工程電磁學

引用

Hayt, W. H., & Buck, J. A. (2018). Engineering Electromagnetics (9th ed.). McGraw Hill.

章節概要

全書共十四章，另有六個附錄。章節順序是工程場論課程的傳統安排：先靜電場，再靜磁場，然後是時變場與麥克斯韋方程組，最後是傳輸線、波與輻射。出版社介紹說，本書強調基本概念和問題求解，配有大量插圖、類比、例題和習題。

第1章：向量分析

開篇一章提供後續各章所依賴的向量工具。附錄A同樣題為「向量分析」，位於書末。

第2–4章：庫侖定律與電場強度；電通量密度、高斯定律與散度；能量與電位

三章展開靜電學。內容從庫侖定律和電場，推進到通量密度、高斯定律和散度，再到能量與電位。

第5–6章：導體與電介質；電容

材料在這裡進入靜電場：先是導體和電介質，然後是電容。

第7–8章：恆定磁場；磁力、磁性材料與電感

與靜電部分對應的磁學部分：先講恆定磁場，再講磁力、磁性材料和電感。

第9章：時變場與麥克斯韋方程組

時變場引出完整的麥克斯韋方程組。

第10–13章：傳輸線；均勻平面波；平面波的反射與色散；導行波

按本書的順序，傳輸線排在平面波之前。隨後是均勻平面波，接著是反射與色散，然後是導行波。

第14章：電磁輻射與天線

出版社特別提到這一章，內容涵蓋輻射的基本原理、線天線、簡單陣列和收發系統。

附錄

附錄涵蓋向量分析、單位、材料常數和唯一性定理，並給出奇數題的答案。

核心概念

第1–6章：靜電場

• 向量分析：全書使用的向量工具，見第1章和附錄A。
• 庫侖定律與高斯定律：通向電場和電通量密度的兩條途徑。
• 能量與電位：靜電場的純量描述。
• 導體、電介質與電容：材料如何改變靜電場。

第7–9章：磁場與時變場

• 恆定磁場：恆定電流產生的磁場。
• 磁力、磁性材料與電感：電流受力、磁性材料和電感。
• 麥克斯韋方程組：第9章引入的時變場方程。

第10–14章：線、波與輻射

• 傳輸線：第10章的主題。
• 均勻平面波、反射與色散：第11、12章的波傳播內容。
• 導行波：第13章。
• 輻射與天線：第14章。

評析

優點

• 先講基本概念。 出版社稱本書強調基本概念和問題求解，講解易懂、可讀；章節順序也體現了這一點：先是向量工具，然後是靜態場，再到時變場和波。
• 便於自學。 出版社指出書中有大量插圖和類比來幫助理解難點，並有許多例題和習題。附錄F給出奇數題答案，學生無需教師也能核對自己的解答。
• 從場到天線的完整脈絡。 一冊書從向量分析一直講到輻射與天線，中間有傳輸線和導行波。

侷限

• 波的內容出現較晚。 十四章中有十章排在均勻平面波（第11章）之前，導行波和天線是最後兩章。一學期的課程可能講不到，而需要儘早講波的課程則必須跳讀。
• 起點偏數學。 第1章和附錄A專講向量分析，靜電學各章從一開始就依賴它。讀者開始前需要熟悉向量微積分。
• 只有奇數題有答案。 自我核對僅限於一半的習題。

在課程中的定位

在這閘電路與電子學課程的書單中，這是唯一一本專講電磁場的書；其他各書側重電路分析、電子器件和數字硬體。Storey的 Electronics: A Systems Approach 和 Fundamentals of Electric Circuits 先行，用於電路分析；Agarwal與Lang的 Foundations of Analog and Digital Electronic Circuits 和 Microelectronics: An Integrated Approach 則講授電路與半導體器件。Hayt與Buck提供了這些書所沒有的電磁學基礎，其中的傳輸線一章是從電路理論過渡到波的自然橋梁。Practical Electronics for Inventors 是動手實踐的配套讀物，Computer Organization and Design 屬於課程中的數字硬體一面。

如何使用本書

本書適合學過含電磁學內容的微積分基礎物理，並掌握多元微積分、向量微積分和基本微分方程的學生。至少讀到第9章為止應按順序閱讀，因為每章都依賴前一章。第1至4章是靜電學的核心；第5、6章與第7、8章分別把靜態理論擴充套件到材料和磁學。

同時修讀電路課程的學生，可以早點讀關於傳輸線的第10章。第12至14章可按課程需要選讀：反射與色散講波的行為，導行波講波導，輻射與天線對應通訊。先做奇數題，並用附錄F核對。把附錄B（單位）和附錄C（材料常數）當作隨手查閱的參考表，並在靜電學各章開始之前，把第1章與附錄A當作向量分析的複習材料。