電磁場與電磁波教學、學習與考研指導(第4版)（簡體書）

本書為國家級首批一流本科課程“電磁場與電磁波”配套教材、北京市優質本科教材和北京郵電大學 “十四五”規劃教材《電磁場與電磁波》(第4版)(張洪欣等編著,清華大學出版社出版)的配套教學輔導用 書。本書章節安排與主教材一致,每章包括內容提要及學習要點、典型例題解析、主教材習題解答、典型考 研試題解析4部分。在總結和介紹“電磁場與電磁波”課程的基本概念、規律及其應用的基礎上,對重點和 難點內容作了剖析,提煉知識要點、把握邏輯要素、透析解題技巧。選題與教學大綱和研究生入學考試大 綱緊密結合,在解題過程中注重凝練解題方法,突出物理概念和數學工具的融合,通過歸納、類比、演繹等 方法梳理知識脈絡和解題思路,創新教學方法,便于教師教學、學生學習和知識鞏固。 本書共分為9章。第1章介紹正交坐標系和矢量分析的基本原理;第2章介紹靜電場、恒定電場的基 本方程及其性質;第3章介紹恒定磁場的基本方程及其性質;第4章介紹靜態場的邊值問題及應用;第5 章介紹麥克斯韋方程組及其性質;第6章介紹平面電磁波在無界媒質中的傳播及其應用;第7章分析電 磁波在不同媒質分界面的反射和折射;第8章介紹導行電磁波的種類及基本應用;第9章介紹電磁波的 輻射及基本應用等。本書共收錄了500余道習題,包括典型例題、主教材習題和考研題。 本書可以作為高等院校通信工程、電子信息類和電氣信息類專業“電磁場基礎理論”課程的輔助參考 用書、研究生入學考試復習指導用書等。

張洪欣：北京郵電大學電子工程學院教授、博士生導師，國家級一流本科專業負責人，國家級一流本科課程負責人，北京市高等學校教學名師，北京市師德先鋒，北京市高校課程思政示范課程負責人，北京郵電大學優秀本科教學團隊負責人，世界機器人大賽錦標賽優秀指導教師，中國研究生電子設計競賽優秀指導教師。先后兼任北京電子電器協會副會長、北京電子電器協會電磁兼容分會會長、全國高等學校電磁場教學與教材研究會常務理事、國家教材委員會專家、學位與研究生教育發展中心評議專家、北京市科學技術獎評審專家、全國DSP應用技術學術會議副主任委員、北京生理科學會董事、中國電機工程學會電磁環境專委會委員、世界機器人大賽BCI腦控機器人大賽組委會委員、中國電子學會電波傳播分會委員、世界機器人大賽—BCI腦控機器人大賽組委會委員、IET高級會員。擔任《電波科學學報》專刊主編、The Journal of China University of Posts and Telecommunications和Iraqi Journal for Electrical and Electronic Engineering編委。長期從事無線通信、信號與信息處理、電磁兼容與信息安全、生物電子等領域的教學和研究工作。先后開設“電磁場與電磁波”“物理光學”“計算電磁學的數值方法”“電磁兼容原理”“生物電子學”“通信原理”“計算機原理”“電路分析”“數字電路技術”等本科生及研究生課程。發表學術論文200余篇，主持國家自然科學基金、國家重大研究計劃、國家科技支撐計劃、航空科學基金等50多項科研項目。申請國家發明專利20余項，出版圖書5部。獲得中國產學研合作創新與促進獎、北京市教育教學成果獎一等獎、第五屆中國創新挑戰賽專題賽優秀獎、2023年世界機器人大賽十大技術創新成果等40多項獎項。

知識系統 面向電子信息類專業本科生，將知識脈絡、概念原理、基本定理等逐次展開，突出前后知識內容之間的相互聯系，強調課程知識體系的完整性和系統性。

注重應用 將原理、概念和解題方法相結合，對經典范例、典型考試真題等進行分析，透過電磁現象掌握電磁規律的本質，梳理解題的基本思路和方法。

方法獨到 系統總結編著者多年的教學經驗和體會，對原理、概念的理解具有獨到之處，并提出新的觀點和方法。

提高能力 對重點和難點進行剖析，介紹解題技巧，幫助讀者理解知識要點，提高解題能力，易教易學。

“電磁場與電磁波”為電磁場理論的核心知識單元，也是電磁工程、射頻與微波網絡、天線技術、微波電路與器件等領域的基礎知識單元。該書在編寫過程中，緊密圍繞電子信息類專業培養目標和要求、電子信息類專業知識體系的內涵和規律，遵循教學和認識規律，體現“知識、能力、素質”協調發展的原則，注重創新意識的培養，以適應電子信息科學領域的發展趨勢。

本書凝聚了編者多年從事“電磁場與電磁波”教學的心得體會，在編寫過程中突出數學方法與物理概念的融合，采用歸納法、比擬法、演繹法等，便于學生理解和掌握電磁場與電磁波的知識，培養分析和解決復雜電磁工程問題的能力； 對重點和難點問題作了通俗化處理，在概念、規律及定律的闡釋，以及解題方法上均有獨到之處。例如，賦予“三度”、邊界條件、鏡像法、電磁輻射過程等形象的物理描述，提出了“追趕法”與“不等式法”等對電磁波極化和波導模式進行分析，以相位為紐帶理解電磁波的性質和電磁能量傳播過程等； 在內容組織上，對知識脈絡、重要公式、基本定理、經典實例等逐次展開、依次剖析，使學生循序漸進地提高認識水平，提升理解層次。

本書的主要內容不僅包括主教材對應的內容提要、重點與難點分析、習題解答等，還針對經典的例題和典型考研試題進行剖析。旨在幫助學生掌握該門課程的主要內容，對前后知識融會貫通，掌握重點、突破難點； 掌握典型電磁問題的基本分析思路和方法，掌握解題技巧，提高解題能力。所選題目均來自經典實例、著名高校的考試真題，具有很強的代表性，能夠滿足學生復習的需求。可以幫助考生在短期內更好地掌握該課程的內容，提高對電磁場理論的應用能力。

本書共分9章，每章包括內容提要及學習要點、典型例題分析、主教材習題解答、典型考研試題分析等四部分。第1章介紹常用正交坐標系和矢量分析，重點分析通量、環量、方向導數，以及標量場的梯度、矢量場的散度和旋度的定義及其計算，介紹亥姆霍茲定理的內容及其應用。第2章介紹靜態電場的基本方程及其性質，重點分析靜電場與恒定電場基本方程的積分和微分形式及其應用，使讀者掌握靜態電場的邊界條件，介質的極化，電位、電場能量及電場力的計算等； 第3章介紹恒定磁場的基本方程及其性質，重點分析恒定磁場的基本方程的積分和微分形式，使讀者掌握恒定磁場的邊界條件、介質的磁化、矢量磁位、電感、磁場能量及磁場力的計算等； 第4章介紹靜態場的邊值問題，重點分析鏡像法與分離變量法的應用，使讀者掌握利用鏡像法、分離變量法求解典型電磁問題的規律； 第5章介紹麥克斯韋方程組，重點分析時變電磁場的性質和變化規律，使讀者掌握麥克斯韋方程組及交變場位的求解，電磁場的復數形式、電磁能量密度、能流密度矢量等的物理意義與計算等； 第6章介紹平面電磁波在無界媒質中的傳播，重點分析平面波的性質、波動的本質，使讀者掌握電磁波基本參數的物理意義與表達式、電磁波的極化、平面波在良介質及良導體中的傳播特性、趨膚效應、功率損耗等； 第7章分析電磁波在理想導體表面、理想介質分界面的反射和折射，重點分析入射空間及折射空間場的分布規律及性質，使讀者掌握反射、折射的含義及行波、駐波的概念及能量分配，全反射和全折射現象的物理意義等； 第8章介紹導行電磁波的種類，重點分析電磁波在矩形波導的傳播特性，使讀者掌握波導的截止參數和傳播特性參數、同軸線與常用導波系統的主要特點、諧振腔的工作原理等； 第9章介紹電磁波的輻射，重點分析電流元、偶極天線的輻射特性，近場區與遠場區劃分及特點，使讀者理解天線基本參數及應用等。

本書由張洪欣、沈遠茂、楊晨編寫，其中張洪欣編寫了各章的內容提要及學習要點、典型例題分析、典型考研試題分析等部分，以及第5章、第8章、第9章的主教材習題解答，并完成統稿； 沈遠茂編寫了第2章、第6章、第7章的主教材習題解答，楊晨編寫了第1章、第3章、第4章的主教材習題解答，并對全書習題進行了校訂。

本書修訂了第1、2、3版存在的錯誤與不當之處，增編了典型例題分析和關鍵知識點解析。

本書的出版得到了北京郵電大學電子工程學院及清華大學出版社的大力支持，在此一并表示誠摯的感謝。

限于編者學識有限，書中難免存在一些缺點、疏漏和不足，敬請廣大讀者批評指正。

編者

2024年3月于北京郵電大學

第1章矢量分析

1.1內容提要及學習要點

1.1.1矢量代數

1．1．23種常用的坐標系

1.1.3標量場的梯度

1.1.4矢量場的通量與散度

1.1.5矢量場的環量與旋度

1.1.6格林定理

1.1.7亥姆霍茲定理及矢量場的唯一性定理

1.2典型例題解析

1.3主教材習題解答

1.4典型考研試題解析

第2章靜電場和恒定電場

2.1內容提要及學習要點

2.1.1靜電場的基本方程

2.1.2電位

2.1.3電介質中的場

2.1.4靜電場的邊界條件

2.1.5電容、電場的能量及電場力

2.1.6恒定電場

2.1.7靜電場比擬法

2.2典型例題解析

2.3主教材習題解答

2.4典型考研試題解析

第3章恒定磁場

3.1內容提要及學習要點

3.1.1恒定磁場的基本方程

3.1.2恒定磁場的位函數

3.1.3磁偶極子與介質的磁化

3.1.4恒定磁場的邊界條件

3.1.5電感

3.1.6恒定磁場的能量和磁場力

3.2典型例題解析

3.3主教材習題解答

3.4典型考研試題解析

第4章靜態電磁場邊值問題的解法

4.1內容提要及學習要點

4.1.1邊值問題的分類

4.1.2邊界條件的分類

4.1.3靜態電磁場的唯一性定理

4.1.4分離變量法

4.1.5鏡像法

4.2典型例題解析

4.3主教材習題解答

4.4典型考研試題解析

第5章時變電磁場

5.1內容提要及學習要點

5.1.1麥克斯韋方程組

5.1.2時變電磁場的邊界條件

5.1.3時諧電磁場及麥克斯韋方程組的復數形式

5.1.4時變電磁場的能量及功率

5.1.5時變電磁場的唯一性定理、位函數及波動方程

5.2典型例題解析

5.3主教材習題解答

5.4典型考研試題解析

第6章平面電磁波

6.1內容提要及學習要點

6.1.1波動方程

6.1.2均勻平面電磁波

6.1.3電磁波的極化

6.1.4導電媒質中的均勻平面波

6.2典型例題解析

6.3主教材習題解答

6.4典型考研試題解析

第7章平面電磁波在媒質界面上的反射與折射

7.1內容提要及學習要點

7.1.1反射系數、折射系數

7.1.2行波、駐波與行駐波

7.1.3時諧平面波在不同媒質分界平面上反射、折射的一般規律

7.1.4時諧平面波向不同媒質界面的垂直入射

7.1.5時諧平面波向不同媒質界面的斜入射

7.1.6平面波在導電媒質分界面的反射與折射

7.1.7平面波在多層媒質分界面的垂直入射

7.2典型例題解析

7.3主教材習題解答

7.4典型考研試題解析

第8章導行電磁波

8.1內容提要及學習要點

8.1.1導行電磁波及其導行系統

8.1.2雙線傳輸線

8.1.3同軸傳輸線

8.1.4矩形波導中的導波

8.1.5導波的駐波及諧振腔

8.2典型例題解析

8.3主教材習題解答

8.4典型考研試題解析

第9章電磁輻射

9.1內容提要及學習要點

9.1.1滯后位

9.1.2電偶極子的輻射

9.1.3磁偶極子的輻射

9.1.4電與磁的對偶原理

9.1.5對稱振子天線

9.1.6天線的基本參數

9.2典型例題解析

9.3主教材習題解答

9.4典型考研試題解析

附錄

參考文獻