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| 編輯推薦： |
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《工程电磁理论与应用基础》可作为电气、电子、通信、机电一体化、生物医学工程、物联网工程等工程应用型本科教材，也可作为应用工程师的参考书。
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| 內容簡介： |
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《工程电磁理论与应用基础》为电类应用型本科专业电磁场基础课程教学而编写。《工程电磁理论与应用基础》采用突出基本概念和应用、避免复杂数学计算的编写思路，侧重工程所需的基本电磁概念和简化分析方法。《工程电磁理论与应用基础》从介绍工程电磁技术基本概念入手，在简单介绍相关数学工具后，从Maxwell方程出发，重点讨论静态电磁场、时变电磁场、电磁波的工程应用基本概念。为突出与电路技术的关系，在相关章节讨论场与路之间的物理关系和磁路概念，引入信号完整性和电磁兼容技术的最基本概念，目的是讨论电磁场参数与电路参数的关系，这些都是工程电磁技术应用的重要内容。《工程电磁理论与应用基础》第2～7章后附有思考题与练习题，有的章节还配备了基本概念应用和工程测试相关的实验。
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| 目錄：
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前言
绪论
0.1工程中的电磁问题
0.1.1工程电磁技术
0.1.2工程中的基本电磁问题
0.1.3应用技术中的基本电磁问题
0.1.4工程电磁环境问题
0.2工程电磁分析概述
0.2.1基本电磁理论
0.2.2基本数学概念与方法
0.2.3工程电磁分析基本内容
0.3工程电磁技术发展
第1章基本数学工具
1.1矢量与场分析基本概念
1.1.1标量、标量函数与标量场
1.1.2矢量与矢量场
1.2三种基本正交坐标系
1.2.1直角坐标系
1.2.2柱坐标系
1.2.3球坐标系
1.2.4坐标系转换
1.2.5微变元矢量
1.3矢量计算
1.3.1矢量加法
1.3.2矢量乘法
1.3.3矢量微分与求导
1.3.4矢量积分
1.4矢量场分析基本概念
1.4.1梯度
1.4.2散度
1.4.3旋度
1.4.4高斯公式与斯托克斯公式
1.4.5矢量场的位函数
1.4.6亥姆霍兹定理
本章小结
思考题与练习题
第2章工程电磁基本理论
2.1基本电磁量
2.1.1电荷与电荷密度
2.1.2电场强度、电位移矢量、电位
2.1.3电流
2.1.4磁感应强度、磁场强度和磁通
2.1.5导体、电介质、导电介质与磁介质
2.2电磁基本方程
2.2.1Maxwell方程
2.2.2电流连续性定理
2.2.3电位函数
2.2.4磁位函数
2.2.5波动方程
2.2.6坡印亭定理
2.3工程电磁分析基础
2.3.1静态电磁场与时变电磁场
2.3.2复数表示法
2.3.3边界条件分析
2.3.4工程电磁分析中的定性分析
本章小结
思考题与练习题
第3章静态电磁场分析
3.1静电场
3.1.1静电场基本特征
3.1.2静电场中的导体与电容
3.1.3定解问题与边界条件分析
3.2恒定电场
3.2.1恒定电场基本特征
3.2.2电动势
3.2.3弛豫时间与欧姆定律
3.2.4定解问题与边界条件
3.3恒定磁场
3.3.1恒定磁场基本特征
3.3.2磁通
3.3.3磁链与电感
3.3.4磁介质与磁路分析
3.3.5定解问题与边界条件
本章小结
思考题与练习题
第4章电磁感应与电磁波
4.1电磁感应与时变电磁场
4.1.1电磁感应
4.1.2电磁波——时变电磁场
4.2交变电磁场
4.2.1交变电磁场基本特征
4，2.2交变电磁场复数分析
4.2.3工频感应与趋肤效应
4.2.4电容效应
4.2.5电感效应
4.2，6交变电磁场中的电路元件
4.3电磁波传播
4.3.1平面波
4.3.2介质的波阻抗
4.3.3垂直入射
4.3.4斜入射
4.3.5导行波与波导
4.4辐射与接收
4.4.1辐射
4.4.2接收
4.5电磁波衰减与吸收
4.5.1传输衰减
4.5.2电磁波吸收
本章小结
思考题与练习题
第5章电磁能量转换、传输与接收
5.1电磁能量转换
5.1.1静态电磁能量转换
5.1.2时变电磁能量转换分析
5.1.3电磁干扰的能量分析
5.2电磁能量传输
5.2.1电磁能量传输的基本特征
5.2.2电磁能量传输效率
5.2.3电子系统能量传输分析
5.3天线
5.3.1发射天线分析概念
5.3.2接收天线分析概念
5.3.3电子线路的天线效应分析
本章小结
思考题与练习题
第6章电磁测量
6.1电荷与电流测量
6.1.1基本物理概念
6.1.2电荷测量
6.1.3电流测量
6.2电磁场分布测量
6.2.1基本测量概念
6.2.2电场分布测量基本概念
6.2.3磁场测量的基本概念
6.3电磁波辐射测量
6.3.1电磁辐射测量概念
6.3.2测量方法分析
本章小结
思考题与练习题
第7章信号完整性与电磁兼容概念
7.1信号完整性基本概念
7.1.1理想信号与误差
7.1.2动态逻辑电平信号
7.1.3传输损失
7.2电场能量转换的影响
7.2.1静态电磁能量转换的影响
7.2.2时变电磁能量交换的影响
7.3电场效应
7.3.1恒定电场效应
7.3.2交变电场效应
7.4磁场效应
7.4.1恒定磁场效应
7.4.2交变磁场效应
7.5接地
7.5.1接地的基本概念
7.5.2接地串扰
7.6电磁兼容基本概念
7.6.1电磁兼容概述
7.6.2电力电子系统的电磁兼容特征
本章小结
思考题与练习题
第8章电磁分析求解方法介绍
8.1镜像法
8.1.1静电场的镜像法
8.1.2恒定磁场镜像法
8.2分离变量法
8.2.1格林定理与解的唯一性
8.2.2偏微分方程的分离变量求解方法
8.3复变函数分析
8.3.1复位函数方法
8.3.2保角变换法
8.4数值分析法
8.4.1有限差分法
8.4.2有限元法
8.4.3矩量法
本章小结
参考文献
附录电磁兼容相关国家标准
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| 內容試閱：
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绪 论
电磁现象是自然界最基本的现象之一，正是因为电磁现象的存在，才有了电气工程、电子信息工程等一系列工程技术的基础。电磁现象的基本规律及其应用研究，是现代科学技术的重要分支。
物理电磁学指出，电磁能量以场或波的形式存在，电磁场或电磁波不仅是随时间变化的物理能量，还是全空间分布的物理量。因此，电磁问题的精确分析和计算要比电路问题复杂得多。
在工程实际中，如果直接采用物理电磁学的复杂分析和研究方法，必然会加剧工程技术的复杂性，甚至无法在实际中使用。因此，与电路问题相似，在工程技术中采用了相应的简化措施，把复杂的工程电磁问题简化为可以分析和研究的对象，以满足工程应用的需要。
本书的目的，就是讨论电磁场理论与工程电磁分析的相关概念和简化分析问题，为工程技术人员提供必要的工程电磁场基本概念和分析方法。
作为绪论，本章简单介绍电磁工程问题、工程电磁分析的有关概念，使读者能基本了解本书的全貌。
0.1 工程中的电磁问题
电磁问题不仅是电气工程、电子工程、通信工程等领域的基本问题，也是目前几乎所有工程技术领域（包括生物工程领域）都直接相关的一个基本问题。
0.1.1 工程电磁技术
为了更好地理解工程电磁分析，首先需要了解工程电磁技术的基本内容。
工程电磁技术是指基于电磁原理的设备或系统的分析、设计、制造技术。在现代社会中几乎没有不涉及工程电磁技术的工程领域。
工程电磁技术可概括为如下两个方面。
1．电磁产品设计分析技术
从能量大小上看，电磁产品可以分为功率电磁设备和信号电磁设备两大类。
功率电磁设备是指产生电能、传输电能以及大型用电的装置，如发电机、电动机、无功补偿设备、功率变压器、电焊机、感应加热炉等。这些设备的特点是消耗功率大，功率设备的任务是产生、传输或使用电能。功率电磁设备的特点是电磁能量大，电压电流幅度大，频率低，不易受到高频电磁环境的干扰。同时，功率设备对其附近的电磁环境影响大，但不具有电磁功率辐射的能力。图0-1-1和图0-1-2是电力系统的发电机、变压器及工程中使用的单相电动机等设备。
图0-1-1 水力发电机组
（a）电力变压器 （b）交流电动机
图0-1-2 电力变压器和交流电动机
信号电磁设备是指微小功率的电路系统，如雷达、集成电路、计算机、通信基站、手机、电话机等。信号设备的任务是产生、收集、传输、处理电压或电流信号。信号电磁设备的特点是电磁能量小（大型雷达除外），电压电流幅度低、频率高，易于受电磁的干扰。同时，信号电磁设备对其附近的电磁环境影响较大，并且具有功率辐射。信号电磁设备如图0-1-3和图0-1-4所示。
当然，信号设备中也有大量消耗功率的设备，如大型计算机、计算机阵列等。这些由微小功率集合形成的大功率消耗系统的核心任务仍然是信号处理，而不是把电能转换为热能或机械能，因此仍然属于信号设备。
图0-1-3 信号电磁设备中的印制电路
（a）电子测量仪器 （b）抛物面天线
图0-1-4 功率较大的信号电磁设备
2．电磁兼容性分析技术
电磁兼容（Electron Magnetic Compatible，EMC）是现代重要的电磁工程技术。电磁兼容技术的目的是要保证各种功率设备、信号设备能够在给定的电磁环境下正常工作。电磁兼容技术包括干扰抑制、抗干扰、电磁安全等，如信号电路中的信号完整性。电磁兼容技术不仅涉及电磁环境的分析，还涉及电气电子设备的设计方法。随着信息技术的飞速发展，电气电子系统或产品的电磁兼容性分析技术已经逐渐成熟，各种电气电子系统和产品必须符合国家或国际的电磁兼容标准。电磁兼容技术已成为各类电气电子工程的重要生产技术。电磁兼容检测对电磁环境要求十分严格。图0-1-5是用于电磁兼容测试的电磁屏蔽环境。
图0-1-5 用于电磁兼容测试的电磁屏蔽环境
可以看出，工程电磁技术一方面要为生产、设计所需的设备服务，另一方面要为电磁环境和设备安全提供相关的技术。
0.1.2 工程中的基本电磁问题
在工程实际中，电磁设备和系统的分析是十分重要的，是工程技术应用的基础。例如，要设计一条从发电厂到用户的输电线路，就需要根据电能量的需要完成传输线、开关、保护装置、能量转换、用电器的电气结构等多种设备的设计和分析。
相关工程理论所涉及的基本电磁问题如下。
（1）电能产生分析计算。电能作为二次能源，是现代社会的基本能源。人类社会生活的几乎所有相关设备都是电气设备。因此，电能的产生一直是工程技术领域中十分受关注的问题。特别是随着化石能源的逐渐枯竭和环境保护的日益紧迫，电能的获取日益成为一个重要的工程热点。如何对电能的产生做出精确而简单的工程分析与计算，是工程电磁理论必须解决的基本问题之一。
（2）电能传输分析计算。电能传输是一个既古老又年轻的技术。说其古老，是因为150多年前就已经开始了电能传输的工程技术研究和应用；说其年轻，是因为电能传输技术在信息技术的支持下不断发展，从简单的交流输电，到超大功率的直流输电、超导输电以及智能电网等。图0-1-6所示为超高压电力传输线。同时，电能传输又是现代工程技术的重要研究领域，如集成电路中的电能量传输对其功耗和可靠性等有重要影响。而对于一个信息系统设备，其电能的传输方式和方法也会对系统的性能产生影响。不过，物理电磁学指出，电与磁是共生的、全空间分布的。就是说，电能不仅是时间的函数，还是空间坐标的函数，同时，在考虑电能传输时是否需要考虑磁能的问题？这是一项十分复杂的工作，如果直接采用物理电磁学的分析理论与方法，必将引起巨大的工程分析障碍。
图0-1-6 超高压输电线
（3）电信号分析与计算。无论发电和输电设备，还是通信和家用电器设备，实际上都是一个不同能量级别的电信号系统。这就要求工程电磁理论必须提供一个电信号的基本分析理论与方法，以满足工程技术应用的需要。图0-1-7是通信领域经常使用的调频信号波形。
图0-1-7 调频信号
（4）电磁能量转换分析与计算。在工程应用中，往往需要在人为控制下实现电能与磁能的相互转换，这就需要对相关材料、设备结构和转换方式进行周密的分析与计算。由于电磁能量在全空间分布，毫无疑问，这种分析面临着巨大的计算障碍。
从物理电磁学可知，电能量和磁能量是全空间分布的，从严格意义上讲，所有的电信号和使用电能量的机器设备，电磁能量必然是全空间分布的。这就为工程分析理论带来了极大的困难。
0.1.3 应用技术中的基本电磁问题
工程电磁分析提供了电路和磁路的概念，为简化工程分析奠定了基础。但是在实际工作中，由于电磁能量的近似性会使分析计算结果与工程实际有较大的差别。这种差别在不足以影响设备或系统的正常工作，或者不足以引起人身安全问题时是可以忽略的。但如果近似分析结果不足以满足工程实际的精度要求，或者在某种环境条件下，这种近似的结果不能满足工程应用需要时，就必须对这种近似的结果进行矫正，以满足工程应用的要求。
应用技术中的基本电磁问题如下。
（1）电气设备设计与分析。电气设备包括发电、输电、配电和用电四方面的设备。电气设备的基本工作原理就是根据需要利用电磁现象基本原理实现电能的产生、传输和应用。如何设计合理、合适、满足要求的电气设备是工程实际中需要解决的一个基本电磁问题。
（2）信号干扰问题。信号干扰问题是各种电气和电子设备中普遍存在的问题。信号干扰严重时，系统就会失去原有的功能。引起电气电子系统信号干扰是现代工程技术中的一个重要工程问题。
（3）信号传输问题。信号传输是现代信息设备的核心技术之一。由物理电磁学的基本理论可知，电信号的传输实际上就是电能量的传输。
（4）设备的电磁兼容问题。各种设备在工作时，都会形成各种辐射或扰动信号。这就意味着，各种电气电子设备实际上都是其他设备的干扰源。因此，当不同的设备在同一个系统中使用时，就必须解决各种设备之间的相互影响问题。这就是工程中的电磁兼容问题。
（5）环境电磁问题。生物学指出，人体和动植物都可以被看成导体。当人体周围环境出现电磁能量时，是否会对人体或动植物产生不利的影响及什么情况下会危及人或动植物的生命安全等就是环境电磁学问题。
150年以来，特别是在20世纪，为了解决电磁原理的工程应用问题，在物理电磁学基础之上，提出了工程电磁分析理论和技术，形成了工程电磁分析理论体系，为工程电磁分析和应用提供了应用理论和技术。随着科学技术的不断发展和进步，工程电磁分析技术也在不断完善和发展。
0.1.4 工程电磁环境问题
工程电磁环境是指由电气电子设备引起的空间电磁环境变化。这种由人工设备引发的电磁环境与电气电子设备关系密切，是各种电气电子设备设计者必须关心的一个重要问题。电气电子工程师必须掌握足够的工程电磁分析技术，才能满足工程电磁环境分析和处理的需要。
工程电磁环境问题可以概括为如下几个基本问题。
（1）电磁辐射问题。在设计一个电气电子设备时，要保证设备正常工作和操作人员的人身安全，就必须考虑设备应用场合中是否存在电磁辐射、辐射在什么强度下是安全的、如果超过安全指标应当采取什么措施等问题。因此，电气电子工程师甚至机械工程师，都要考虑其所设计设备工作环境的电磁辐射问题。同时，除了要考虑和处理来自其他源的电磁辐射外，还必须考虑所设计设备自身的电磁辐射，就是说，不仅要考虑防护其他电磁源的辐射，还必须尽量降低自身的电磁辐射。
（2）电源质量问题。电源质量问题是一个关乎电气电子设备能否正常工作的核心问题。电源的实际电压电流、频率、波形等指标是考察电源质量的主要技术指标。高质量电源的各项技术指标与标称值的差别可以忽略不计，而低质量电源的各项技术指标与标称值有较大的差别。例如，直流稳压电源应当提供具有稳定输出电压和额定输出电流的能力，其输出电压中不能含有交流成分等。但实际中，直流稳压电源的输出中总会带有相应的交流电压成分。当这种交流电压成分不足以引起设备故障时，这个电源的质量是可以满足设备需要的，但如果存在引起设备故障的隐患，这个电源就是一个低质量的电源。低质量电源不仅会引起设备故障，还会形成电磁辐射，从而恶化电磁环境。
（3）信号频率问题。在电路系统理论中，任何一种工程信号都可以利用傅里叶变换进行展开。就是说，信号由各种不同频率的正弦波组成。根据物理电磁学，不同频率的正弦波电压或电流都会引起不同的空间能量分布。同时，由于电气电子设备由导体、半导体和绝缘材料组成，电子系统中的信号会在导体中形成感应电势，这种感应电势的强度与频率成正比。因此，在工程实际中，信号频率是关乎信号正确传输、系统抗电磁干扰能力的一个重要参数。
（4）传输技术问题。电气电子系统中，电能的传输是无处不在的。输电线传输大规模的电能，电子电路中传输的是微小电能。这些电能的传输方式是否会对其周围产生电磁影响？如果有，如何避免这些影响？在考虑这个问题时，就需要考虑电磁能量的传输方式。传输技术对电磁能量传输的结果有重大影响。传输技术是电气电子工程的重要研究领域，人们希望通过采用不同的传输方式，实现最高的能量传输效率、最低的环境影响以及最安全可靠的传输过程。
总之，在工程实际中，电磁环境问题是每一个工程师必须认真对待并加以解决的重要问题。
0.2 工程电磁分析概述
物理电磁学是一门十分复杂的学科，无论研究对象还是研究手段都具有相当大的复杂性。同时，有关电磁学问题分析计算中使用的数学工具要复杂一些。这就提出了一个问题，能否提供一些工程中必要的电磁学分析方法和基本概念，从而避免在工程实际中直接采用物理电磁学分析方法。这就引出了工程电磁分析理论与方法。
工程电磁分析，是在物理电磁学基本概念和分析方法之上，通过对工程问题的简化来提供必要的工程电磁问题分析方法和技术。工程电磁分析的基本内容包括电磁基本理论与分析方法、工程电磁问题简化分析方法等。
0.2.1 基本电磁理论
工程电磁分析的基础是物理电磁学，物理电磁学给出的基本理论也就是工程电磁分析的核心。若要了解、掌握和使用工程电磁分析方法，首先要了解并掌握基本电磁理论。工程电磁分析的基本电磁理论可以概括为如下内容。
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