绪论

电磁学（Electromagnetism）是研究电磁现象的规律和应用的物理学分支学科，定量研究起源于18世纪，代表性事件是1785年法国物理学家库仑提出了定量计算电荷相互作用力的库仑定律；随后，诞生了安培环路定律及电磁感应定律。这三大实验定律标志着人类对电磁现象的认识和研究进入了新阶段。1873年，英国物理学家麦克斯韦出版《电磁学通论》，标志着统一电磁场理论体系的建立，并在理论上预言了电磁波的存在。麦克斯韦被普遍认为是对物理学最有影响力的物理学家之一。可以说，没有电磁学就没有现代电工学，正是它开创了人类生活的电气时代，并直接导致信息时代的到来。

现代社会，人们享受着随时可与千里之外的亲友交谈，以及从互联网上快速获取全球信息的充分便利，这些都离不开通信与网络。图1所示为卫星通信系统示意图，它包括卫星与地面站、地面站与终端设备，以及终端设备与市内通信线路的信息传输，这些传输方式都是依靠电磁波（包括光波）来完成的。

图1 卫星通信系统示意图

2020年7月31日，我国自主设计研发的北斗三号全球卫星导航系统正式开通，标志着我国卫星导航系统开启了全球化和产业化的新征程。未来的无线通信方式必将进入卫星通信时代。其他信息技术，如广播、电视、雷达、遥感、测控、射电天文和电子对抗等，都离不开电磁波的发射、控制、传输和接收。人们的日常生活从交通、电力、食品、电器到天气预报、矿藏勘探、医疗卫生、国防装备，甚至整个工业的信息化，无不涉及电磁场理论的应用。

从学科上看，电磁学与很多学科紧密相关。如图2所示，它所服务的上、下家正是信息与通信工程和电子科学与技术，而它的左、右邻则是电气工程和光学工程。电磁学一直是（将来仍然是）众多交叉学科和新兴学科的孕育点，如空间科学、电磁兼容和生物电磁学等新兴学科。并且，它对培养创新精神、严谨的科学作风等都起着十分重要的作用。

图2 电磁学与其他学科的联系

在数学方法上，为了表示电磁场的强弱和特性，引入了电场强度和磁场强度等“场”量。它们是我们要研究的主要物理量，正如电路理论中的电压、电流一样。由于电磁场是分布于空间的，这些场量都是空间位置的函数，并且是矢量，有3个坐标分量。因此，为了反映矢量场的分布特性，又引入了“倒三角”▽（Nabla）算符来描述其空间变化规律。其实，采用数学物理方法描述工程问题是极其普遍的。无论是理论力学、流体力学还是空气动力学都是如此，它们也是土木工程、机械工程学和宇航科学的学科基础。而电磁场理论正是电子、通信、电气工程甚至整个电类学科的基础，是电类专业的基石。

爱因斯坦说过：“学习任何学科，最重要的就是要对它发生兴趣。”电磁场的应用首先是为了更好地提高读者的学习兴趣，再者，可以形成对电磁场理论的初步认知。在具体学习方法上，应遵循工程学科的学习规律。所谓工程，就是指应用数学方法解决具体物理问题的学科，反过来也成立，即工程是数学在特定物理场景下的具体应用。数学的地位与作用不言而喻。在学习方法上应重视以下3点：①电磁学理想物理模型、基本定律及其数学描述等基本概念是电磁场理论的核心，应该熟练记忆，如麦克斯韦方程及其意义、边界条件等；②要独立思考，对于复杂的物理过程，应该力求亲历（通过公式推导重现经典结论），而不是死记硬背；③主动探索各种物理现象与课程知识的关系，这一点最重要。例如，在学习电磁波传播特性时，可以将电磁隐身技术与电磁波的散射和反射原理联系起来，这不但有助于激发学习兴趣，而且有助于了解新兴技术。这正是研究性学习所提倡的。

“电磁场与电磁波”作为电子信息类本科专业的核心课程，是电子学理论体系最重要的组成部分，在本科课程体系中具有承上启下的作用。对大学二年级下学期的本科生而言，势必已经完成高等数学、普通物理、电路和电子技术基础的学习。本书的“承上”作用一方面表现为将高等数学和电磁学知识融为一体并升华提高，将场分析方法贯穿课程始终；另一方面衔接了电子线路理论并深化其内涵，从集总参数电路拓展到分布参数电路理论。本书的“启下”作用主要表现为衔接了微波技术、微波电路，以及天线与电波传播等射频专门知识。从电路、电磁场到微波电路与器件，本书将为读者呈现一幅电子学全景画卷。例如，在低频电路、高频电路及微波电路中，晶体管等效模型的变化及其分析方法的不同就是典型代表。

这里以唯物辩证法的“联系观”和“发展观”与读者共勉。“联系观”是唯物辩证法的一个总特征，所谓联系，就是指事物之间及事物内部诸要素之间的相互影响、相互制约和相互作用的关系。希望广大读者用联系的观点看问题，主动寻找电磁场与其他课程的相互联系，并总结其共性和特殊性，深入思考电磁场与电磁波涉及的物理概念有助于寻找专业的“灵魂主线”。

“发展观”也是唯物辩证法的一个总特征。唯物辩证法认为无论是自然界、人类社会还是人的思维，都是在不断地运动、变化和发展的，事物的发展具有普遍性和客观性。发展的实质就是事物的前进、上升，是新事物代替旧事物。经典的电磁学已衍生出众多的新概念。例如，高速数字电路设计中的信号完整性（Signal Integrity，SI）问题，它涉及对于电子信号质量的一系列度量标准，描绘的是多种物理问题的综合响应。这一点充分印证了电子系统中各领域知识的相互联系，也是电子工程学发展的必然产物。

为了帮助读者更容易地建立起电磁场理论体系框架，编者亲自绘制了本书的思维导图，如图3所示。通过仔细研读思维导图中的逻辑关系，可以帮助读者厘清电磁场知识体系的内在联系。

图3 本书的思维导图