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《电磁学原理与工程应用》 本书特色： 深入浅出地阐述经典电磁场理论，并紧密结合现代工程实践，旨在构建读者对电磁现象的宏观理解与微观认知，同时提供解决实际工程问题的工具和方法。 目标读者： 电子信息工程、通信工程、电气工程及其自动化、物理学等相关专业的本科高年级学生、研究生，以及从事射频电路设计、电磁兼容（EMC/EMI）、微波技术、天线设计和电磁场仿真工程师。 --- 第一部分：基础理论的构建与深化 本书以麦克斯韦方程组为核心，系统性地梳理了静电学、静磁学、时变电磁场以及电磁波传播的基础理论。我们摒弃了传统教材中过于冗长和抽象的数学推导，转而强调物理图像的建立和工程直觉的培养。 第一章：静电场：场、势与边界条件 本章从库仑定律和电荷守恒出发，引入了电场强度 $mathbf{E}$ 和电势 $phi$ 的概念。重点分析了在真空和介质中电场的分布特性。我们详细探讨了高斯定理在求解对称性问题中的应用，并引入了泊松方程和拉普拉斯方程，展示了如何利用边界条件（如导体、介质界面）来精确求解复杂的电势分布。特殊章节聚焦于导体上的电荷分布、电容的计算，以及静电屏蔽的物理机制。对于介质材料，我们深入剖析了电位移矢量 $mathbf{D}$ 的物理意义，理解电极化现象及其对场分布的影响。 第二章：静磁场：电流、磁场与磁介质 本章过渡到静磁场，从毕奥-萨伐尔定律和安培环路定律构建了磁感应强度 $mathbf{B}$ 和磁场强度 $mathbf{H}$ 的基础框架。我们不仅分析了直线电流、线圈和螺线管产生的磁场，还深入讨论了磁矢量势 $mathbf{A}$ 在求解复杂几何结构中的优势。磁介质部分，我们详细阐述了磁化强度 $mathbf{M}$、磁导率 $mu$ 的概念，以及永磁体的特性。本章的难点在于理解磁通、磁矩，并区分磁场在铁磁材料、顺磁材料和抗磁材料中的不同响应。 第三章：时变电磁场与麦克斯韦方程组的统一 这是全书的理论核心。本章首先引入法拉第电磁感应定律和麦克斯韦的位移电流概念，成功地将静电学和静磁学统一在完整形式的麦克斯韦方程组之下。我们着重分析了麦克斯韦方程组在微分形式和积分形式下的物理意义，强调了旋度（Curl）和散度（Div）在描述场局部行为和整体守恒定律中的作用。本章末尾，我们将方程组应用于简单的线性、无损介质，为后续电磁波的分析奠定坚实基础。 --- 第二部分：电磁波的传播与辐射 基于麦克斯韦方程组，本部分将理论推导应用于动态场——电磁波的产生、传播和接收。这是连接理论与现代通信技术的核心桥梁。 第四章：平面电磁波的传播特性 本章专注于均匀、各向同性介质中的平面电磁波。我们推导出亥姆霍兹方程，并求解了在理想导体（PEC）、理想电介质（PMC）和有限电导率介质中的传播特性。关键概念包括：波阻抗 $Z$、相速、群速以及趋肤深度（Skin Depth）。对于损耗性介质，我们详细分析了衰减常数 $alpha$ 和相位常数 $eta$ 的物理含义，解释了电磁波如何在物质中能量耗散。本章的难点在于理解横电波（TE）和横磁波（TM）的偏振特性。 第五章：导行波与波导理论 本章将平面波的概念扩展到受限结构——波导。我们深入研究了矩形波导中的 TE 模式和 TM 模式，推导出截止波长 $lambda_c$ 和工作模式的选择性。重点分析了波导的色散关系，解释了为什么在截止频率以下能量无法传播。此外，书中还涵盖了圆波导和介质波导的基本原理，以及波导中的功率传输、损耗和阻抗匹配的概念，为微波系统设计打下基础。 第六章：电磁辐射与天线基础 本章讨论电磁场如何由加速电荷产生和辐射出去。我们从磁偶极子（小电流环）和电偶极子（振子）的辐射场入手，引入了远场区的概念，并重点分析了天线的辐射功率、辐射方向图（三维和二维表示）、最大辐射方向、波束宽度以及天线的增益和有效面积。对于实际天线（如偶极子、矩形环天线），本书提供了简化模型下的设计参数估算方法。 --- 第三部分：工程应用与计算方法 理论的价值在于应用。本部分侧重于将抽象的电磁学原理转化为可用于实际工程设计和分析的工具。 第七章：传输线理论与阻抗匹配 传输线（如同轴线、微带线）是实现信号和功率传输的基本单元。本章以特伦斯方程为基础，推导出电压和电流的分布，引入了输入阻抗 $Z_{in}$ 的概念。重点讲解了史密斯圆图（Smith Chart）的应用，包括如何利用史密斯圆图进行元件选择、级联匹配和阻抗变换。我们详细分析了反射系数 $Gamma$ 和电压驻波比（VSWR）在衡量传输线性能中的重要性。 第八章：电磁兼容性（EMC/EMI）与屏蔽技术 随着电子设备集成度的提高，电磁兼容性成为关键的设计约束。本章从电磁干扰的产生、耦合路径（传导、辐射、串扰）入手，系统介绍了抑制电磁辐射（EMI）和提高抗干扰能力（EMS）的工程措施。内容包括：滤波器的设计原理、屏蔽体的设计与有效性分析（基于反射和吸收原理）、接地技术（单点接地、多点接地）的优劣对比，以及 PCB 布局中的电磁设计规范。 第九章：计算电磁学（CEM）导论 在处理复杂几何结构和非均匀材料时，解析方法受限。本章提供计算电磁学（CEM）的基本概念，重点介绍有限元法（FEM）和矩量法（MoM）的基本思想和适用范围。我们阐述了如何将边界条件和材料属性离散化，并解释了求解线性方程组在电磁仿真中的作用。虽然不深入复杂的数值算法细节，但旨在帮助读者理解商用仿真软件（如 HFSS, CST）的工作原理，学会如何正确设置模型、选择求解器并解读仿真结果。 --- 总结与展望 《电磁学原理与工程应用》力求在理论的深度与工程的广度之间找到一个最佳平衡点。通过大量的工程实例和与现代技术（如 5G 通信中的波束赋形、高频电路板的串扰分析）的紧密结合，本书旨在培养读者“用电磁学思维”解决问题的能力，而非仅仅记忆公式。掌握本书内容，读者将具备分析和设计高频、高速电子系统的坚实基础。
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