本书主要讲解电磁场理论，对电磁场采用由表及里、由浅入深的独特论述，融入先进的数值解法，并提供实际应用。主要内容包括静态场、传播、传输和电磁场在媒质中各种约束条件下的辐射等。本书的第1版中译本于2000年出版，自问世以来，得到广大师生的好评。第2版在原有基础上增添了有限长的无损耗传输线等内容，并对散布于书中的练习题进行了整合。本书英文版在国外高等院校普遍采纳为教材。

无

第1章　电磁场理论概述
　11　引言
　12　场的概念
　13　矢量分析
　14　微分和积分表示法
　15　静态场
　16　时变场
　17　时变场的应用
　18　数值解
　19　进一步研究

第2章　矢量分析
　21　引言
　22　标量和矢量
　　221　标量
　　222　矢量
　23　矢量运算
　　231　矢量加法
　　232　矢量减法
　　233　矢量乘以标量
　　234　两矢量的乘积
　24　坐标系
　　241　直角坐标系
　　242　圆柱坐标系
　　243　球坐标系
　25　标量场和矢量场
　26　长度、 面和体的微分元
　　261　直角坐标系
　　262　圆柱坐标系
　　263　球坐标系
　27　线、 面和体积分
　　271　线积分
　　272　面积分
　　273　体积分
　28　一个标函数的梯度
　29　矢量场的散度
　210　矢量场的旋度
　211　拉普拉斯算子
　212　若干定理和电磁场的分类
　　2121　格林定理
　　2122　唯一性定理
　　2123　场的分类
　213　矢量恒等式
　214　摘要
　215　复习题
　216　练习题
　217　习题

第3章　静电场
　31　引言
　32　库仑定律
　33　电场强度
　34　电通(量)和电通(量)密度
　　341　电通量的定义
　　342　高斯定律
　35　电位
　36　电偶极子
　37　电场中的物质
　　371　电场中的导体
　　372　电场中的电介质
　　373　电场中的半导体
　38　电场中的储能
　39　边界条件
　　391　D的法向分量
　　392　E的切向分量
　310　电容器和电容
　311　泊松方程和拉普拉斯方程
　312　镜像法
　313　摘要
　314　复习题
　315　练习题
　316　习题

第4章　恒定电流
　41　引言
　42　电流的性质和电流密度
　　421　传导电流
　　422　运流电流
　　423　运流电流密度
　　424　传导电流密度
　43　导体的电阻
　44　电流连续性方程
　45　弛豫时间
　46　焦耳定律
　47　二极管中的恒定电流
　48　电流密度的边界条件
　49　D和J之间的类比关系
　410　电动势
　411　摘要
　412　复习题
　413　练习题
　414　习题

第5章　静磁场
　51　引言
　52　毕奥-萨伐尔定律
　53　安培力定律
　54　磁转矩
　55　磁通(量)和磁场的高斯定律
　56　磁矢位
　57　磁场强度与安培环路定律
　58　磁性材料
　59　磁标位
　510　磁场的边界条件
　　5101　B的法向分量
　　5102　H的切向分量
　511　磁场中的能量
　512　磁路
　513　摘要
　514　复习题
　515　练习题
　516　习题

第6章　静态场的应用
　61　引言
　62　带电粒子的偏转
　63　阴极射线示波器
　64　喷墨打印机
　65　矿物的分选
　66　静电发电机
　67　静电电压表
　68　磁分离器
　69　磁偏转
　610　回旋加速器
　611　选速器与质谱仪
　612　霍尔效应
　613　磁流体发电机
　614　电磁泵
　615　直流电动机
　616　摘要
　617　复习题
　618　练习题
　619　习题

第7章　时变电磁场
　71　引言
　72　运动电动势
　73　法拉第感应定律
　74　麦克斯韦方程(法拉第定律)
　75　自感
　76　互感
　77　耦合线圈的电感
　　771　串联相接
　　772　并联相接
　78　磁场中的能量
　　781　单个线圈
　　782　耦合线圈
　79　由安培定律导出麦克斯韦方程
　710　由高斯定律导出麦克斯韦方程
　711　麦克斯韦方程与边界条件
　　7111　麦克斯韦方程
　　7112　结构方程
　　7113　边界条件
　712　坡印亭定理
　713　时间简谐场
　　7131　相量型式的麦克斯韦方程
　　7132　相量型式的边界条件
　　7133　相量型式的坡印亭定理
　714　时变电磁场的应用
　　7141　变压器
　　7142　自耦变压器
　　7143　电子回旋加速器
　715　摘要
　716　复习题
　717　练习题
　718　习题

第8章　平面波的传播
　81　引言
　82　一般波动方程
　83　介质中的平面波
　　831　前向行波
　　832　后向行波
　　833　无界电介质
　84　自由空间中的平面波
　85　导电媒质中的平面波
　86　良导体中的平面波
　87　良介质中的平面波
　88　波的极化
　　881　线极化波
　　882　椭圆极化波
　　883　圆极化波
　89　平面边界上的垂直入射均匀平面波
　　891　导体-导体分界面
　　892　介质-介质分界面
　　893　介质-完全导体分界面
　　894　介质-导体分界面
　810　平面边界上的斜入射
　　8101　垂直极化
　　8102　平行极化
　811　摘要
　812　复习题
　813　练习题
　814　习题

第9章　传输线
　91　引言
　92　平行板传输线
　　921　平行板传输线的参数
　　922　平行板传输线的等效电路
　　923　有限长的无损耗传输线
　93　以发送端和接收端变数表示的电压和电流
　94　输入阻抗
　　941　四分之一波长线
　　942　半波长线
　95　沿传输线上不连续点的反射
　96　传输线的驻波
　97　具有并联短截线的阻抗匹配
　98　具有不完全材料的传输线
　　981　波动方程
　　982　电压与电流的关系式
　99　传输线中的瞬变(现象)
　　991　时域中的传输线方程
　　992　无损耗传输线的瞬变响应
　　993　格子图
　910　趋肤效应与电阻
　911　摘要
　912　复习题
　913　练习题
　914　习题
第10章　波导与谐振腔
　101　引言
　102　直角坐标中的波动方程
　103　横磁(TM)模
　　1031　低于截止频率工作
　　1032　高于截止频率工作
　　1033　TM模式的功率流
　104　横电(TE)模
　　1041　低于截止频率工作
　　1042　高于截止频率工作
　　1043　TE模式的功率流
　105　波导损耗
　　1051　完全介质与有限电导率壁
　　1052　非完全介质与完全导体壁
　106　谐振腔
　　1061　横磁(TM)模
　　1062　横电(TE)模
　　1063　品质因数
　107　摘要
　108　复习题
　109　练习题
　1010　习题

第11章　天线
　111　引言
　112　位函数的波动方程
　113　赫兹偶极子
　　1131　近区场
　　1132　辐射场
　　1133　辐射电阻
　　1134　方向增益和方向性
　114　磁偶极子
　115　短偶极子天线
　116　半波偶极子天线
　117　天线阵
　118　线性阵列
　119　天线的效率
　1110　接收天线和弗利斯公式
　1111　雷达系统
　1112　摘要
　1113　复习题
　1114　练习题
　1115　习题

第12章　电磁场计算机辅助分析
　121　引言
　122　有限差分法
　　1221　边界条件
　　1222　有限差分方程的迭代解
　123　有限单元法
　124　矩量法
　125　摘要
　126　复习题
　127　练习题
　128　习题

附录A　史密斯圆图及其应用
　A1　引言
　A2　史密斯圆图
　A3　用史密斯圆图求VSWR
　A4　用史密斯圆图求阻抗的导纳
　A5　用并联短截线的阻抗匹配
　A6　习题

附录B　各种问题的计算机程序
　B1　例123的计算机程序
　B2　例125的计算机程序
　B3　例126的计算机程序
　B4　例127的计算机程序

附录C　应用数学公式表
　C1　级数简表
　C2　三角恒等式表
　C3　不定积分表(下列积分中C为积分常数)
　C4　一部分定积分表
　C5　频带(波段)及其注释
　C6　有耗媒质中TEM波若干参数的准确和近似表达式
　C7　一些物理常数

电磁场理论一直是电气工程学习计划中最重要的基础课程之一。它是业经完
善确立的普遍理论， 能对其他理论不能解决的复杂电气工程问题提供说明和解答。
　　编写本书的意图是给希望对电磁场有基本了解的大学本科生作为连续两学期的基础教材。只要略去某些专题之后， 也可用于一学期课程， 既不影响主要内容学习的连贯性， 也不妨碍学生对后续课程学习的准备。本书还可供学生学习高等电磁场课程作参考。
　　本书的第1版于1998年问世， 被学生和教师们满意地接受。我们从学生那里收到许多评论意见， 认为本书胜过另一些书的地方是写得简明， 应用了日常通俗的语言， 所以每个人读后， 即使是电磁场最深奥的概念， 也能够容易理解。我们把这样的好评归因于这个事实， 即根据课堂教学的直接经验写出本书。第2版的修改也会同样按照经过时间考验的成熟方法。
　　透彻懂得矢量分析对以逻辑方法正确领悟电磁场理论是十分必要的。不夸张地说， 可以认为矢量分析是电磁场理论数学表述的支柱。因此， 全面掌握矢量分析对理解电磁场起决定性作用。为了保证每位读者开始就对矢量基本上有相同水平的知识， 我们专用整个第2章，致力于矢量分析的研究。用大量篇幅着重讲解不同正交坐标系之间的变换和各种定理。
　　在电磁场理论的推导分析与应用中， 希望学生回想他(她)记忆中的种种数学关系。为了帮助那些忘记某些常用数学公式的学生， 我们在附录C中提供了相当多关于三角恒等式、 级数和积分学等的资料。
　　快速浏览一下目录， 不难看出， 本书基本上分为两部分。第一部分， 可以包含连续两学期课程的第一学期教学内容， 引导学生学习静态场，比如静电场(第3章)、 静磁场(第5章)和恒定电流产生的场(第4章)。因为大多数静态场的应用包括电场和磁场， 我们决定把这类应用问题集中写在一章(第6章)。我们还认为学生一旦掌握了静态场的基础， 他们只需要极少量的指导， 就能学会这些应用。如果时间允许， 则可将麦克斯韦方程在时域和频域(相量)两种情况的推导都包含在课程的第一部分中。这些材料呈现在第7章，那里重点放在时变电场与磁场的相互依存性以及平均功率密度的概念。同时在这一章还包括时变场在电机和变压器领域的一些应用。
　　本书的剩余部分， 提供连续两学期课程第二学期用的主题材料， 它涉及传播、 传输和电磁场在媒质中各种约束条件下的辐射。将一章跟着一章加以论述。
　　波动方程的推导和其提供与波传播相关的解在第8章中讨论。这一章还阐明了波在垂直入射和斜入射时的反射与透射。波可能有垂直极化和平行极化。波入射的分界面两边可能是两种导体、 两种电介质、 一种导体与一种电介质， 或者一种电介质与一种完全导体。
　　能量沿传输线的传输包含在第9章。假设以分布参数等效电路代替传输线， 我们用场理论证明这种模型的应用是合理的。于是推导出用沿传输线长度的电压和电流表达的波动方程，并求出它们的解。为了使传输线上的反射极小， 阐明了用短截线实现阻抗匹配。用格子图(Lattice diagrams)描述传输线的瞬变过程。虽然阻抗圆图(史密斯圆图)能提供沿传输线发生什么情况的可视图像， 但我们仍然认为它基本上是一个传输线计算器。现在已经能够用袖珍计算器和计算机来获得传输线上的准确信息。由于这个原因， 我们仅在附录A中讨论了阻抗圆图及其应用。
　　在具有矩形横截面的波导内导波的传播放在第10章， 强调了横电(TE)和横磁(TM)两种模式波存在的条件。分析了矩形波导中在不同条件下的功率流。在这一章还论述了在腔体内电磁场能够存在的必要条件和腔体作为频率计的应用。
　　电磁波的辐射是第11章的主题。导出了用位函数表示的波动方程， 并求出它们对各种类型天线的解。说明了近区场和辐射场的概念。这一章还讨论了发射天线的方向增益和方向性、接收天线和弗利斯(Friis)方程， 以及雷达的运行和多普勒效应。
　　第12章涉及电磁场的计算机辅助分析。讨论在这一章的几种常用方法是有限差分法、有限单元法和矩量法。基于这些方法的计算机程序包含在附录B中。
　　我们的目标是写一本详细的面向学生的书。第1版的成功说明我们已经完成了我们的任务。第1版已经被翻译成两种外国语言： 中文和朝鲜文。我们希望第2版也将被学生和教师接受，如同对第1版一样的热情与热心。我们的目的始终是想提供一套教材做到学生只需要教师极少的帮助就能够理解它。为此， 我们在每一章精心安排了大量详尽计算过的例题。这些例题基于课文清晰的论述， 不但加深对某一概念或某一物理定律的理解， 而且在理论和它的应用之间， 能填补已经觉察或尚未觉察的鸿沟。我们还认为例题对于所研究课题的即时巩固与进一步理顺清楚是必要的。接近每一章的末尾， 我们在练习题的标题下， 编入了一些简易问题， 它们的答案取决于在每一节所述概念的直接应用。我们相信这些练习题将有助于增强学生学习的动力和培养信心， 并且加深对每一章所包含内容的领会。此外， 每一章最后有许多习题， 这是计划对学生提出范围广泛的挑战性任务。这些练习题和习题是教科
书的重要部分， 并且是构成电磁场整体学习的必要因素。我们建议学生应该用基本定律和直觉推理去得到这些练习题和习题的解答。这种解题技巧的实践不但能使学生逐渐建立信心，而且有助于培养克服现实生活中更困难问题的能力。每一章正文后，编写了摘要和一组复习题。某些重要公式也包含在摘要中以便于参考。复习题保证学生掌握每章的基本内容。再次说明， 我们努力争取尽可能把本书写得与学生友好， 并且欢迎在这方面提出任何意见。
　　我们的经验表明， 学生倾向于把理论推演看成是抽象观念， 着重于某些方程， 把它们看作是 “公式”。很快学生就会从挫折中发现， 这些所谓的公式不仅对于不同媒质而且对于不同坐标系都是各不相同的。仅仅计算一个场量， 就需要一组方程， 这可能使他们感到畏惧并对这些材料失去兴趣。于是这就成为获得电气工程学位必须通过的另一门 “困难” 课程。我们相信教师有责任
　　※说明每一项推导的目的；
　　※证明这些假设对手边这个推导是绝对必要的；
　　※强调它的局限性；
　　※突出媒质特性的作用；
　　※举例说明几何形状对方程的影响；
　　※指出它的某些应用。
　　为了达到这些目的，教师必须应用他们自己在这一学科的经验， 同时也强调在其他领域的应用。他们还必须在讨论基础理论的同时， 注重介绍这个领域中任何一些新进展。例如，在讲解两载流导体之间的磁力时， 教师可以讨论磁悬浮列车。又如， 在阐述谐振腔时，可以介绍关于微波炉的设计。
　　在适当地讲解了主要内容并从基本定律出发推导出相关的方程之后， 学生应接着在学习中
　　※领会理论的发展；
　　※排除畏难情绪；
　　※增强动力和信心；
　　※掌握推理的能力以开拓新见解。
　　我们在第2版中已经提出的所有内容， 是根据我们自己的信念和对主题材料的理解而做的。这完全只是陈述和阐明我们的观点， 也许与你的看法有某些不同， 因此希望获得你的坦率意见和建设性批评。如果你的见解能有助于改进我们的认识， 我们一定会将它包含进本书的新修订版中。由于这个原因， 你的进言对于我们是很有价值的。

第2版译者的话

　　本书第1版的中译本自2000年8月面世之后， 得到一些读者的好评。我们连年采用作为本科生教材， 确认和加深了在第1版“译者的话”中所述的对本书优点的体会与认识。同时欣幸和赞同著者在第2版序言所写的如下一段话 ： “本书的第1版于1998年问世， 被学生和教师们满意地接受。我们从学生那里收到许多评论意见， 认为本书胜过另一些书的地方是写得简明， 应用了日常通俗的语言， 所以每个人读后， 即使是电磁场最深奥的概念， 也能够容易理解。”现在这本书的第2版与第1版相比， 基本内容变化不大， 主要是将分散在各节的练习题集中成一节， 放在复习题与习题之间。此外， 重新写了序言， 增加了9.2.3节和附录C的部分内容。译者对照两次的英文版和经周克定、 张肃文、 董天临、 辜承林等几位教师辛勤劳动翻译好的第1版中文本， 逐章仔细校阅， 作了一些增删； 同时根据部分授课教师和若干学生用过此书后提出的意见， 对某些语句作了修改和注释， 以期对相关理论和概念更加容易明白。并在第2版的译本中，将物理量的矢量和相量改用国内书刊较为普遍采用的表示方法， 如电场强度E， x， 等。由于能力有限， 时间较紧， 考虑不周和不妥当之处仍旧难免， 恳请读者指正批评。


周克定2005年8月15日于武汉



第1版译者的话

　　本书是美国大学本科生电磁场理论课程的教科书。内容编排系统合理， 概念定律叙述清楚， 分析由浅入深， 逻辑性很强， 问题的提出富有启发性。根据我们的初步体会和不完全认识， 概括提出以下几个特点。
　　(1) 不仅传授科学知识， 还与读者有思想上的沟通。多处向学生灌输信念， 希望对学习电磁场排除心理障碍； 提醒学生要有勇气和毅力， 克服当前学习过程中的困难， 培养战胜将来生活道路中更大困难的意志和能力。作者还表示要把这本书写得与学生“友好”， 所以尽量将深奥的理论陈述得通顺易懂， 还不时介绍一些学习经验。告诉学生要理解所讨论问题的实质意义， 不要满足于文字表面上的熟悉； 要加深对基础理论的领会， 不忙于追求公式和结论。
　　(2) 对一些问题的阐述， 做到由表及里， 深刻严密。如位移电流概念的建立和电流连续性方程的推导； 满足麦克斯韦四个方程是电磁场能够存在的必要条件的论证； 矢量和单位矢量在不同正交坐标系之间的变换与运算等都写得很有特色。同时还用对比分析等方法， 加深印象， 如从不同的出发点建立完整的麦克斯韦方程组， 用两种观点求电磁能量公式等， 都有助于使学生拓宽思路， 扩大视野， 了解一些问题的来龙去脉。
　　(3) 为了巩固和加深对基本概念和定律的理解， 书中用了大量的插图和例题与习题。例如第5章(讲静磁场)并不是图和题最多的， 但也有插图52幅， 例题22个， 练习题32个和复习题40分布于各节中， 章末还有习题50个， 真可以说是图文题并茂。并且作者在各章精心选择配置的图与题是全书不可缺少的组成部分。因为有些理论是用插图和例题表达和阐明的； 有些公式是在例题中推导建立的。特别是作者提出一种描述传输线上电压电流瞬变过程的所谓格子图(lattice iagram)或称跳跃图(bounce diagram)， 对电压电流的变化，定时定量，一目了然，很有新意。
　　(4) 注意理论联系实际， 联系工程规范。书中的名词术语和数据指标， 尽量采用国际标准(IEC标准)。并且在静态场和时变电磁场两方面都有专门章节介绍工程应用。如对喷墨打印机、 粒子速度选择器、 电磁泵、 自耦变压器和回旋加速器等10余种设备的电磁作用原理， 都作了简繁适度的描述， 这样有利于提高学生学习兴趣和实用知识。
　　(5) 对时谐(正弦稳态)场， 有一套矢量(vector)和相量(phasor)相结合的表示符号。如电场强度矢量， 在直角坐标系， 书中普遍写成E=Exax+Eya+Eza
z，对于时变场，则可写成(瞬时值)：E(x,y,z,t)=E(r,t)=Ex(r,t)ax+Eyr,t)
ay+Ez(r,t)az
在时谐(正弦稳态)情况， 场强的每个分量是时间的正弦函数。作者用复数
x(r)=Exo(r)ejα(r)
表示x分量Ex(r, t)的等效相量， 并且用E～(r)=E～x(r)ax+E～y(r)ay+z(r)az
表示电场强度的复矢量。i(i=x、y、z)和E～是本书采用的特殊符号，可用它们来决定瞬时值(取实部)： Ex(r,t)=Re〔x(r)ejωt〕=Exo(r)cos〔ωt+α(r)〕
和E(r,t)=Re〔E～(r)ejωt〕=Exo(r)cos〔ωt+α(r)ax+Eyo(r)cosωt+β(r)〕ay+Ezo(r)cos〔ωt+γ(r)〕az
　　此外， 用z^=R+jX代表一个复数(阻抗)， 它不是矢量， 也不是相量。
　　在其他讨论电磁场理论的书籍中， 对时谐场可能用别的表示方法， 例如在场量的顶上加点成为E·x(r)和E　·(r)， 与正弦电路中常用的相量符号相类似。
　　(6) 本书不仅包含传统电磁场理论的内容， 还增加了近些年来受到普遍重视的电磁场电算新技术。介绍了有限差分法(FDM)、 有限单元法(FEM)和矩量法(MOM)等三种数值计算的原理， 并分别配有实例和计算机程序。附带说明， 由于时间仓促， 对四个计算机程序都未进行验算， 均系按原书附录B扫描印出。
　　(7) 对电磁场的特性作了很好的概括性分类。根据场的散度和旋度二者都等于零、二者之一等于零和二者都不等于零，把电磁场归纳为四种类型。这样， 能对电磁场理论有系统整体的认识，并且分析讨论可以根据场的种类作出推断， 避免一些重复演算和方程求解过程，就获得正确结论，收到举一反三之功效。
　　本书中译本用的名词术语均按照中国科学技术名词审定委员会(简称中国科技名词委)公布的《电工名词》(1998年版)的规定使用。
　　本书中译本可作为我国高等院校电力电信及相关专业本科生或研究生的教材， 也可供有关学科的教师、 科研工作者及工程技术人员参考。

本书翻译分工如下：
　　序言和第1、 2章由周克定翻译； 第3、 4章由周克定、 辜承林翻译； 第5、 7、 9章和附录A由张肃文翻译； 第6、 8、 10～12章由董天临翻译。周克定统稿和校订全文。
　　在翻译过程中， 有几处词句的成文， 曾得到多位同志的帮助； 特别是戴铁垣老师也给予了帮助， 并对若干地方作了文字润色， 在此表示衷心感谢。
　　原书有些印刷错误、 笔误和少数叙述错误与疏漏之处， 凡已发现的， 都作了订正。
　　由于我们的水平有限， 加上时间比较仓促， 翻译不当不妥和缺点错误在所难免， 恳请读者批评指正。


译　者1999年8月30日于武汉