在內(nèi)容編排上，采用以問題為導(dǎo)向的組織方式，依據(jù)矢量分析中的散度、旋度和波動方程等概念形成邏輯主線，分別針對電磁場和電磁波兩個大的概念體系展開編寫。前五章為矢量分析及靜態(tài)場，著重建立場的概念體系，其核心問題是場源關(guān)系，即電場與磁場的散度和旋度源。圍繞該核心問題，對電場、磁場的基本概念、基本特點、相關(guān)的邊界條件，以及在此基礎(chǔ)上求解典型的工程問題進行了闡述。后四章為時變電磁場與電磁波，著重建立波的概念體系，突出無源區(qū)域的電磁波作為亥姆霍茲方程的解這一關(guān)鍵點，以尋求不同邊界條件下波動方程的求解作為問題導(dǎo)向。內(nèi)容包括時變場的波動特性，均勻平面波在自由空間的傳播、在媒質(zhì)分界面上的反射、折射，以及波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中電磁波的傳播模式和規(guī)律等等。 主要讀者對象為電類工程專業(yè)的本科學(xué)生，特別是適合開設(shè)電磁場理論雙語課程的電子信息類高校學(xué)生。也可供一般的電子工程專業(yè)技術(shù)人員參考。

針對雙語教學(xué)要求，主要采用英文編寫，對重要的概念、定理、定律以及方法，提供中英文對照，讓學(xué)生在掌握專業(yè)英文詞匯和表達方法的同時，能夠從中英文兩種語言的角度對本課程的基本概念，基本理論有更為深入的理解，從而起到提高教學(xué)效果的目的。為便于學(xué)生更好的理解和掌握電磁場理論的基本知識點，在內(nèi)容選取、語言習(xí)慣等方面更適合國內(nèi)本科學(xué)生學(xué)習(xí)使用，每章節(jié)末尾列出了中英文對照的重要概念、定律和方法，并配備了復(fù)習(xí)思考題和習(xí)題。

雙語教學(xué)是我國高等教育適應(yīng)全球化趨勢，增強學(xué)生國際交流與競爭能力的一項重要措施。電磁場理論作為電子信息與電氣學(xué)科最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，包含的概念、原理和方法在后續(xù)多個課程中都有重要的體現(xiàn)。開設(shè)電磁場理論雙語課，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)知識的過程中同時積累和掌握中英文相關(guān)專業(yè)詞匯和表達方式，對于學(xué)生將來從事相應(yīng)的科研和技術(shù)工作十分有益。而據(jù)編者所知，國內(nèi)尚沒有專門針對電磁場雙語教學(xué)的教材。國內(nèi)已開設(shè)相關(guān)雙語課程的高校多采用英美原版英文教材，存在與國內(nèi)電磁場理論教學(xué)要求不一致等問題。本書是在筆者多年從事電磁場理論雙語教學(xué)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上編寫而成，在內(nèi)容安排、章節(jié)分配、知識側(cè)重點和講解順序上更適合于國內(nèi)雙語教學(xué)。
由于理論性強，對學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和空間想象力要求較高，電磁場理論普遍被認為是學(xué)習(xí)難度最大的電類基礎(chǔ)課程之一。這主要表現(xiàn)在課程的概念公式多、理論抽象、數(shù)學(xué)方法較為復(fù)雜，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中容易產(chǎn)生迷失感。針對這一問題，筆者嘗試在教材內(nèi)容編排上突出知識點之間的邏輯聯(lián)系，圍繞場和波這兩個大的概念體系，分別以矢量場的亥姆霍茲定理和亥姆霍茲方程在不同條件下的典型解作為邏輯主線，形成各自的核心問題，通過核心問題將各個部分的知識點串聯(lián)形成易于掌握的邏輯鏈條，以幫助學(xué)生理解每個知識點在整個電磁場基礎(chǔ)理論中的位置與作用，便于在學(xué)習(xí)過程中形成課程知識體系。
前5章的矢量分析與靜態(tài)場著重建立場的概念體系。從矢量分析的亥姆霍茲定理出發(fā)，將矢量場的散度和旋度作為場的概念體系的核心，突出場源關(guān)系這一核心問題，即電、磁場與其通量源和漩渦源的關(guān)系。亥姆霍茲定理表明任何一個矢量場均能通過其散度和旋度確定，因此，本書組織場的概念體系的邏輯鏈條為： 首先由實驗定律出發(fā)確定場的通量源和漩渦源，即微分形式的場源關(guān)系，然后通過矢量分析工具得出相應(yīng)物理定律，即積分形式的場源關(guān)系，在此基礎(chǔ)上再衍生出其他物理概念和方法。具體而言，介紹靜電場時，從庫侖定律和電場強度的概念出發(fā)，推導(dǎo)得出靜電場的通量源與渦旋源，進而推導(dǎo)出高斯定律和靜電場的無旋特性，引申出利用高斯定律和標(biāo)量電位求解電場分布的方法。介紹恒定磁場時，從磁感應(yīng)強度的概念和比奧薩法定律出發(fā)，推導(dǎo)得出恒定磁場的通量源與漩渦源，進而推導(dǎo)出安培環(huán)路定律和恒定磁場的無散特性，形成利用安培環(huán)路定律或者矢量磁位求解磁場分布的方法。靜態(tài)和時變場的邊界條件是場源關(guān)系在不連續(xù)媒質(zhì)分界面上的特殊體現(xiàn)。靜電場邊值問題的求解方法則給出了實際情況下電荷分布未知時分析場源關(guān)系的數(shù)學(xué)工具及其理論依據(jù)。介質(zhì)的極化和磁化現(xiàn)象以及導(dǎo)體在電場中的特性都反應(yīng)了不同媒質(zhì)的存在對場源關(guān)系的影響。
第6章引入時變場，從法拉第電磁感應(yīng)定律和時變條件下的電荷守恒定律出發(fā)，分別推導(dǎo)出時變電場和時變磁場的旋度，從而得出時變電場和時變磁場互為各自的漩渦源的結(jié)論，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)得到波動方程，形成電磁波的概念，為后續(xù)章節(jié)過渡到波的概念體系打下基礎(chǔ)。
后3章著重建立波的概念體系，突出無源區(qū)域的電磁波作為亥姆霍茲方程的解這一關(guān)鍵點，突出不同邊界條件下亥姆霍茲方程的求解這一核心問題，以利于學(xué)生理解數(shù)學(xué)推導(dǎo)的目的性，將復(fù)雜的數(shù)學(xué)表達式與物理意義相結(jié)合。具體而言，在自由空間中，均勻平面波的概念作為亥姆霍茲方程的最簡單的基本解被引入，在此基礎(chǔ)上定義行波電磁波的波長、相速、群速、極化、波阻抗等概念。在無限大媒質(zhì)分界面上，需要引入反射和折射的概念以形成同時滿足亥姆霍茲方程與分界面邊界條件的解，在此基礎(chǔ)上定義反射系數(shù)、透射系數(shù)以及駐波的概念。在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，各個波導(dǎo)模式則代表了滿足波導(dǎo)壁邊界條件的亥姆霍茲方程的離散的特征解。在此基礎(chǔ)上闡述不同波導(dǎo)模式對應(yīng)的不同的截止頻率、波導(dǎo)波長、相速度、波阻抗等概念。
針對雙語教學(xué)要求，本書主要采用英文編寫，對重要的概念、定理、定律以及方法，提供中英文對照，并配備了復(fù)習(xí)思考題和習(xí)題。本書的主要讀者對象為電類工程專業(yè)的本科學(xué)生，特別適用于電磁場理論雙語課程，以及針對國際留學(xué)生的電磁場理論本科課程教學(xué)，也可供一般的電子和電氣工程專業(yè)技術(shù)人員參考。
因筆者水平所限，書中難免有不足之處，衷心歡迎讀者和同行批評指正。

編著者2022年10月

王薪,清華大學(xué)電子工程系學(xué)士、碩士，美國普渡大學(xué)(Purdue University)電氣與計算機工程博士，2002年至2004年，在美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-尚佩恩分校（University of Illinois at Urbana-Champaign, UIUC）的計算電磁學(xué)中心擔(dān)任研究助理工作，2009年至2010年在美國普渡大學(xué)Birck納米研究中心擔(dān)任博士后副研究員，目前擔(dān)任南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院副教授，主要從事電磁場與微波技術(shù)、超寬帶脈沖無線電、計算電磁方法、微波遙感等方面的研究和教學(xué)工作。

Chapter 1Vector Analysis(矢量分析)

1.1Introduction(引言)

1.2Vector Representation(矢量的表示方式)

1.3Addition and Subtraction(矢量的加減法)

1.4Products of Vectors(矢量乘積)

1.4.1Multiplication by scalars(數(shù)乘)

1.4.2Dot Product/Scalar Product(點積/標(biāo)量積)

1.4.3Cross Product/Vector Product(叉積/矢量積)

1.4.4Scalar and vector triple products(標(biāo)量/矢量三重積)

1.5Orthogonal Coordinate Systems(正交坐標(biāo)系)

1.5.1Cartesian Coordinates(笛卡兒坐標(biāo))

1.5.2Cylindrical Coordinates(圓柱坐標(biāo))

1.5.3Spherical Coordinates(圓球坐標(biāo))

1.6Integrals of Vector Fields(矢量場的積分)

1.7Gradient of a Scalar Field(標(biāo)量場的梯度)

1.8Divergence of a Vector Field(矢量場的散度)

1.9Divergence Theorem(散度定理)

1.10Curl of a Vector Field(矢量場的旋度)

1.11Stokess Theorem(斯托克斯定理)

1.12Laplacian Operator(拉普拉斯算子)

1.13Curl�瞗ree and Divergence�瞗ree Fields(無旋場與無散場)

1.14Helmholtzs Theorem(亥姆霍茲定理)

Summary

Review Questions

Problems

Chapter 2Static Electric Fields(靜電場)

2.1Introduction(引言)

2.2Electric Fields and Charges(電場與電荷)

2.2.1Electric Fields Due to Discrete Charges(離散電荷產(chǎn)生的電場)

2.2.2Electric Fields Due to Continuous Charge Distributions
(連續(xù)分布電荷產(chǎn)生的電場)

2.3Divergence of Electrostatic Fields and Gausss Law(靜電場的散度與高斯定律)

2.4Curl of Electrostatic Fields and Electric Potential(靜電場的旋度與電位)

2.4.1Electric Potential Due to Discrete Charges(離散電荷產(chǎn)生的電位)

2.4.2Electric Potential Due to a Continuous Charge Distribution
(連續(xù)分布電荷產(chǎn)生的電位)

2.5Conductors in Static Electric Field(靜電場中的導(dǎo)體)

2.6Dielectrics in Static Electric Fields(靜電場中的介質(zhì))

2.7Electric Flux Density and Gausss Law(電通密度與高斯定律)

2.8Boundary Conditions for Electrostatic Fields(靜電場的邊界條件)

2.9Capacitance and Capacitors(電容)

2.10Electrostatic Energy(靜電能)

2.10.1Electrostatic Energy in Terms of Charge and Potential
(電荷與電位表示的靜電能)

2.10.2Electrostatic Energy in Terms of Electric Field Quantities
(電場表示的靜電能)

Summary

Review Questions

Problems

Chapter 3Solution of Electrostatic Boundary Value Problems
(靜電場邊界值問題求解)

3.1Introduction(引言)

3.2Poissons and Laplaces Equations(泊松方程、拉普拉斯方程)

3.3Uniqueness of Electrostatic Solutions(靜電場解的唯一性)

3.4Method of Images(鏡像法)

3.4.1Image with Respect to Planes(平面鏡像)

3.4.2Image with Respect to Spheres(球面鏡像)

3.4.3Image in Cylinders(圓柱面鏡像)

3.5Method of Separation of Variables(分離變量法)

Summary

Review Questions

Problems

Chapter 4Steady Electric Currents(恒定電流)

4.1Introduction(引言)

4.2Current Density, Ohms Law and Joules Law(電流密度、歐姆定律與焦耳定律)

4.3Divergence of Current Density and Conservation of Charge
(電流密度的散度與電荷守恒定律)

4.4Curl of Steady Electric Field and Electromotive Force(恒定電場的旋度與電動勢)

4.5Boundary Conditions for Current Density(電流密度的邊界條件)

4.6Resistance Calculations(電阻計算)

Summary

Review Questions

Problems

Chapter 5Static Magnetic Fields(恒定磁場)

5.1Introduction(引言)

5.2Magnetic Flux Density and Biot�睸avart Law(磁通密度與比奧薩法定律)

5.3Divergence of Magnetic Flux Density and Vector Magnetic Potential
(磁通密度的散度與矢量磁位)

5.4Curl of Magnetic Flux Density and Amperes Circuital Law
(磁通密度的旋度與安培環(huán)路定律)

5.5Magnetization and Equivalent Current Densities(磁化與等效電流密度)

5.6Magnetic Field Intensity and Relative Permeability(磁場強度與相對磁導(dǎo)率)

5.7Boundary Conditions for Magnetostatic Fields(恒定磁場的邊界條件)

5.8Magnetic Circuits(磁路)

5.9Inductances and Inductors(電感)

5.9.1Self�瞚nductances of thin wires(細線自感)

5.9.2Internal and external inductances(內(nèi)電感與外電感)

5.9.3Mutual inductances and the Neumann Formula(互感與紐曼公式)

5.10Magnetic Energy(磁能)

5.10.1Magnetic Energy in Terms of Currents and Magnetic Fluxes
(電流和磁通表示的磁能)

5.10.2Magnetic Energy in Terms of Field Quantities(場量表示的磁能)

Summary

Review Questions

Problems

Chapter 6Time�睼arying Electromagnetic Fields(時變電磁場)

6.1Introduction(引言)

6.2Curl of Time�睼arying Electric Field and Faradays Law of Induction
(電場的旋度與法拉第電磁感應(yīng)定律)

6.3Curl of Time�睼arying Magnetic Field and Displacement Current
(時變磁場的旋度與位移電流)

6.4Maxwells Equations(麥克斯韋方程組)

6.5Electromagnetic Boundary Conditions(電磁場邊界條件)

6.5.1Interface between Two Perfect Dielectrics(兩種理想介質(zhì)分界面)

6.5.2Interface between a Dielectric and a Perfect Conductor
(理想介質(zhì)與理想導(dǎo)體分界面)

6.6Potential Functions and Wave Equations(位函數(shù)與波動方程)

6.6.1Potential functions for time�瞯arying fields（時變場的位函數(shù)）

6.6.2Solution of Wave Equations for Potentials(位函數(shù)波動方程的解)

6.7Homogeneous Wave Equations in Source�睩ree Region(無源區(qū)域的齊次波動方程)

6.8Poynting Vector and Flow of Electromagnetic Power(坡印廷矢量與電磁功率流)

6.9Time�睭armonic Fields and Waves(時諧場與波)

6.9.1Phasor Expressions of Sinusoidal Field Quantities(正弦場量的相量表示)

6.9.2Phasor Form of Maxwells Equations(相量形式的麥克斯韋方程)

6.9.3Nonhomogeneous Helmholtzs Equations and Phasor Form of Retarded Potential
(非齊次亥姆霍茲方程，推遲位的相量形式)

6.9.4Homogeneous Helmholtzs Equations in Source�睩ree Region
(無源區(qū)域的齊次亥姆霍茲方程)

6.9.5Time�睞verage Power and Energy(時間平均功率與能量)

6.9.6Phasor Form of Poyntings Theorem(相量形式的坡印廷定理)

Summary

Review Questions

Problems

Chapter 7Uniform Plane Waves(均勻平面波)

7.1Introduction(引言)

7.2Plane Waves in Lossless Medium(無損媒質(zhì)中的平面波)

7.2.1Transverse Electromagnetic Waves(橫電磁波)

7.2.2Polarization of Plane Waves(平面波的極化)

7.3Plane Waves in Lossy Medium(有損媒質(zhì)中的平面波)

7.3.1Low Loss Dielectrics(低損耗介質(zhì))

7.3.2Good Conductors(良導(dǎo)體)

7.3.3Surface Resistance and Surface Impedance(表面電阻與表面阻抗)

7.4Group Velocity(群速度)

Summary

Review Questions

Problems

Chapter 8Plane Wave Reflection and Transmission(平面波的反射與透射)

8.1Introduction(引言)

8.2Normal Incidence at a PEC Planar Boundary(理想導(dǎo)體平面的垂直入射)

8.3Oblique Incidence at a PEC Planar Boundary(理想導(dǎo)體平面的斜入射)

8.3.1Perpendicular Polarization(垂直極化)

8.3.2Parallel Polarization(平行極化)

8.4Normal Incidence at a Dielectric Planar Boundary(理想介質(zhì)平面的垂直入射)

8.5Normal Incidence at Multiple Dielectric Interfaces(多層介質(zhì)分界面的垂直入射)

8.5.1Wave Impedance and Impedance Transformation(波阻抗與阻抗變換)

8.5.2Half�瞱ave Dielectric Window and Quarter�瞱ave Impedance transformer
(半波長介質(zhì)窗與1/4波長阻抗變換器)

8.6Oblique Incidence at a Dielectric Planar Boundary(介質(zhì)平面上的斜入射)

8.6.1Perpendicular Polarization(垂直極化)

8.6.2Parallel Polarization(平行極化)

8.6.3Total Reflection(全反射)

8.6.4Brewster Angle and Total Transmission(布儒斯特角與全透射)

Summary

Review Questions

Problems

Chapter 9Waveguides and Cavity Resonators(波導(dǎo)與諧振腔)

9.1Introduction(引言)

9.2Wave Propagation along Uniform Guiding Structures(均勻波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)波的傳播)

9.3TEM Waves and Two�睠onductor Transmission Lines(TEM波與雙導(dǎo)體傳輸線)

9.3.1General Characteristics of TEM Waves(TEM波的一般特征)

9.3.2TEM Waves in Coaxial Lines(同軸線中的TEM波)

9.4TM and TE Waves(橫磁波與橫電波)

9.4.1General Characteristics of TM Waves(橫磁波的一般特征)

9.4.2General Characteristics of TE Waves(橫電波的一般特征)

9.5Rectangular Waveguides(矩形波導(dǎo))

9.5.1TM Waves in Rectangular Waveguides(矩形波導(dǎo)內(nèi)的TM波)

9.5.2TE Waves in Rectangular Waveguides(矩形波導(dǎo)內(nèi)的TE波)

9.5.3Attenuation in Rectangular Waveguides(矩形波導(dǎo)的衰減)

9.6Circular Waveguides(圓波導(dǎo))

9.6.1TM Waves in Circular Waveguides(圓波導(dǎo)內(nèi)的TM波)

9.6.2TE Waves in Circular Waveguides(圓波導(dǎo)內(nèi)的TE波)

9.6.3Non�睺EM Waves in Coaxial Lines(同軸線中的非TEM波)

9.7Cavity Resonators(諧振腔)

9.7.1Rectangular Cavity Resonators(矩形諧振腔)

9.7.2Quality Factor of Cavity Resonator(諧振腔的品質(zhì)因數(shù))

9.7.3Circular Cavity Resonator(圓形諧振腔)

Summary

Review Questions

Problems