，我們感覺有必要在習(xí)題環(huán)節(jié)設(shè)置綜合性比較強(qiáng)的習(xí)題，有必要設(shè)置一些實(shí)踐類的習(xí)題。其中有一些實(shí)踐習(xí)題是編者在承擔(dān)國家級(jí)項(xiàng)目過程中提煉出來的，也有不少問題是從學(xué)生所做的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目中提煉出來的，當(dāng)然也有不少是從生活當(dāng)中來的。實(shí)踐習(xí)題是本書的嘗試性做法，希望能為工程認(rèn)證和新工科建設(shè)過程中的教材建設(shè)提供有益的探索。
本教材包含以下章節(jié)： 第0章緒論，主要講述電磁場理論的應(yīng)用背景和發(fā)展歷程，同時(shí)簡單介紹了本課程的特點(diǎn)以及學(xué)習(xí)方法； 第1章為電磁場理論中的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，討論了學(xué)習(xí)本課程所需的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)； 第2章為靜電場，第3章為恒定電場，第4章討論恒定磁場，第5章介紹靜態(tài)場的邊值問題及其解法，這幾章都是對(duì)靜態(tài)場的討論； 第6章討論時(shí)變電磁場的基本規(guī)律； 第7章介紹平面電磁波的傳播、反射和透射； 第8章介紹導(dǎo)行電磁波，這是微波技術(shù)的基礎(chǔ)，更加系統(tǒng)的微波理論和技術(shù)需要參考專門的微波技術(shù)教材； 第9章介紹電磁波輻射的基本理論，該部分是天線技術(shù)的基礎(chǔ)，但并沒有系統(tǒng)地覆蓋天線理論和技術(shù)； 第10章簡單介紹了現(xiàn)代電磁場的仿真分析方法和軟件工具，讓學(xué)生初步了解計(jì)算電磁學(xué)。
本書由劉小明主編。在編寫過程中，錄制了部分內(nèi)容的視頻，提供了部分知識(shí)點(diǎn)的動(dòng)畫，以幫助大家學(xué)習(xí)重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容。博士研究生王宸、張編妹，碩士研究生朱承輝對(duì)本書的插圖做了大量的工作； 碩士研究生趙子躍為本書配套的動(dòng)畫做了大量的工作。
限于作者水平和編寫時(shí)間，本書一定會(huì)存在錯(cuò)誤或考慮不周之處，懇請(qǐng)專家和讀者能聯(lián)系作者，以便提高我們的編寫水平，保證本教材的質(zhì)量。
編者2025年3月
劉小明，教授、博士生導(dǎo)師，中國電子學(xué)會(huì)優(yōu)秀科技工作者，安徽省第五屆創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍人才特支計(jì)劃入選者，安徽省優(yōu)秀青年基金獲得者，安徽省教壇新秀。主要研究領(lǐng)域包括毫米波與太赫茲準(zhǔn)光技術(shù)、天線技術(shù)、射頻與微波器件和生物電磁學(xué)。主持多項(xiàng)國家863項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國家留學(xué)回國人員科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目，參加國家民用航天預(yù)先研究項(xiàng)目、科技部重大儀器專項(xiàng)、科技部國際合作專項(xiàng)。發(fā)表SCI論文50余篇，出版專著2部（含英文專著1部），獲授權(quán)發(fā)明專利20余項(xiàng)，專利成果轉(zhuǎn)化5項(xiàng)。指導(dǎo)學(xué)生獲挑戰(zhàn)杯互聯(lián)網(wǎng)＋等賽事獲國家級(jí)銅獎(jiǎng)。
第0章緒論
0.1電磁場與電磁波在生活中的應(yīng)用
0.2電磁場與電磁波的發(fā)展簡史
0.3本課程的特點(diǎn)
0.4如何學(xué)好本課程
思考題
第1章電磁場理論中的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)
1.1矢量運(yùn)算
1.1.1標(biāo)量與矢量
1.1.2矢量的加減法
1.1.3矢量的乘法
1.2梯度、散度和旋度
1.2.1標(biāo)量場的梯度
1.2.2矢量場的散度
1.2.3矢量場的旋度
1.2.4無旋場和無散場
1.2.5拉普拉斯運(yùn)算
1.3三種常用坐標(biāo)系
1.3.1圓柱坐標(biāo)系
1.3.2球坐標(biāo)系
1.4格林定理與亥姆霍茲定理*
1.4.1格林定理
1.4.2亥姆霍茲定理
本章知識(shí)結(jié)構(gòu)
習(xí)題
第2章靜電場
2.1庫侖定律與電場強(qiáng)度
2.1.1庫侖定律
2.1.2電場強(qiáng)度
2.1.3電場的疊加原理
2.2靜電場的散度和旋度
2.2.1電通量和高斯定律
2.2.2靜電場的旋度
2.3電位及其方程
2.3.1電位
2.3.2泊松方程及拉普拉斯方程
2.3.3點(diǎn)電荷的函數(shù)及格林函數(shù)
2.4電偶極子
2.4.1電偶極子的電位和電場
2.4.2電偶極子的等電位線和電場線
2.5靜電場中的介質(zhì)
2.6邊界條件
2.6.1介質(zhì)分界面上的邊界條件
2.6.2理想導(dǎo)體分界面上的邊界條件
2.7導(dǎo)體系統(tǒng)的電容
2.8靜電場能量與靜電力
2.8.1靜電場能量
2.8.2靜電力*
本章知識(shí)結(jié)構(gòu)
習(xí)題
第3章恒定電場
3.1電流密度
3.1.1電流密度的定義
3.1.2傳導(dǎo)電流和運(yùn)流電流
3.1.3歐姆定律
3.1.4焦耳定律
3.1.5電動(dòng)勢
3.2電流連續(xù)性方程
3.3恒定電場的邊界條件
3.4導(dǎo)體中恒定電場與靜電場的比擬
本章知識(shí)結(jié)構(gòu)
習(xí)題
第4章恒定磁場
4.1安培力定律與畢奧沙伐爾定律
4.1.1安培力定律
4.1.2畢奧沙伐爾定律
4.1.3洛倫茲力
4.2恒定磁場的基本方程、矢量磁位
4.2.1恒定磁場的散度、磁通連續(xù)性原理
4.2.2恒定磁場的旋度、安培環(huán)路定理
4.2.3矢量磁位
4.3磁偶極子
4.4恒定磁場中的磁介質(zhì)
4.5恒定磁場的邊界條件
4.5.1磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度以及矢量磁位的邊界條件
4.5.2標(biāo)量磁位及其邊界條件
4.6電感
4.6.1自感
4.6.2互感
4.7磁場能量和磁場力
4.7.1磁場能量及能量密度
4.7.2磁場力*
本章知識(shí)結(jié)構(gòu)
習(xí)題
第5章靜態(tài)場的邊值問題及其解法
5．1靜態(tài)場的邊值問題及唯一性定理
5．1．1邊值問題的分類
5．1．2唯一性定理
5．2鏡像法
5．2．1導(dǎo)體平面鏡像
5．2．2導(dǎo)體球面鏡像
5．2．3導(dǎo)體圓柱面的鏡像
5．2．4介質(zhì)平面的鏡像
5．3分離變量法
5．3．1直角坐標(biāo)系中的分離變量法
5．3．2圓柱坐標(biāo)系中的分離變量法
5．3．3球坐標(biāo)系中的分離變量法*
5．4有限差分法*
本章知識(shí)結(jié)構(gòu)
習(xí)題
第6章時(shí)變電磁場
6．1位移電流與全電流安培環(huán)路定律
6．2法拉第電磁感應(yīng)定律與有旋電場
6．3麥克斯韋方程組
6．4坡印廷矢量及坡印廷定理
6．5時(shí)變場下的邊界條件及唯一性定理
6．5．1時(shí)變場下的邊界條件
6．5．2時(shí)變場下的唯一性定理
6．6波動(dòng)方程
6．7時(shí)變場下的位函數(shù)
6．7．1矢量位和標(biāo)量位
6．7．2達(dá)朗貝爾方程
6．8時(shí)諧電磁場
6．8．1時(shí)諧電磁場的復(fù)數(shù)表示
6．8．2時(shí)諧電磁場的方程
6．8．3復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率
6．8．4平均能流密度和復(fù)坡印廷定理
本章知識(shí)結(jié)構(gòu)
習(xí)題
第7章均勻平面電磁波
7．1理想介質(zhì)中的平面波
7．1．1理想介質(zhì)中沿z軸傳播的均勻平面波
7．1．2理想介質(zhì)中沿任意方向傳播的均勻平面波
7．2導(dǎo)電介質(zhì)中的平面波
7．2．1導(dǎo)電介質(zhì)中的電磁波表達(dá)式
7．2．2弱導(dǎo)電介質(zhì)中的均勻平面波
7．2．3良導(dǎo)電介質(zhì)中的均勻平面波
7．2．4相速度與群速度
7．3各向異性介質(zhì)中的均勻平面波*
7．3．1張量磁導(dǎo)率
7．3．2鐵氧體均勻平面波傳播特性
7．4電磁波的極化
7．4．1線極化
7．4．2圓極化
7．4．3橢圓極化
7．5均勻平面波對(duì)分界面的垂直入射
7．5．1對(duì)介質(zhì)分界面的垂直入射
7．5．2對(duì)理想導(dǎo)體分界面的垂直入射
7．5．3對(duì)多層介質(zhì)分界面的垂直入射
7．6均勻平面波對(duì)分界面的斜入射
7．6．1對(duì)理想介質(zhì)分界面的斜入射
7．6．2對(duì)理想導(dǎo)體分界面的斜入射
本章知識(shí)結(jié)構(gòu)
習(xí)題
第8章導(dǎo)行電磁波
8．1傳輸線的電路理論
8．1．1傳輸線上的波動(dòng)方程
8．1．2無損傳輸線
8．2波導(dǎo)的電磁場理論
8．2．1TEM波
8．2．2TE波
8．2．3TM波
8．3矩形波導(dǎo)
8．3．1矩形波導(dǎo)中的TE波
8．3．2矩形波導(dǎo)中的TM波
8．4圓波導(dǎo)
8．4．1圓波導(dǎo)中的TE波
8．4．2圓波導(dǎo)中的TM波
8．5同軸波導(dǎo)
8．5．1同軸波導(dǎo)中的TEM波
8．5．2同軸波導(dǎo)中的高次模
8．6諧振腔
本章知識(shí)結(jié)構(gòu)
習(xí)題
第9章電磁波的輻射
9．1滯后位
9．2電偶極子的輻射
9．3電與磁的對(duì)偶性
9．4磁偶極子的輻射
9．5電磁輻射幾個(gè)重要的參數(shù)
9．6陣列天線
9．6．1二元陣列
9．6．2均勻直線陣列
9．7口徑場輻射
9．7．1惠更斯元的輻射
9．7．2平面口徑場的輻射
本章知識(shí)結(jié)構(gòu)
習(xí)題
第10章電磁分析方法與仿真軟件簡介
10．1電磁分析方法簡介
10．2電磁仿真軟件簡介
習(xí)題
附錄
參考文獻(xiàn)
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