包邮电磁场与光波、电磁波:MATLAB实践版

作者：曹建章

出版社：西安电子科技大学出版社出版时间：2023-08-01

开本：其他页数： 584

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电磁场与光波、电磁波:MATLAB实践版版权信息

ISBN：9787560667072
条形码：9787560667072 ; 978-7-5606-6707-2
装帧：平装-胶订
册数：暂无
重量：暂无
所属分类：
教材
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工学

电磁场与光波、电磁波:MATLAB实践版本书特色

本书具有以下主要特点：
（1）物理概念清晰，重点突出，数学推导严谨，层次分明，论述由表及里，由浅入深，便于自学。
（2）内容反映教学研究成果，安排合理，学生易于接受。
（3）取材在深度和广度上充分反映了现代前沿科学领域的知识内容。
（4）结合MATLAB仿真计算，内容图文并茂，体现了教学改革的新观念和新方法。
（5）理论联系实际，面向工程应用，培养创新思维，夯实能力基础。

电磁场与光波、电磁波:MATLAB实践版内容简介

本书是作者多年来从事电磁场与电磁波理论课程教学成果的总结。全书共分15章。第1章为矢量分析和场论基础；第2至5章分别为静电场、静电场边值问题的求解、恒定电流与恒定电场、恒定电流的磁场；后10章分别为时变电磁场、无界空间电磁波的传播、平面电磁波的反射与透射、光的干涉、光的衍射、平面光波在各向异性线性介质中的传播、传输线、金属波导、光波导和天线基础。
本书系统地把电磁场与电磁波的数学原理用MATLAB仿真程序进行数值模拟，从而把数学问题转化为易于理解的可视化图形。这样不仅可以帮助学生理解电磁场的分布特性和光波、电磁波的传播特性，还可以提升学生学习数学的兴趣，进而提升其学习电磁理论课的兴趣。通过本书的学习，学生不仅可以学到扎实的电磁场与电磁波基础理论知识，还可以把学到的理论知识运用到MATLAB中去创建简单的程序。MATLAB仿真既可以展现理论概念，又可以帮助学生更好地理解物理参数的意义和价值。
本书内容翔实，概念清晰，数学描述细腻而严谨，层次分明，取材具有一定的广度和深度，在内容上作了适当取舍，可作为不同层次、不同电类专业和光类专业本科生学习电磁场与电磁波理论的教材，也可作为低年级研究生深入学习电磁场理论的参考书。同时，本书还可为从事电磁场与电磁波理论教学、光学教学和光通信及天线设计的科研人员提供参考。

电磁场与光波、电磁波:MATLAB实践版目录

第1章矢量分析和场论基础 1 1.1 标量和矢量 1 1.2 矢量的运算 1 1.2.1 直角坐标系中矢量的表示 1 1.2.2 矢量的运算 2 1.3 标量场和矢量场 4 1.4 特殊正交曲线坐标系 5 1.4.1 直角坐标系 6 1.4.2 圆柱坐标系 7 1.4.3 球坐标系 10 1.5 场论 14 1.5.1 数量场的等值面和矢量场的矢量线 14 1.5.2 标量场的梯度和方向导数 16 1.5.3 矢量场的通量和散度 17 1.5.4 矢量场的环量和旋度 21 1.5.5 符号说明 27 1.6 拉普拉斯算子和拉普拉斯方程 28 1.7 电磁场的分类和赫姆霍兹定理 29 习题1 31 第2章静电场 34 2.1 库仑定律和电场强度 34 2.1.1 库仑定律 34 2.1.2 电场强度 35 2.2 电位 39 2.2.1 电位的定义 39 2.2.2 点电荷的电位 39 2.2.3 连续分布电荷的电位 40 2.2.4 电场与电位的关系 40 2.3 电偶极子的电场 41 2.4 物质的电特性 42 2.4.1 介质的极化及极化强度 43 2.4.2 极化电荷产生的电位 47 2.5 静电场的基本方程 48 2.5.1 静电场的通量和散度 48 2.5.2 静电场的环量和旋度 53 2.5.3 静电场的基本方程 54 2.6 泊松方程与拉普拉斯方程 54 2.7 静电场边界条件 55 2.7.1 D的法向分量边界条件 55 2.7.2 E的切向分量边界条件 56 2.7.3 静电场边界条件小结 58 2.8 导体系统的电容 61 2.8.1 两导体电容 61 2.8.2 部分电容 63 2.9 电场能量 67 2.9.1 电场能量 67 2.9.2 能量密度 67 2.10 电场力 69 习题2 72 第3章静电场边值问题的求解 75 3.1 静电场边值问题的分类 75 3.2 唯一性定理 76 3.3 镜像法 77 3.3.1 平面镜像法 77 3.3.2 柱面镜像法——电轴法 82 3.3.3 球面镜像法 85 3.4 分离变量法 89 3.4.1 直角坐标系下的分离变量法 89 3.4.2 圆柱坐标系下的分离变量法 95 3.4.3 球坐标系下的分离变量法 100 3.5 格林函数法 104 3.5.1 δ函数的基本概念 104 3.5.2 格林函数 106 3.5.3 静电场边值问题解的格林函数积分表达式 108 习题3 112 第4章恒定电流与恒定电场 115 4.1 电流与电流密度 115 4.1.1 电流强度的概念 115 4.1.2 电流密度 115 4.2 欧姆定律和焦耳定律 117 4.2.1 材料的电导率 117 4.2.2 欧姆定律 118 4.2.3 电动势 119 4.2.4 电阻 119 4.2.5 焦耳定律 120 4.3 恒定电场的基本方程 122 4.3.1 电流连续性方程 122 4.3.2 恒定电场的基本方程 123 4.4 恒定电场的边界条件 123 习题4 127 第5章恒定电流的磁场 129 5.1 恒定磁场的实验定律 129 5.1.1 安培定律 129 5.1.2 毕奥-萨伐尔定律 130 5.2 恒定磁场的散度和通量 132 5.2.1 磁通密度矢量的散度 132 5.2.2 恒定磁场的通量 133 5.3 恒定磁场的环量和旋度 133 5.3.1 环量 133 5.3.2 旋度 134 5.4 矢量磁位 135 5.4.1 矢量磁位 135 5.4.2 矢量泊松方程 136 5.5 磁偶极子 136 5.6 物质的磁特性 138 5.6.1 介质的磁化和磁化强度矢量的定义 139 5.6.2 磁化强度矢量与外加磁场的关系 139 5.6.3 介质磁化产生的矢量磁位 143 5.7 磁介质中的安培环路定律 144 5.8 恒定磁场的基本方程 146 5.9 恒定磁场的边界条件 147 5.9.1 法向分量的边界条件 147 5.9.2 切向分量的边界条件 147 5.10 电感 150 5.10.1 自感 150 5.10.2 互感 151 5.11 磁场能量 153 5.11.1 单个线圈 153 5.11.2 耦合线圈 154 5.12 磁场力 155 习题5 158 第6章时变电磁场 162 6.1 时变电磁场的环量和旋度及通量和散度 162 6.1.1 法拉第电磁感应定律——时变电场的环量和旋度 162 6.1.2 全电流定律——时变磁场的环量和旋度 165 6.1.3 时变电磁场的通量和散度 166 6.2 时变电磁场的基本方程——麦克斯韦方程组和物质方程 167 6.3 介质分界面上的边界条件 168 6.3.1 介质分界面上的边界条件 168 6.3.2 理想介质分界面上的边界条件 169 6.3.3 理想导体分界面上的边界条件 169 6.4 坡印廷定理和坡印廷矢量 170 6.4.1 坡印廷定理 170 6.4.2 坡印廷矢量 171 6.5 波动方程 172 6.5.1 无源电介质中的齐次波动方程 172 6.5.2 无源理想介质中的齐次波动方程 173 6.5.3 有源理想介质中的非齐次波动方程 173 6.5.4 位函数波动方程 173 6.6 时谐电磁场 175 6.6.1 时谐量的复数表示 175 6.6.2 麦克斯韦方程组的复数形式 176 6.6.3 复数形式的物质方程与边界条件 176 6.6.4 复坡印廷矢量和平均坡印廷矢量 176 6.6.5 平均电磁能量密度 177 6.6.6 复介电常数和复磁导率 177 6.6.7 复矢量波动方程——矢量赫姆霍兹方程 178 6.7 电磁波谱 179 6.7.1 波数、频率和波长 179 6.7.2 电磁波谱 180 习题6 182 第7章无界空间电磁波的传播 184 7.1 理想介质中的矢量平面电磁波 184 7.1.1 矢量赫姆霍兹方程的平面波解 184 7.1.2 理想介质中矢量平面电磁波的基本特性 186 7.1.3 矢量平面电磁波的能量和能流密度 189 7.2 有耗介质和良导体中的矢量平面电磁波 190 7.2.1 有耗介质中的矢量平面电磁波 190 7.2.2 良导体中的矢量平面电磁波 195 7.3 平面电磁波的极化 197 7.3.1 线极化波 199 7.3.2 圆极化波 200 7.3.3 椭圆极化波 201 7.4 标量光波 204 7.4.1 标量平面光波 204 7.4.2 标量柱面光波 205 7.4.3 标量球面光波 207 习题7 208 第8章平面电磁波的反射与透射 211 8.1 平面电磁波对分界平面的垂直入射 211 8.1.1 理想介质与理想导体分界平面的垂直入射 212 8.1.2 理想介质与理想介质分界平面的垂直入射 213 8.2 平面电磁波对理想介质分界平面的斜入射 217 8.2.1 垂直极化 218 8.2.2 平行极化 220 8.3 反射系数、透射系数随入射角的变化特性 222 8.3.1 全反射、表面波与倏逝波 222 8.3.2 全透射 227 8.3.3 反射系数振幅和相位随入射角的变化 228 8.4 斯托克斯倒逆关系 231 8.5 理想介质与理想介质分界面的反射率和透射率 232 8.6 应用实例 238 8.6.1 光在光纤波导中的传播 238 8.6.2 全内反射式扫描隧道光学显微镜 239 习题8 240 第9章光的干涉 243 9.1 光强的基本概念 243 9.2 线性叠加原理 244 9.3 双光束干涉 245 9.3.1 两列平面光波的干涉 245 9.3.2 两列柱面光波和两列球面光波的干涉 249 9.3.3 分波阵面和分振幅双光束干涉 251 9.4 多光束干涉光刻 259 9.4.1 干涉光刻的主要类型 259 9.4.2 多光束干涉光刻的基本原理 260 9.4.3 多光束干涉光刻的实现方法 263 9.4.4 多光束SPPs干涉的实现方法 264 9.4.5 激光全息光刻的实现方法 265 习题9 266 第10章光的衍射 267 10.1 惠更斯-菲涅耳原理 267 10.2 基尔霍夫衍射理论——球面波衍射 269 10.2.1 标量赫姆霍兹方程 269 10.2.2 格林定理 270 10.2.3 基尔霍夫衍射定理 271 10.2.4 平面屏幕的基尔霍夫衍射公式 273 10.3 基尔霍夫衍射公式与瑞利-索末菲衍射公式的比较 276 10.3.1 瑞利-索末菲衍射定理 276 10.3.2 基尔霍夫衍射公式与瑞利-索末菲衍射公式的比较 278 10.4 平面光波基尔霍夫衍射公式 279 10.5 基尔霍夫衍射公式的近似 280 10.5.1 傍轴近似 280 10.5.2 距离近似 281 10.6 夫琅和费衍射 283 10.6.1 夫琅和费衍射装置 283 10.6.2 夫琅和费矩孔衍射 283 10.6.3 夫琅和费单缝衍射 286 10.7 菲涅耳衍射 291 10.7.1 直边菲涅耳衍射 291 10.7.2 矩孔菲涅耳衍射 295 10.8 惠更斯-菲涅耳矢量衍射原理 297 10.8.1 齐次矢量赫姆霍兹方程 297 10.8.2 矢量格林定理 297 10.8.3 惠更斯-菲涅耳矢量衍射原理 298 10.9 基尔霍夫矢量衍射定理 302 10.10 平面衍射屏平面波入射的基尔霍夫矢量衍射公式 304 10.11 基尔霍夫矢量衍射公式的近似 306 10.12 夫琅和费圆孔衍射 307 习题10 313 第11章平面光波在各向异性线性介质中的传播 314 11.1 各向异性线性介质的物质方程及分类 314 11.1.1 各向异性线性介质的极化率 314 11.1.2 各向异性线性介质的物质方程 315 11.1.3 各向异性线性介质的分类 317 11.2 平面光波在各向异性线性介质中的传播 320 11.2.1 各向异性线性介质中的平面光波 320 11.2.2 相速度和光线速度 321 11.2.3 菲涅耳法线方程 322 11.2.4 平面光波在单轴晶体中的传播特性 324 11.2.5 单轴晶体中的折射率曲面和光波面 328 11.3 平面光波在晶体表面的反射与透射 332 11.3.1 平面光波在晶体表面上的反射和透射 332 11.3.2 菲涅耳作图法 333 11.3.3 惠更斯作图法 334 习题11 336 第12章传输线 337 12.1 传输线方程及其解 337 12.1.1 传输线方程 337 12.1.2 传输线方程的解 339 12.2 无损耗传输线上的行驻波、反射系数与输入阻抗 341 12.2.1 行驻波 341 12.2.2 反射系数 343 12.2.3 输入阻抗 344 12.2.4 始端输入阻抗 344 12.2.5 均匀传输线的参数分布 345 12.3 传输线的工作状态分析 347 12.3.1 短路线 347 12.3.2 开路线 349 12.3.3 匹配传输线 350 12.3.4 阻抗负载传输线 351 12.4 无耗传输线的功率 352 12.5 史密斯圆图 353 12.5.1 史密斯圆图的参数方程 353 12.5.2 史密斯圆图的构成 355 12.5.3 阻抗圆图的应用 357 习题12 359 第13章金属波导 362 13.1 矩形金属波导中的电磁波 362 13.1.1 矩形波导横平面内场分量之间的关系 362 13.1.2 矩形波导横平面内纵向场分量方程的解 363 13.1.3 矩形波导中电磁波传播的模式 367 13.1.4 TE波和TM波 367 13.1.5 矩形波导的传输特性 368 13.1.6 矩形波导中的主模TE10模 371 13.1.7 矩形波导的传输功率及尺寸选择 375 13.2 圆柱形金属波导中的电磁波 377 13.2.1 圆波导横平面内场分量与纵向场分量之间的关系 377 13.2.2 圆波导横平面内电场和磁场纵向分量方程的解 378 13.2.3 圆波导中的电磁波传播模式 383 13.2.4 圆波导的传输特性 384 13.2.5 圆波导中的主模TE11模 387 13.2.6 圆波导中的TM01模 390 13.2.7 圆波导中的TE01模 393 13.3 圆波导的传输功率及尺寸选择 396 13.3.1 圆波导的传输功率 396 13.3.2 圆波导的尺寸选择 398 习题13 398 第14章光波导 400 14.1 平面对称光波导 400 14.1.1 平面对称光波导横平面内的电磁场方程 400 14.1.2 求解Ey(x)和Hy(x) 402 14.1.3 TE波 403 14.1.4 TM波 405 14.1.5 平面对称光波导的传输特性 408 14.1.6 平面对称光波导的主模——TE01模和TM01模 411 14.1.7 平面对称光波导横平面内的光强分布 415 14.2 圆柱形光波导——光纤 416 14.2.1 阶跃型光纤横平面内纵向场分量的解 417 14.2.2 阶跃型光纤电磁场问题的解 419 14.2.3 阶跃型光纤电磁波传播模式的本征方程及分类 420 14.2.4 光纤的传输特性 423 14.2.5 弱导光纤的主模——HE11模 433 14.2.6 直角坐标系下TE0n模、TM0n模、HEmn模和EHmn模横平面XY面内电场矢量分量的瞬时表达式 444 14.3 阶跃型光纤中的线偏振模 449 14.3.1 TEM平面波近似及方程标量近似 450 14.3.2 标量方程的解 450 14.3.3 线偏振模的本征方程 451 14.3.4 线偏振模与矢量模之间的关系 453 14.3.5 LP模的光强 460 习题14 461 第15章天线基础 463 15.1 位函数波动方程的解——滞后位 464 15.2 基本振子的辐射 467 15.2.1 电基本振子 467 15.2.2 磁基本振子 472 15.3 天线的辐射特性 476 15.3.1 天线辐射场的区域划分 476 15.3.2 天线方向图 477 15.3.3 天线方向系数 481 15.3.4 天线半功率波束宽度 482 15.3.5 天线波束立体角 484 15.3.6 天线辐射效率、增益和辐射电阻 486 15.3.7 天线极化特性和工作带宽 488 15.4 对称振子天线 488 15.4.1 对称振子天线远区场 488 15.4.2 对称振子天线功率方向函数和场方向函数 490 15.4.3 对称振子天线辐射电阻 492 15.4.4 对称振子天线方向系数 494 15.5 天线阵基础 496 15.5.1 二元阵 496 15.5.2 均匀直线式天线阵 499 15.5.3 圆环阵 506 15.5.4 直角面阵 508 15.6 接收天线 512 15.6.1 天线接收原理 512 15.6.2 互易定理 512 15.6.3 天线收发方向图的互易性 514 15.6.4 接收天线有效面积及弗里斯传输公式 516 15.6.5 接收天线的噪声温度 519 15.7 雷达基本原理 528 15.7.1 雷达方程 528 15.7.2 脉冲雷达 530 15.7.3 连续波雷达——多普勒雷达 533 15.7.4 激光雷达 535 习题15 539 附录Ⅰ 符号、物理量及单位 541 附录Ⅱ 常用材料的电磁常数 543 附录Ⅲ 基本物理常数和基本国际单位 545 附录Ⅳ 常用矢量恒等式 547 附录Ⅴ 柱贝塞尔函数和勒让德函数 549 Ⅴ.1 柱贝塞尔函数 549 Ⅴ.2 虚宗量柱贝塞尔函数 551 Ⅴ.3 Γ函数 551 Ⅴ.4 勒让德函数 552 附录Ⅵ 式(7-141)和式(7-142)的证明 554 附录Ⅶ 式(13-217)和式(13-218)的证明 557 Ⅶ.1 由麦克斯韦方程求解横向分量和纵向分量之间的关系 557 Ⅶ.2 用横向分量表达金属圆波导的传输功率 560 Ⅶ.3 用纵向分量表达金属圆波导的传输功率 562 参考文献 565

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