前言 电磁理论是技术教育的基础，但同时也是学生想学好的最难的课程之一。为了帮助学生克服困难，这里向本科生提供了一本关于电磁场和波的教科书，名为《电磁学》。通过强调电磁理论数学的严格性和物理的理解力，本书为工程和物理专业的学生以及其他使用者提供综合知识和牢固的电磁学基础，目的是接近实际工程应用。 本书主要（但不绝对）是为电气、计算机工程、物理学和相关专业的大学三年级水平的学生设计的，既可以是两个学期（或两个1/4学期）的系列课程，也可以是一个学期（或一个1/4学期）的课程。本书包含关于静电场、恒定电流场、静磁场、慢时变（低频）电磁场、快时变（高频）电磁场、均匀平面电磁波、传输线、波导和谐振腔、天线和无线通信系统等14章内容。 很显然，有很多关于本科生电磁学的教材（或许其中多数是适合于其他学科的）都很好，也很重要。然而，本书的目的在于结合所有这些书的最精彩部分和优势。本书也引入一些目前已有的教材里没有提到的新的教学理念。 本书介绍了许多非常规的章节内容，在理论和实际方面都很重要，包含了展示挑战性的课题、抽象化的电磁现象、创新方略和教学指导，提供了电磁场与波的计算及问题的求解，还有最重要的（根据学生们目前的判断）例题解析、作业问题、概念性问题和MATLAB编程练习，目标是显著提高学生对于电磁学的理解，以及对待电磁学这一学科的态度。总体来说，本书旨在作为本科生电磁学的“终极资源”。 本书特色如下：  371个带有详细分析和引导性解题方法的实例，与理论紧密结合，也包括解题的方略。  650个基于现实的课后问题，完全受求解的例题支撑（每个问题都对应一个例题）。  没有任何遗漏步骤的清晰、严谨、完整、有逻辑的内容展示，广度和深度的平衡，静态场（1/3）与动态场（2/3）的平衡。  包括传输线问题的首选方案，在内容的选择、重点、课程中材料的排序上都体现了灵活性。  很多非常规的标题和小标题以及新的推导、说明、证明、解释、例题、教学指导和可视化展示。  500个多选概念问题（在同步网站上），检验读者对本书内容的概念理解。  400个MATLAB上机练习和工程项目（在本书同步网站上），带有详细的解答（指导）和MATLAB程序代码（m文件）。 本书同步网站： www.pearsonhighered.com/notaros。 下面更详细地介绍上述内容和本书的其他特点。 例题与课后问题 本书最重要的一个特点就是给出大量带有详细解答和引导性方法的实例以及与例题一一对应的课后问题（作业）。本书共有371个实例，都与理论紧密结合，很好地补充了理论性的概念，系统地培养学生解决问题的能力。本书还提供了650个问题，作为课后练习在章末出现。 最重要的是，对于每一个或一系列的作业问题，都对应一个或一系列的例题，其详细的解答为学生和其他读者提供了必要的指导并引导他们独立解决问题，完成作业任务，为测试和考试做准备。丰富且高质量的例题和习题对于一个课程和班级来说是至关重要的： 学生们要求有越来越多的例题，随之而来的就是大量的习题（作为作业和考试的准备），这正是本书所能提供的。 本书中的例题和问题侧重于实体概念的推理和数学合成方法，不是纯粹公式化的（枯燥无味）解题方法。也没有枯燥、复杂的纯数学公式。这些例题的基本目标是教会读者从不同的（或多或少具有挑战性）方面对问题进行推导，并帮助他们获取信心，真正地理解并喜欢这些材料。很多的例题和问题都具有实际的工程背景。 例题的解答展示并解释了每个步骤，有大量对方法、策略及其他解题方法的讨论。解题的方法通常会给出不止一种，以帮助读者真正地理解并培养解决实际电磁场问题的能力。通过获取这样的能力，读者也会得到在电磁场学习、理论基础和实际应用上的信心，这种能力不限于通过浏览书本去搜索一个“黑匣子”一样抽象的公式或者一连串的公式，也不是对计算器熟练地使用，进行枯燥的计算。 实际上，重要例题对于教师来说也是非常有用的——尤其在教学过程中——因为这些例题更适合在班级内进行逻辑性描述和讨论，要比枯燥的或者纯粹的“数学”例题更令学生感兴趣。 清晰，精确，全面 连同大量的各种类型的例题和问题（还有简答题和练习题），为了兼顾宽度和深度的最佳平衡，本书最具特色的就是整部教材贯穿始终的、专注内容的清晰性、完整性和教学方法。作为科学和工程学科的基础，电磁学给几乎所有它所涵盖的领域提供完整的物理解释和严密的数学模型。因此，除了几个基本的实验定律（例如库仑定律）以外，理所当然地必须考虑模型的建立，在建立令人印象深刻和激动的电磁学理论过程中，所有的过程步骤都以一致的、有意义的方式及足以让读者理解和领略到的细节清晰地展示给读者。这就是本书所试图做到的。 简单地说，新的引出、说明、证据、解释和可视化都逐字逐句地进行了推导、证明和解释（除了几个实验定律以外）。困难的、重要的概念和推导均有规律地以不少于一种方式展示出来，帮助学生理解和掌握学习的内容。尽管偶尔会跳过某些步骤和细节，但我们做了最大的努力使论题、概念、方程和构思具有连贯的逻辑性。然而，这些也可以做成模块化结构，感到一些步骤、推导和证明在某个地方被忽视的读者（以后有机会）也可以这么做，但是这个留给读者来考虑（或者留给课程指导教师来考虑和建议），而不是由作者来完成。 总的来说，我的方法是，在书中理论部分和例题中提供所有可能的（或者必要的）解释、引导和细节，而学生的实际理解材料的能力、思考能力和独立作业能力要通过每章后面的大量的相关的习题和概念性问题来测试和经受挑战。 另一方面，我也完全意识到，乍看之下简洁会吸引学生，因为这明显意味着课后的阅读量较少。然而多数学生会承认，与一页有太多缺口的浓缩的材料截然相反，使用几页完整的解释和展示的材料会更容易、更快速地阅读和理解。在我这些年接触的学生中，我经常告诉他们事实上我更喜欢有完全推导和解释的，有大量作为例子并提供解答的问题的书，而不喜欢页数较少，许多重要部分、步骤和解释都空缺的，几乎没有详细解答的书。这就是我编写本书的原始动机。 内容的选择 在电磁学教学过程中，本书提倡并采用直接的或者按时间先后的顺序，而不是相反，这一点可以简要地概括为先静后动或者先场（静、准和快速时变的）后波（均匀平面波、传输线、波导和天线）。另外，本书以静态场（三分之一）和动态场（三分之二）的顺差为特色。如果有把一些章节安排给学生作为阅读作业的可能性，理想地使用本书的一门课程或者一个系列课程能完整地涵盖本书的所有内容。然而，在实际教学内容或者其中某些部分以及在一门课程（或者多门课程）中安排章节方面，本书允许很大的灵活性和很多不同的选择。 第一个方案是快速浏览第1~7章，只做基本概念和方程，以及每章里面的一些例题，快速达到第8章（一般形式的麦克斯韦方程等），然后做所有关于一般形式麦克斯韦方程的应用，包括从第1~7章选出的论题，适量地完成所有其他章节涵盖的内容。这个方案基本上反映了电磁学教学过程中论题的反序（非时间先后顺序）。实际上，可以有很多适应不同重点领域和课程专业化成果的不同方案和有效的时间安排，所有这些按照时间先后顺序进展，贯穿本书的第1~14章，按照独立章节的内容选择不同的速度和不同的水准。 为了帮助使用本书的老师制订教学计划，帮助学生和其他读者根据自己的学习目标和需要优化安排书的内容，表1和表2分别按照必修、选修和优先次序给出两种章节分类，以指出哪些章节可以跳跃或者略读。这仅仅是个参考，我希望书中的章节标题将会有大量的富有创造性的、有效的、多种多样的组合，定制出满足老师、学生和其他读者兴趣和需要的连贯的课程大纲和教学计划。 表1按照必修和选修进行章的分类。基于特定的重点领域和课程或者系列课程所期望的内容以及可能的课时，其中必修的章是那些将来会在多数课程覆盖的内容，而一些选修的章可能会被跳过（或者略读）。在课程内容选择过程中，这个在章层面上的分类可以结合表2所给的章节层次分类 必 修 的 章 选 修 的 章 第1章自由空间的静电场 第2章电介质、电容和电能量 第3章恒定电流 第5章材料媒质中的静磁场 第4章自由空间的静磁场 第7章电感和磁场能 第6章慢时变电磁场 第10章平面波的反射与透射 续表 必 修 的 章 选 修 的 章 第8章快时变电磁场 第11章传输线的场分析 第9章均匀平面电磁波 第13章波导和谐振腔 第12章传输线的电路分析 第14章天线和无线通信系统 表2根据覆盖范围的优先次序，按照两个“层次”进行章节分类。如果特定的重点领域、课程或者系列课程期望的具体内容以及可能的课时，任何某一章中的某一节或者更多的节被跳过（或者被略读），就建议从第二层次选修，当然这个对于第一层次的节，不排除可能的遗漏（或者只是略提一下） 章 第一层次的节 第二层次的节 第1章自由空间的静电场 1.1~1.4，1.6，1.8~1.10，1.13~1.16 1.5，1.7，1.11，1.12，1.17~1.21 第2章电介质、电容和电能量 2.1，2.6，2.7，2.9，2.10，2.12，2.13，2.15，2.16 2.2~2.5，2.8，2.11，2.14，2.17 第3章恒定电流 3.1~3.4，3.8，3.10，3.12 3.5~3.7，3.9，3.11，3.13 第4章自由空间的静磁场 4.1，4.2，4.4~4.7，4.9 4.3，4.8，4.10~4.13 第5章材料媒质中的静磁场 5.1，5.5，5.6，5.8，5.11 5.2~5.4，5.7，5.9，5.10 第6章慢时变电磁场 6.2~6.5 6.1，6.6~6.8 第7章电感和磁场能 7.1，7.4，7.5 7.2，7.3，7.6 第8章快时变电磁场 8.2，8.4，8.6~8.8，8.11，8.12 8.1，8.3，8.5，8.9，8.10 第9章均匀平面电磁波 9.3~9.7，9.11，9.14 9.1，9.2，9.8~9.10，9.12， 9.13 第10章平面波的反射与透射 10.1，10.2，10.4~10.7 10.3，10.8，10.9 第11章传输线的场分析 11.4~11.6，11.8 11.1~11.3，11.7，11.9，11.10 第12章传输线的电路分析 12.1~12.6，12.11，12.12，12.15 12.7~12.10，12.13，12.14，12.16~12.18 第13章波导和谐振腔 13.1~13.3，13.6，13.8，13.9， 13.12 13.4，13.5，13.7，13.10，13.11， 13.13，13.14 第14章天线和无线通信系统 14.1，14.2，14.4~14.6，14.8， 14.14，14.15 14.3，14.7，14.9~14.13 最终重要的是，如果在课堂上一些章节被跳过或者略读，但是在教材中却没有被跳过或者简略，学生可以利用本书那些没有安排为详细讲解的章节内容快速找到并领会其他信息，填补缺失的部分。 传输线问题的首选方案 在使用本书过程中，按照章节（主题）顺序的一个可能的例外就是第12章（传输线的电路分析）。该章可以安排在不同位置，即安排在任何时间甚至课程的开始，接着继续传输线问题的首选方案，以达到教和学的目的。也就是说，本书传输线场和路的分析完全被解偶了。因此，任何场理论方面的内容都放在第11章（传输线的场分析），而纯电路理论放在第12章。如果首先讲电路分析，传输线的单位长度特性（分布参数）被认为理所当然（假设已知）来自场的分析。表3给出使用本书学习一阶传输线分析的方案。 表3对于传输线问题的首选方案，本书内容的排序。第12章仅用电路理论的概念阐述（所有关于传输线的场论方面的内容放在第11章），因此传输线的内容可以放在课程的开始（或者课程开始后的任何时间）。注意有两节介绍（或者复习）时谐电压和电流的复数表示（8.6节和8.7节），必须放在第12章之前讲解 8.6节时谐电磁场 8.7节时谐场和电路品质因数的复数表示 第12章传输线的电路分析 第1~11、13、14章或者表1中的章和表2中的节的选择 多项选择的概念性问题 本书在同步网站提供500个概念性问题。这些都是多项选择题，集中于教材的核心概念，要求概念推理和理解而不是计算。它们用来检查读者理论学习和例题学习的效果（作业问题和概念问题参考每节的最后）。总体来说，概念性问题看起来简单一些，但是学生经常发现这些概念性问题比标准的问题还难。在教学方法上，这些概念性问题是宝贵的资源。这些概念性问题作为课内问题和讨论（所谓的主动式教学）与传统教学的结合也是理想的。 　　此外，概念性问题非常适合课堂评价，即评定学生的成绩和评价教学效果，通常作为课程的“预备测试”和“期末测试”分数之间的“收益”，尤其ABET和类似的考核标准（在这些标准中的关键词是“评价”）。本书提供了大量经过选择的概念性问题，在课程中和整个课堂教学中，对于不同点上的个别主题，指导教师可以很容易地用作部分和最终的评价手段。 MATLAB 练习，学习指南和课程设计 本书在同步网站上提供大量综合性的MATLAB练习，并与教材密切结合。不论理论还是例题，都被设计成有助于提高学生对电磁学更强的直观感觉和更深入的理解，并让学生发现电磁学更吸引人和令人喜爱。之所以选择MATLAB，主要是因为它是在科学和工程教育的世界范围内被普遍接受的标准。 同步网站上共有400个MATLAB练习，涉及本书所有章节，在每节的最后还有补充问题和概念性问题。每节都有大量的辅导练习，且都有非常详细的解答以及MATLAB代码（m文件）。这个资源给指导教师提供了丰富的资源来安排课内和课后作业。 矢量代数和微积分 本书介绍了矢量代数和矢量微积分的内容，并逐渐在本书各章节使用，着重于物理的理解和与电磁场理论概念的即时联系，而不是单纯的数学知识。它们完全与电磁场理论的发展相结合。电磁场理论确确实实地属于生活并指导生活。 梯度、散度、旋度、拉普拉斯以及线（环量）、面（通量）和体积分逐步地从物理学（电磁学）视角加以推导。它们很自然地作为电磁场方程和定律的积分部分，并且其物理意义鲜明，而且容易理解。此外，即使没有学过矢量代数和矢量微积分的读者，直接通过前面几章（见附录3“矢量代数和微积分索引”），也能实实在在地学习或者更新矢量分析概念。 电路理论的链接 本书关于电磁理论和电路理论之间的联系的详细讨论贯穿所有章节。书中有对包含直流和交流电路理论的所有单元的物理解释。所有基本的电路理论方程（电路定律、元件定律等）都是从电磁场理论推导的。总的来说，以电磁理论作为电路理论和电气工程的基础，目标是使读者培养对电磁理论的欣赏； 以电路理论作为电磁场理论的近似，可以使读者理解电路理论的局限性。 历史回顾 本书几乎所有章都给出相当详细的、引人入胜的电磁场领域的著名科学家和先驱者的传记。有40个传记，按我的观点，这些传记不仅从历史上看非常有趣，而且也是有益的。这些传记给整个科学技术界提供了令人难忘的、始终如一的、完整的理论——电磁理论——按照时间顺序发生的真实的故事。同时很多还提供了技术事实和解释，以补充本书的材料不足。我也感觉到关于发现者的一些基本知识——他们对于人类取得了划时代的科学进步，做出了深远的贡献——例如法拉第、麦克斯韦、亨利、赫兹、库仑、特斯拉、海维赛德、奥斯特、安培、欧姆、韦伯等，是工程和物理学学生“综合教育”中不能替代的部分。 补充读物 本书每章末配有问题详细解答过程（书中例题的求解用同样的方式提供）的解答手册（给指导教师），概念性问题的答案，所有MATLAB计算机练习和设计的MATLAB代码（m文件），以及用PowerPoint幻灯片制作的教材和补充读物中的图解。网站上也提供了本书的电子教材。 致谢 本书基于作者在前南斯拉夫（塞尔维亚）贝尔格莱德大学、美国柯林斯堡的博尔德科罗拉多大学、马萨诸塞州达特茅斯大学和科罗拉多州立大学20多年的电磁教学和研究。我感谢在这些机构工作的同事，还有我以前的博士研究生，他们的讨论、建议、想法、热情、首创精神、协作教学以及合作著书形成了我在电磁学方面的知识、教学风格、教授方法和著作，他们是Branko Popovi教授（已故）、Milan Ili教授、Miroslav Djordjevi教授、Antonije Djordjevi教授、Zoyo Popovi教授、Gradimir Boilovi、Momilo Dragovi教授（已故）、Branko Kolundijavi教授、Vladimir Petrovi教授以及Jovan Surutka教授（已故）。 我感谢这些年来我所教过的所有学生，他们给了我在教授电磁学过程中的全部快乐，教会我如何把教学做得更好。 我尤其感谢我现在的博士研究生Nada ekelji、Ana Mani和Sanja Mani，他们在撰写MATLAB计算机练习、教程和代码过程中给予我非常宝贵的帮助，并且检查书中的引出和例题，求解精选的每章后面的问题。我把特别的感激之情献给我的同事和曾经的学生Milan Ili教授，感谢他在写书伊始的计算机插图方面的出色的工作和帮助。我的同事和曾经的学生AndjelijaIli、Miroslav Djordjevi教授以及Olivera Notaro对书中的插图也做了非常有益的贡献，在此表示衷心的感谢。 我感谢本书原稿的评审专家，他们提出了极其详细的、有用的、积极的和充分的意见，我认为这些意见帮助我提高了书的质量，他们是Indra Chatterjee教授、Robert J. Coleman教授、Cindy Harnett教授、Jianming Jin教授、Leo Kempel教授、Edward F. Kuester教授、Yifei Li教授、Krzysztof A. Michalski教授、Michael A. Parker教授、Andrew F. Peterson教授、Costas D. Sarris教授和Fernando L. Teixeira教授。 特别感谢Pearson Prentice Hall出版社团队的全体成员，他们都很优秀。尤其要感谢我的编辑Andrew Gilfillan，他给了我极大的帮助和支持，他的输入在手稿和书形成的几个阶段都是最基本的工作。感谢我制作人Scott Disanno非常熟练地引导书的制作。感谢Prentice Hall出版社的副主编和编辑部主任Marcia Horton在设计的初始阶段的大量交流和支持。感谢Prentice Hall出版社早期的发行人Tom Robbins最初的鼓励。我希望他们喜欢我们广泛的交流和讨论。 我要感谢我的妻子Olivera Notaro，她也在科罗拉多州立大学电子与计算机工程系任教，她不仅给予我一贯的大力支持和理解，而且直接参与手稿写作和书的制作，提出了非常独特的想法和建议，如果没有她，这本书是不可能的，或者至少是非常困难的。我还要感谢我可爱的女儿Jelena和Milica非凡的支持，希望我能实现对她们的承诺，离开写作休息一段时间。和我以前的书一样，我很悲伤本书的写作占据我这么长的时间，我挚爱的父母Smilja和Mile没有收到本书的清样就去世了。 最后就个人而言，我的确热爱电磁学和电磁学教学，我希望本书将至少会把我的一部分热爱和热情传递给读者，帮助越来越多的学生开始喜欢和欣赏这个迷人的、具有无穷无尽影响力的学科。我很骄傲我能够在我的班级传递这些，而且现在很高兴也很渴望利用这本书把这些传播给更多的读者。请把关于这本书的评论、建议、问题和修正（我希望不会有很多）发给我： notaros@colostate.edu。 Branislav M. Notaro 柯林斯堡，科罗拉多 “我坚信，学生们花在这本书上的时间是值得的。但我说不清楚怎样才能把作者的信心传递给学生。” ——本书手稿的匿名评审专家 “I believe but cannot explain that the authors confidence is somehow transferred to the student as a trust that the text they are reading and learning from is worth their time.” ——Anonymous reviewer of the book manuscript

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