这本学时一学期的、精简版的教材介绍了电气和计算机工程技术要用到的电磁学的基本概念。本书的编写以时变场的麦克斯韦方程组为起点，将其他不同类型的场作为麦克斯韦方程组的解进行处理，并使用静态-准静态波引出物理结构的频率行为。本书采用笛卡儿坐标系来处理物质的体积，保证了几何结构的简单和易于理解，尽管笛卡儿坐标系对于学习物理概念和数学工具是足够的，但在必要的地方还需要使用其他的坐标系。

本书特色

■  独特地介绍时变场的麦克斯韦方程组，首先介绍麦克斯韦方程组的积分形式，然后介绍麦克斯韦方程组的微分形式。
■  在麦克斯韦方程组之后，介绍了均匀平面波在自由空间中的传播，通过考虑均匀平面波场和媒质的相互作用介绍了媒质。
■  由物理结构的频率行为的讨论，引出了传输线和分布电路的概念。
■  用一章的篇幅介绍了传输线分析所必需的基本知识，既包括频域分析、史密斯圆图，也包括时域分析。
■  用一章的篇幅介绍了金属波导和介质波导的原理。
■  通过对准静态场连续解的扩展得到赫兹振子场的完整解，以此为起点讨论了天线的基本原理。
■  用一章的篇幅介绍了可选教学的补充主题。

再  版  序
本书是根据美国伊利诺伊大学电气与计算机工程系N. Narayana Rao博士所著的Fundamentals of Electromagnetics for Electrical and Computer Engineering 翻译而成的。
Rao教授于1965年获得华盛顿大学电气工程博士学位，同年加入伊利诺伊大学UrbanaChampaign分校（UIUC）电气工程系(现为电气和计算机工程系)。2007年Rao教授以电气和计算机工程的Edward C. Jordan荣誉教授从UIUC退休。在伊利诺伊大学42年的任职期间，Rao教授致力于科研、教学、管理和国际活动，讲授了多门电气工程课程，并开设了电磁场和波传播的课程，出版了6个版本的Elements of Engineering Electromagnetics本科教材。Rao教授因为他在电磁学教学和课程建设方面的出色贡献而获得了许多的奖励和荣誉。
Rao教授汇集多年教学经验编写本书，用于一学期课程教学，是精简版的教科书。书中详细介绍了电磁场理论的基础知识。以分析研究时变电磁场的麦克斯韦方程组为起点，将其他不同类型的场作为麦克斯韦方程组的解，使用静态-准静态波引出了物理结构的频率特性。采用笛卡儿坐标系来处理物质的空间特性，使得几何结构简单且易于理解。本书主要内容包括矢量和场的基本概念、时变场的麦克斯韦方程组的积分形式和微分形式、均匀平面波的传播特性、传输线理论、波导原理、天线基础。本书还在扩展部分介绍了平面波在电离媒质以及各向异性媒质中的传播、电磁兼容与屏蔽、串扰、色散等其他相关内容。附录中对圆柱坐标系和球坐标系做了简要介绍，还介绍了三种坐标系下旋度、散度和梯度的计算以及物理意义。
电磁场理论是电气电子、信息以及计算机工程专业最重要的基础课程之一。本书内容编排简洁清晰，概念原理论述清楚，分析深入浅出，概括和总结了电磁场理论在电子和计算机工程领域的发展历程，是大学高年级本科生难得的专业基础教材之一。
本书的前言、第2章、第3章、第9章和附录C由郭勇博士翻译；第1章、第4章、第5章、第8章和附录A以及索引由邵小桃副教授翻译；第6章、第7章、第10章和附录B由王国栋副教授翻译，孟水仙硕士参与了第10章部分章节的翻译工作。邵小桃副教授负责全书的统稿和内容的审校。为了与英文版教材对照，本书中的矢量符号沿用英文版中的黑正体。
由于译者水平有限，时间较紧，虽然付出了最大的努力，但译文中仍然不可避免地会出现错误和疏漏，敬请各位读者指正。

译  者
于北京交通大学
前    言
“……我正在谈论的是已经处于我们所知和所做的中心的科学和学术的领域，是曾经支持和引导我们，对我们思想非常重要的领域。正是已经如此重要的各种形式的电磁学萦绕我们和引导我们……”
—Nick Holonyak， Jr.，UIUC电气和计算机工程与物理约翰·巴丁荣誉主席教授，半导体可见光LED、激光和量子阱激光器的发明者。
“正如我们所知，电磁理论无疑是人类智慧和理性的一项至高成就。但其在科学和工程中的用处使其在任何技术和物理研究领域里成为必不可少的工具。”
—George W. Swenson， Jr.，UIUC电气和计算机工程荣誉教授。
以上的两段言论来自我的两位杰出的UIUC同事，这两段话强调了电磁学在我们的生活中无处不在的事实。简言之，每一次我们打开电气动力或电子设备的开关，每一次我们按下电子计算机键盘上或移动电话上的按键，或每一次日常电子设备的使用，电磁学便开始发挥作用。它是电气和计算机工程技术的基础，覆盖整个电磁频谱，从直流到光频。因为这样，在工程教育过程中，电磁学对于电气和计算机工程的学习是极其重要的。而电磁学的基本原理却始终不变，但讲授电磁学的方式却可能随时间的流逝而变化，因为随着电气和计算机工程技术的发展，课程的要求和基本概念的重点会发生变化。
30年前，我写了一本学时为一学期的教材，第一版的Elements of Engineering Electromagnetics。由于伊利诺伊大学当时面对增加选修课和减少必修课的压力，要求电磁学的课程由三学期的系列课程缩减为一学期的课程。考虑到学生之前在工程物理中学习了静态场的传统方法，而到麦克斯韦方程组为止，因此学时一学期的教材使用的方法和传统的处理不同，是基于动态场和动态场的工程应用。在那之后不到10年， 课程要求的放宽以及计算机的出现促成了第二版两学期用书的出版。后续的版本在本质上继承了第二版。
有趣的是，第一版中抛弃了传统处理的方法已经变得越来越适合新的形势，因为随着电气和计算机工程的发展，电磁学中基于动态场的基本概念的理解变得越来越重要了。Elements of Engineering Electromagnetics第一版另的一个特性是在处理物质体积的时候笛卡儿坐标系的使用。在后续版本中，这一点有所放宽，主要因为有加入包含圆柱坐标系和球坐标系的结构的例题的空间，虽然这些例题对于基本概念的理解并不是必不可少的。
本书是学时为一学期的教材，保持了Elements of Engineering Electromagnetics第一版的特点，同时基本概念的处理随着电气和计算机工程技术的发展与时俱进。特别是，以麦克斯韦方程组作为开端来介绍基本概念的方法，并结合了将不同类型的场看做麦克斯韦方程组的解的处理方式，使用静态-准静态波作为线索引出物理结构的频率行为的方法。因此，本书前9章中包含如下显著的特性：1. 使用笛卡儿坐标系来处理物质的体积保证几何结构简单，对学习物理概念和数学工具是足够的，在某些必要的地方采用其他的坐标系。
2. 在本书的前面首先介绍麦克斯韦方程组的积分形式，然后是麦克斯韦方程组的微分形式。
3. 通过求面电流密度为均匀正弦时变的无限大载流平面的解引入均匀平面波。
4. 通过考虑材料媒质与均匀平面波场的关系介绍了材料媒质。
5. 使用静态-准静态波作为线索引出物理结构的频率行为，进而发展到传输线和分布电路概念。
6. 在一章中覆盖了传输线频域和时域分析所必需的基本知识。
7. 通过讨论斜入射情况下均匀平面波的传播引入金属波导的概念，在讨论平面波的反射和折射之后引入介质波导的概念。
8. 通过对准静态场的解的扩展得到赫兹振子的完整解，该解能同时满足麦克斯韦两个旋度方程，然后发展天线的基本概念。最后一章用来阐述6个补充的主题，每一个主题基于之前一章或多章的内容。教师可以在讲完相应的章节之后使用这些主题进行讨论。有关圆柱坐标和球坐标的内容在附录中给出，以便在讨论了笛卡儿坐标系相应的内容之后或者在必要的时候能够学习。
考虑到不同学校的学生的不同基础，许多超过了三个学分的课程内容的资料被加入本书。全书有许多给出详解的例题，并且在有些情况下，扩展了不同的概念。每章的小结和复习题便于读者的复习。
我要对众多从1972年开始就一直使用我的教材的UIUC同事表达感激之情，也要对世界范围的无数使用者表示感谢。技术的进步（电磁学在其中也起了很大的作用）已经给现在的时代带来了很多变化，以1972年UIUC我们系开设计算机工程的课程开始，接着1984年我们系更名为电气和计算机工程系，当今世界的生活方式已由本地化变成了全球化。
本书的标题体现了在电气工程和计算机工程中对电磁学这门核心课程永恒不变的重要性的认识，尤其是现在这个高速的时代。我任职的UIUC位于西方，而同时任职的Amrita大学位于东方，但由于当今的世界已由本地化转变为全球化，我能同时任职于两所学校真是一件令人愉快的事。东方不再仅仅是东方，西方也不再仅仅是西方，两者已经互相融合。

N. Narayana Rao
感 激 之 心
那是50年前的1958年，我来到美国，身上只有50美元，还有我的祖国印度发给我的护照。除了这些，我所拥有的就是印度马德拉斯理工学院给予的本科教育，当时我的专业是电子技术领域。我在华盛顿大学获得电气工程的博士学位，随后于1965年成为UIUC电气与计算机工程系的一员。我被那时的系主任Edward C. Jordan先生深深吸引，正是他在1954—1979年的25年间为该系带来国内及国际的巨大声誉。经过42年的任教生涯，我作为电气和计算机工程系Edward C. Jordan荣誉教授于2007年6月1日正式退休。
近年来，我在印度从事工程教育。2005年12月，我得以结识博爱的精神领袖Amma Mata，她是Amrita大学的校长，人们都亲切地称她Amma，也就是妈妈的意思。从那之后，我与Amrita大学有了联系，并于2006年11月被该校授予杰出Amrita工程教授职位。我跟Amrita大学有着特别的开始，记得2006年的夏天，作为第一位来自美国的教员，我通过互动式卫星Elearning网络为偏远地区的学生授课，这是印美高等教育与研究校际互动计划的一部分。
我对很多人心怀感激。首先是年迈的父母，他们给了我太多。除此之外，印度的学习生活为我奠定了坚实的基础，美国则赠予我更多的教育还有成功的工作经历。为了所有这一切，我感谢心中的两个国家，一个是出生地印度，另一个则是美国。我还要感谢Amma Mata，她无比的个人魅力吸引我来到Amrita大学，从而令我有机会用这本书去“满足世界上不同地区学生的要求”，就像印度前总统Bharat Ratna所说的那样。
记得有人说，感恩是幸福生活的重要条件。它可以消除恨意、伤害甚至悲痛，它可以改变主观的认识，令人充满自尊、自信和安全感。作为本书的作者，我心怀感激，在过去的35年里，也就是从20世纪50年代起，我写就了相关的若干本书，为了向全世界的学生介绍电磁理论。
1957—1958学年的某一天，我有幸和William L. Everitt先生在马德拉斯理工学院餐厅里共享下午时光，在座的还有马德拉斯理工学院的电子学教员。当时，William L. Everitt先生是伊利诺伊大学工程学院院长，正出访印度，他受到William Ryland Hill先生之邀，代表伊利诺伊大学为印度理工学院的发展提供支持。William Ryland Hill先生来自西雅图华盛顿大学，在马德拉斯理工学院访问一年。
我当时恰是电子系的教员，之前于1952—1955年在马德拉斯大学总统学院接受本科教育，获得物理学学位，此外还有为时6个月的实践训练。学习期间选修的一门课程就是电磁理论，教材是时任伊利诺伊大学电气工程系主任Edward C. Jordan先生撰写的Electromagnetic Waves and Radiating Systems。我那时对电磁理论只有模糊的理解，对Jordan的著作更是一知半解。
我还记得S. D. Mani先生，他是我在马德拉斯理工学院学习期间了不起的讲师，那时他要去德里接受一份新工作，我们大家为他送行。欢送会之后大家来到学院旁边的Chromepet火车站做最后道别，在站台上等车的时候，他特别跟我说：“Narayana Rao，你今后将会成为一位公司总裁的。”
然而，跟Mani想的不同，我甚至没到公司上过班。倒是William Ryland Hill把我“带”到了华盛顿大学的电气工程学院，那还是1958年，当时的系主任Austin V. Eastman与Edward Jordan先生年纪相仿。在华盛顿大学我完成电气工程的研究生学业，并于1965年获得博士学位，研究领域为电离层物理学和电离层传播。我的导师是Howard Myron Swarm，从Akira Ishimaru等老师的课程中我也获得了帮助。Eastman给我机会让我在系里像其他教员一样授课，当然这多少也仰赖于我在马德拉斯理工学院的教学经验以及Ryland Hill的引荐之力。就在那时，我爱上了从电磁角度讲授“传输线路”，后来我的热情超出了“传输线路”的范围，最终令我撰写了这本书。
我从未想到1965年在华盛顿大学完成博士学业后，竟然有机会到伊利诺伊大学任教，而且在工程学院的电气与计算机工程系完成自己的著作，这里可是以Jordan和Everitt为名的地方。我也从未想到我能够从1965年始在William L. Everitt电气与计算机工程实验室空旷的大厅里度过整个职业生涯，我把它叫做“电气与计算机工程的圣殿”，与我共事的还有著名的Nick Holonyak，Jr.和George W. Swenson，Jr.。我更未想到自己竟然在撰写电磁学教材，就像Jordan做过的那样，还有幸成为教授，而我现在所拥有的荣誉教授头衔也是为了纪念Jordan。
我觉得感激是一种无法言传的感受，甚至行动都没法加以表达。不过，在若干场合我曾试着表达感激之心，我愿意在这里与你们分享：
2004年2月26日学院日，借Elements of Engineering Electromagnetics一书第6版发行之际，我向马德拉斯理工学院献上敬意，在场的还有当时的州长Tamil Nadu，Sri P. S. Ramamohan Rao，他是我总统学院的同学。  马德拉斯理工学院，我亲爱的母校，
五十年前，我来到这里，
今天，向您献上这重要的著作，
它是我生命的结晶，
五十年前，是您为我打下基础，
令我至今充满感激，
请您接受这本书，作为我至高敬意的象征，
我以“奉老师如上帝”之崇敬之心献上这本书。
希望有机会带着第7版回到这里，
在2007年再次向您表达我的感激！2007年1月我真的回到母校，不过带回来的不是第7版而是第6版的印度专版，这也可以被看成第7版吧！
2004年4月14日，我在电气与计算机工程Edward C. Jordan教授席位的授予仪式上做了发言，以下是结尾的几句：献给本系之父Edward C. Jordan先生:
五十年前，我在您书中学习电磁学，心中充满疑问，
可今天，我向您献上这本电磁学的书，它是我满怀喜悦写就的成果，
谨以此书感激您对我职业进步所产生的巨大影响。2006年4月28日，华盛顿大学电气工程学院庆祝成立百年，作为启动仪式的主要发言人，我展示了Elements of Engineering Electromagnetics一书的第6版：致华盛顿大学电气工程学院：
祝福来自由此毕业的研究生，他心中充满感激，
因为这里给予的7年坚实的学术基础，
使得之后伊利诺伊大学的学术生涯获得成功，
而这本有关电磁学的书籍也成为可能，
还有许许多多的学术活动，
在此百年欢庆之际，
请允许我献上此书以及我诚挚的谢意！当你对生活怀抱感恩，生活会给予你更多。我没有想到2005年12月，我会和Amma Mata Amritanandamayi Devi的Amrita大学发生联系。机会缘自印美于2005年12月签署的谅解备忘录，参加各方包括美国的UIUC、华盛顿大学、印度空间研究组织的合作单位Amrita大学，以及印度政府的科技部。备忘录涉及印美高校教育与研究校际合作计划，允许美国教员在ISRO＇S EDUSAT卫星网上通过Elearning授课，并与印度同行合作研究。整个计划由当时的印度总统Bharat Ratna A. P. J. Abdul Kalam于2005年12月8日在德里通过EDUSAT卫星网络开始启动。
美国代表团为此事赶赴印度，Amrita主校区的活动结束后，代表团于12月9日前往Kerala州的Amritapuri拜访Amma。就在那时，我认识了Amma，生活也变得不同。就在第二年，也就是2006年夏天，我成为第一位在EDUSAT卫星网上授课的教授，所授课程是纪念Edward C. Jordan的电气与计算机工程电磁学，学时为5周，所用教材是Pearson教育出版集团出版的Elements of Engineering Electromagnetics第6版的印度专版，里面有前总统Abdul Kalam的特别关照，UIUC校长Richard Herman，UIUC教务长Linda Katehi和ECE教授Nick Holonyak，Jr.的前言，以及UIUC ECE教员们针对“为什么学习电磁学”所做出的18种回答，这些见地深刻的回答形成导论部分。
就这样，我没有像S. D. Mani先生在Chromepet火车站台上所说的那样成为公司总裁，而是成为William L. Everitt电气与计算机工程实验室的一员，这里被称为“电气与计算机工程的圣殿”，更被冠以学校皇冠上的明珠，因为它提供的教育使得很多人日后成为公司的总裁。而这座圣殿就坐落在伊利诺伊大学UrbanaChampaign校区、Wright和Green大街交汇处的东北角上。
离开UIUC“电气与计算机工程的圣殿”，感恩之心将我带回半个世界以外的祖国。我更愿意把自己称为“印美人”，这个自创的词汇代表着美国和印度对我来说不可分割，前总统Abdul Kalam也曾有类似的说法。在印度Amma Mata Amritanandamayi的Amrita Vishwa Vidyapeetham，我接触到祖国的年轻人。下面是我跟他们的一张合照，里面还有我的妻子、女儿和其他一些教员，照片拍摄于2006年8月11日，那是我们在学校这所漂亮的主楼里结束课程的日子。
    我听人说成功不是终点而是旅程。我在Amrita的旅程已经开始，而且正在进行。由于机缘种种，我于2006年11月成为Amrita大学杰出工程教授。那时，我决定写这本书，并在Amrita开始动笔。随后，我在2007年6月1日以电气与计算机工程荣誉教授身份从UIUC正式退休。因此，无论我的旅程到达世界的哪个角落，我都是伊利诺伊大学的荣誉教授和Amrita大学的杰出教授。
我一直坚信教育的力量，它跨越国家、种族和宗教，是世界未来的保障。我整个一生都与教育有关，做过学生、教授、研究者、教师、作者和管理者。我从工作中体会的乐趣让我创造出一个新词“感激之心”，这个词由“感激”和“态度”组成，意思是“感激的态度”。在我的生命旅程中，我为能够得到教育世界上青年人才的机会而满怀“感激之心”，无论是通过我的书、我的教学还是国际活动。我认识到带着“感激之心”工作一定会充满快乐。下面我愿意用一首诗来结束我有关“感激之心”的故事：致全世界从Jordan和Amrita那里获得力量和启发的学生们：
这是有关电磁学的书，
让我们以一首我命名为电磁学之歌的诗歌开始，
如果你还不确定为什么学习电磁学，
让我用这首诗来告诉你，
首先你得认识到电磁学之美，
在于它简捷的形式，
人们熟悉的麦克斯韦方程组，
看起来似乎只是四行数学公式而已，
可背后却是大量与你相关的现象，
很多设备以此为基础，
日常的服务因此而可能，
没有麦克斯韦方程组的基本原理，
我们也许还生活在黑暗世界，
因为电能不会存在，
更不会有电子通信和计算机，
这些是电气和计算机工程的典型应用，
而电磁学是电气和计算机工程研究的基础。
如果你对电磁学有些好奇，
就让我们继续这首诗歌，
首先你得知道E代表的是电场，
而B则代表磁场，
静止的电场E和磁场B也许彼此独立，
可动态的电场E和磁场B则密不可分，
它们在任何空间中共存，
令电磁学魅力非凡，
也使当代生活充满乐趣，
电场E和磁场B的互动产生电磁波。
课程开始时，你们也许已经学习了电路理论，
那与电磁理论相近，
你看，人们总是本末倒置，
不过那样做也有些道理，
因为电路理论在低频是电磁理论很好的近似，
但高频段的电磁效应是主要的。
不管你是一名电气工程师，
还是一位计算机工程师，
无论你对高频电子学感兴趣，
还是对高速计算机通信网感兴趣，
学习电磁学基础都必不可少。
如果你对电磁学仍有疑问，
因为它抽象的数学表达，
或者有人不喜欢电磁学，
并抱怨它抽象的数学表达，
那么，你得了解正是数学的力量，
帮助麦克斯韦通过方程而成功预言，
电磁辐射的物理现象，
这甚至早于赫兹通过试验所发现的现象，
实际上，部分由于麦克斯韦的成功预言，
方程才由此得名，
其实这些方程并非出自麦克斯韦，
比如四个方程中的第一个，
是用数学形式写就的法拉第定律，
你看，数学是严密的手段，
体现着不为人知的物理现象，
所以，看到本书中随处可见的数学推导时千万不要沮丧，
我们要做的是通过数学推导而理解概念，
意识到数学只是扩展物理学的一种手段，
想象你自己正驾驭着数学之马，
去征服电磁学的新领域，
让你和我一起继续前行，
满怀“感激之心”而阔步向前吧！
N. Narayana Rao