《工程電磁場(chǎng)(第2版)》第1版是根據(jù)北京市高等教育精品教材立項(xiàng)編寫的電氣工程專業(yè)教材。2006年被評(píng)為北京市高等教育精品教材。第2版于2008年列入普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材。全書體現(xiàn)了面向工程的電磁場(chǎng)內(nèi)容體系。第1章矢量分析與場(chǎng)論基礎(chǔ)是全書的數(shù)學(xué)基礎(chǔ),重點(diǎn)介紹梯度、散度和旋度的定義、計(jì)算和運(yùn)算規(guī)則。第2章~第5章分別從庫(kù)侖定律、電荷守恒定律、安培定律、法拉第定律和麥克斯韋位移電流假設(shè)推導(dǎo)出靜電場(chǎng)、恒定電場(chǎng)、恒定磁場(chǎng)和時(shí)變電磁場(chǎng)的基本方程;結(jié)合媒質(zhì)的輔助方程,討論了媒質(zhì)分界面的銜接條件;最后將電磁場(chǎng)問(wèn)題表述為邊值問(wèn)題。第6章探討了邊值問(wèn)題的解析積分法、分離變量法和鏡像法。第7章介紹了基于加權(quán)余量原理的有限元法和邊界元法。第8章~第10章分別討論了電磁場(chǎng)的能量、平面電磁波和電路參數(shù)計(jì)算原理。第11章介紹了電氣工程中典型的電磁場(chǎng)問(wèn)題,包括變壓器的磁場(chǎng)、電機(jī)的磁場(chǎng)、絕緣子的電場(chǎng)、三相輸電線路的T頻電磁環(huán)境以及三相輸電線路的電容和電感參數(shù)。
《工程電磁場(chǎng)(第2版)》可供普通高等學(xué)校電氣工程類專業(yè)本科學(xué)生作為教材或參考書使用,也可供相關(guān)專業(yè)研究生、教師和其他科技人員參考。
經(jīng)過(guò)兩年的修訂,《工程電磁場(chǎng)》第2版終于和讀者見面了。新版《工程電磁場(chǎng)》基本保留了第1版的內(nèi)容體系。在第1版中,我們提出了面向工程的電磁場(chǎng)教學(xué)內(nèi)容體系,要使工程電磁場(chǎng)“名”副其實(shí)。在構(gòu)建這一內(nèi)容體系的過(guò)程中始終關(guān)注著工程教育的目標(biāo)。將工程電磁場(chǎng)課程定位在電氣工程專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間,其作用除了傳統(tǒng)的為專業(yè)課提供電磁場(chǎng)基礎(chǔ)之外,還直接為電氣工程專業(yè)提供電磁場(chǎng)解決方法。從實(shí)驗(yàn)事實(shí)出發(fā),在電磁場(chǎng)三大實(shí)驗(yàn)定律基礎(chǔ)上構(gòu)建電磁場(chǎng)理論體系,即符合歷史的規(guī)律又符合科學(xué)研究的邏輯。這樣的體系與大學(xué)物理電磁學(xué)有相似之處。但大學(xué)物理電磁學(xué)以電磁場(chǎng)的積分形式方程為主要討論對(duì)象,關(guān)注電磁場(chǎng)的整體性質(zhì); 而工程電磁場(chǎng)以微分形式的方程為主要討論對(duì)象,關(guān)注電磁場(chǎng)的局部性質(zhì)。二者不僅不重復(fù),而且互為補(bǔ)充,相得益彰。要討論微分形式的方程,矢量分析和場(chǎng)論就變得非常重要。因此本教材第1章專門介紹這一數(shù)學(xué)工具。從實(shí)驗(yàn)定律到電磁場(chǎng)原理,中間過(guò)程完全依靠嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo),這樣就增加了知識(shí)的可信度,對(duì)學(xué)習(xí)和掌握這些知識(shí)起到催化作用。第2章~第4章分別討論靜電場(chǎng)、恒定電場(chǎng)、恒定磁場(chǎng)的基本原理和邊值問(wèn)題,這樣有利于難點(diǎn)的分散,通過(guò)適當(dāng)?shù)闹貜?fù),達(dá)到夯實(shí)基礎(chǔ)的目的。第5章討論時(shí)變電磁場(chǎng),是對(duì)電磁場(chǎng)基本原理的總結(jié)和深化。第6章討論電磁場(chǎng)解析方法,系統(tǒng)地討論了求解一維泊松方程的解析積分法和求解拉普拉斯方程的分離變量法。將鏡像法歸入解析法,討論了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的鏡像法。無(wú)論是電場(chǎng)還是磁場(chǎng),基于唯一性定理,利用等效概念,鏡像法的思路是相通的。第7章討論電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法,主要介紹有限元法和邊界元法的基本原理和實(shí)施步驟。電磁場(chǎng)微分形式基本方程、邊值問(wèn)題的完整表述和數(shù)值計(jì)算方法,是電磁場(chǎng)課程面向工程的具體體現(xiàn)。第8章和第10章是兩個(gè)專題,內(nèi)容分別涉及第2、3、4、5章的基本原理。由于思路相同,所有能量和力的問(wèn)題放在一起討論,所有電路參數(shù)問(wèn)題放在一起討論。第9章是時(shí)變電磁場(chǎng)的繼續(xù),但僅限于均勻平面電磁波的基本問(wèn)題。復(fù)雜電磁波的輻射、傳播和散射問(wèn)題,超出了本書的范圍。第11章是電氣工程中的電磁場(chǎng)問(wèn)題舉例,僅供參考。讀者可以在相關(guān)出版物和網(wǎng)絡(luò)上找到更多的案例。
在第1版基礎(chǔ)上,第2版《工程電磁場(chǎng)》主要在以下幾個(gè)方面做了改進(jìn):
(1) 場(chǎng)的基本概念一節(jié),在平行平面場(chǎng)和軸對(duì)稱場(chǎng)的討論中,提出了平行平面矢量場(chǎng)和軸對(duì)稱矢量場(chǎng)的新定義。將這兩種場(chǎng)限定在與代表面垂直的矢量場(chǎng),而將與代表面平行的矢量場(chǎng)定義為導(dǎo)出矢量場(chǎng),這樣的區(qū)別和定義會(huì)為計(jì)算帶來(lái)方便。
。2) 在電磁場(chǎng)源的不同形式的模型方面,明確了點(diǎn)、線、面、體模型的特點(diǎn),指出了體模型的普遍性和代表性。為從場(chǎng)源體模型推導(dǎo)場(chǎng)的微分形式方程,得出場(chǎng)的性質(zhì)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
。3) 通過(guò)數(shù)值計(jì)算,繪出典型場(chǎng)源產(chǎn)生場(chǎng)的典型分布,有利于讀者從中觀察場(chǎng)分布的特點(diǎn)。
(4) 加強(qiáng)了媒質(zhì)分界面銜接條件的討論,利用仿真圖形形象地顯示出分界面處場(chǎng)量的分布和走向特點(diǎn)。
。5) 為邊值問(wèn)題的表述配備例題,并通過(guò)數(shù)值計(jì)算繪出場(chǎng)的分布,有利于加深對(duì)邊界條件的理解。
。6) 將鏡像法歸入解析法,并適當(dāng)增加了解析方法的內(nèi)容。在三種常用坐標(biāo)系中,系統(tǒng)地討論了解析積分和分離變量法。
。7) 重寫有限元法和邊界元法內(nèi)容。將兩種數(shù)值方法的共同數(shù)學(xué)基礎(chǔ)提煉出來(lái),保留加權(quán)余量原理,新增插值方法構(gòu)造近似函數(shù)。重點(diǎn)探討了整域的基函數(shù)、權(quán)函數(shù)與單元插值形狀函數(shù)的對(duì)應(yīng)疊加關(guān)系。從而為敘述有限元和邊界元的矩陣形成提供了方便。
。8) 更新了全書大部分插圖,增加了部分彩色插圖。這些經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的插圖絕大多數(shù)是通過(guò)數(shù)值計(jì)算繪制的,準(zhǔn)確、形象,有助于讀者對(duì)電磁場(chǎng)分布規(guī)律的理解。
。9) 在恒定磁場(chǎng)一章中,加強(qiáng)了標(biāo)量磁位的分量,通過(guò)舉例說(shuō)明標(biāo)量磁位在分析變壓器和電機(jī)磁場(chǎng)中的作用。標(biāo)量磁位在建立磁路概念和磁路計(jì)算方面發(fā)揮著重要作用。
此外,其他細(xì)節(jié)方面的改進(jìn),相信讀者通過(guò)學(xué)習(xí)各章內(nèi)容可以體會(huì)到。
本書第1版作為北京市高等教育精品教材資助項(xiàng)目出版。教材出版后,于2006年被評(píng)為北京市高等教育精品教材。2008年,本教材列入普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)教材規(guī)劃,經(jīng)過(guò)兩年的修訂,現(xiàn)在付諸出版。
雖經(jīng)作者努力對(duì)教材進(jìn)行了修改完善,限于水平,缺點(diǎn)和疏漏在所難免,望廣大讀者批評(píng)指正。
作者
2010年9月于北京
第1章 矢量分析與場(chǎng)論基礎(chǔ)
1.1 矢量分析公式
1.2 場(chǎng)的基本概念與可視化
1.3 標(biāo)量場(chǎng)的方向?qū)?shù)和梯度
1.4 矢量場(chǎng)的通量和散度
1.5 矢量場(chǎng)的環(huán)量和旋度
1.6 哈米爾頓算子
1.7 常用坐標(biāo)系中的有關(guān)公式
第2章 靜電場(chǎng)的基本原理
2.1 庫(kù)侖定律與電場(chǎng)強(qiáng)度
2.2 電位與靜電場(chǎng)的環(huán)路定理
2.3 高斯通量定理
2.4 電偶極子
2.5 導(dǎo)體和電介質(zhì)
2.6 電位移矢量
2.7 靜電場(chǎng)的基本方程與分界面銜接條件
2.8 靜電場(chǎng)的邊值問(wèn)題
第3章 恒定電場(chǎng)的基本原理
3.1 電流與電流密度
3.2 恒定電場(chǎng)的基本方程
3.3 導(dǎo)電媒質(zhì)分界面銜接條件
3.4 恒定電流場(chǎng)的邊值問(wèn)題
第4章 恒定磁場(chǎng)的基本原理
4.1 安培定律與磁感應(yīng)強(qiáng)度
4.2 矢量磁位與磁通連續(xù)性定理
4.3 安培環(huán)路定理
4.4 磁偶極子
4.5 磁媒質(zhì)
4.6 磁場(chǎng)強(qiáng)度
4.7 恒定磁場(chǎng)的基本方程與分界面銜接條件
4.8 恒定磁場(chǎng)的邊值問(wèn)題
第5章 時(shí)變電磁場(chǎng)的基本原理
5.1 法拉第電磁感應(yīng)定律
5.2 全電流定律
5.3 電磁場(chǎng)的基本方程組
5.4 動(dòng)態(tài)位
5.5 達(dá)朗貝爾方程的解
5.6 輻射
5.7 準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)的邊值問(wèn)題
第6章 電磁場(chǎng)邊值問(wèn)題的解析方法
6.1 一維泊松方程的解析積分解法
6.2 拉普拉斯方程的分離變量法
6.3 靜電場(chǎng)的鏡像法
6.4 靜電場(chǎng)的電軸法
6.5 恒定磁場(chǎng)的鏡像法
第7章 電磁場(chǎng)邊值問(wèn)題的數(shù)值方法
7.1 加權(quán)余量原理
7.2 插值法構(gòu)造近似函數(shù)
7.3 二維泊松方程的有限元法
7.4 邊界元法
第8章 電磁場(chǎng)的能量和力
8.1 靜電場(chǎng)的能量
8.2 恒定電場(chǎng)的能量
8.3 恒定磁場(chǎng)的能量
8.4 時(shí)變電磁場(chǎng)的能量
8.5 電磁力與虛位移法
第9章 平面電磁波
9.1 理想介質(zhì)中的均勻平面波
9.2 電磁波的極化
9.3 導(dǎo)電媒質(zhì)中的均勻平面波
9.4 垂直入射平面電磁波的反射與透射
9.5 導(dǎo)體中的渦流集膚效應(yīng)和電磁屏蔽
第10章 電路參數(shù)的計(jì)算原理
10.1 電容的計(jì)算原理
10.2 電導(dǎo)與電阻的計(jì)算原理
10.3 電感的計(jì)算原理
10.4 交流阻抗參數(shù)的計(jì)算原理
第11章 電氣工程中的電磁場(chǎng)問(wèn)題
11.1 變壓器的磁場(chǎng)
11.2 電機(jī)的磁場(chǎng)
11.3 絕緣子的電場(chǎng)
11.4 三相架空輸電線路工頻電磁環(huán)境
11.5 三相架空輸電線電容參數(shù)計(jì)算
11.6 三相架空輸電線電感參數(shù)計(jì)算
習(xí)題
部分習(xí)題參考答案
參考文獻(xiàn)
附錄彩圖
矢量分析和場(chǎng)論是研究電磁場(chǎng)的重要數(shù)學(xué)工具。本章首先給出了矢量代數(shù)和矢量分析的有關(guān)公式。在矢量分析中,給出矢量函數(shù)的微分與積分的運(yùn)算規(guī)則。在場(chǎng)論基礎(chǔ)部分,介紹場(chǎng)的基本概念,導(dǎo)出標(biāo)量場(chǎng)的等值面方程和矢量場(chǎng)的矢量線方程,介紹源點(diǎn)和場(chǎng)點(diǎn)的基本概念及其相互關(guān)系,特別介紹了平行平面場(chǎng)和軸對(duì)稱場(chǎng)的定義和性質(zhì)。通過(guò)介紹標(biāo)量函數(shù)方向?qū)?shù)的概念,給出梯度的定義;導(dǎo)出直角坐標(biāo)系中梯度的計(jì)算公式和梯度的運(yùn)算規(guī)則。通過(guò)介紹矢量函數(shù)通量的概念,給出散度的定義;導(dǎo)出直角坐標(biāo)系中散度的計(jì)算公式和散度的運(yùn)算規(guī)則;介紹散度定理。通過(guò)介紹矢量函數(shù)環(huán)量和環(huán)量面密度的概念,給出旋度的定義;導(dǎo)出直角坐標(biāo)系中旋度的計(jì)算公式和旋度的運(yùn)算規(guī)則;介紹斯托克斯定理。此外,還給出哈米爾頓算子的定義和運(yùn)算規(guī)則,用哈米爾頓算子表示梯度、散度和旋度,介紹格林定理和亥姆霍茲定理。最后,給出三種常用坐標(biāo)系中有關(guān)的計(jì)算公式。本章重點(diǎn)掌握梯度、散度和旋度的定義、計(jì)算公式和運(yùn)算規(guī)則;掌握散度定理、斯托克斯定理、格林定理和亥姆霍茲定理。
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