电磁场与电磁波的MATLAB实现_谭阳红高兵帅智康_9787111731252

本书利用MATLAB开展电磁场与电磁波技术领域的仿真和数字化研究。全书共分为7章，内容包括：场论的MATLAB直观化、静电场的MATLAB直观化、恒定电场的MATLAB直观化、恒定磁场的MATLAB直观化、电磁波在无界空间的传播、电磁波的反射和折射和波导的MATLAB直观化。
读者在学习电磁场与电磁波中遇到生涩、抽象的知识要点时，可以使用本书深化理解，掌握基础知识；并且与MATLAB软件并用，边学习知识，边动手实践，达到事半功倍的效果。书中绝大多数MATLAB代码均来自科研和教学一线，具有实用性；所列举例子均是电磁场基础知识和工程问题，便于读者加强电磁场与电磁波学习和深入理解。书中部分内容，如不同镜像法情形、跨步电压及其危险区判断、同轴磁场、电磁波极化和电磁波的反射和折射等，独具专业特色，可激发读者运用专业知识解决工程问题的能力。
本书适合工程技术人员使用，也可作为电气工程、自动化、通信等相关专业本科生的学习参考书，
对于大学生科研也有积极的促进作用。本书所提供的MATLAB代码是作者长期教学和科研工作的积累，每章均有二维码提供MATLAB程序，便于使用者根据需要进行自定义修改，加强理解。

电磁场与电磁波应用越来越广泛，如无线输电、5G(6G)通信、WiFi、电动汽车、微波通信、雷达、电子对抗与电子干扰、电磁武器、人工智能芯片等。特别是国际局势风云变幻的今天，电磁场和电磁波在国防安全中的地位越来越重要。
电磁场与电磁波的学习要求数学基础高、物理概念抽象难懂，是公认的难学、难教、难考、难用的知识。
MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室），软件主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式。MATLAB是科研工作者必不可少的科研工具，采用MATLAB将电磁场和电磁波直观化，将抽象概念可视化、繁杂计算简单化、复杂图形具体化，在直观感受中理解场的物理含义，有拨开云雾见青天之感。将看不见、摸不着、听不见的电磁场和电磁波，用简单的线条表示出来，形象生动，在不知不觉中学会了场的分析方法，有利于手脑并用，有四两拨千斤的奇效。
本书知识结构完整，适合相关专业工程人员使用，也可作为高等学校电气工程学科本科生电磁场课程的教学参考书。
　本书的编写特点如下：
（1）本书不仅给出了MATLAB直观化程序和计算结果，以便于提高读者理解力和自学能力；还引导读者探究电磁场的本质，既知其然，也知其所以然。例如5.2节总结了多种MATLAB制作动图的方法，然后再将其应用于电磁波的动图制作，有利于读者举一反三。
（2）突出对基础和概念的运用。本书涵盖了电磁场知识点的MATLAB直观化过程，增强了读者对电磁场抽象概念和知识的理解；同时，为了提高读者思维发散能力，强调了同类知识的扩展，由简单到复杂、由浅入深、由特殊规律到普遍规律的顺序，逐渐引导读者对基础知识的学习。
（3）注重工程实用性和实践性。本书强调常见工程问题的直观化，增强基础知识到工程实践的运用。突出电磁场工程案例的深化，特别是电气类工程问题和经典案例的直观化，激发读者应用理论的能力。书中部分内容，如不同镜像法情形、跨步电压及其危险区判断、同轴/偏心磁场、电磁波极化等内容，都是电气专业中常见问题，比如镜像法常应用于输电线路电场/电磁环境分析，跨步电压分析能够指导变电站/配电室接地系统以及防护距离，独具专业特色，能起到强化电类专业读者运用基础知识解决专业工程问题的能力。
（4）通过专题形式组织内容，便于读者按需阅读，是对电磁场教材的补充。对电磁场与电磁波专业知识和核心MATLAB详细介绍，便于读者学习。在使用本书的时候，如果能够打开MATLAB软件，边学习知识，边动手实践，可达到事半功倍的效果。
（5）本书提供了不少通用程序。例如5.3节中的程序，适用于电磁波在各种不同性质媒质中的传播，只需要修改3个参数即可，有利于读者既见树又见森林。5.4节中的通用程序，适用于不同媒质及不同类型的极化。
（6）本书提供的MATLAB程序具有高度开放性和二次开发能力，通过思维扩展，引导读者在研究电磁场应用和电磁科学领域研究中采用新的实现方法，比如电气工程中绝缘梯度材料、超导电缆、隐身衣等技术，培养读者的创新思想。
本书由谭阳红、高兵、帅智康编写，第2~3章和第5~6章由谭阳红执笔，第4、7章由高兵执笔，第1章由帅智康执笔，全书由谭阳红统稿。
本书中所涉及的MATLAB代码，均已在MATLAB 2019b上运行通过；部分通用代码以二维码形式附于书中，便于读者甄选重点。对于不同版本，可能存在不通用的情况，读者可以进行相应替换后运行。
书中难免存在不足之处，敬请读者批评指正。
编者
2023年4月于湖南大学

目录
前言
第1章场论的MATLAB直观化
1.1MATLAB中help的用法
1.2标量场及其可视化
1.2.1标量的图形绘制及其裁剪
1.2.2标量场的梯度和箭头图绘制
1.3矢量场的可视化
1.3.1矢量的运算
1.3.2矢量的流线（管）绘制和散度
1.3.3矢量的旋度和流线（带）表示
1.3.4高斯散度定理的MATLAB验证
1.3.5斯托克斯定理的MATLAB验证
1.3.6矢量恒等式的MATLAB验证
1.3.7标量场和矢量场的拉普拉斯运算
第2章静电场的MATLAB直观化
2.1函数关系曲线的直观化
2.1.1数值方法
2.1.2符号函数方法
2.2箭头绘制函数
2.2.1使用MATLAB函数arrowPlot绘制箭头
2.2.2反向箭头绘制
2.3点电荷的电场线与电势面分布
2.3.1单个正点电荷的电场分布
2.3.2负点电荷的电场分布
2.3.3电偶极子产生的电场
2.3.4等量同号单位点电荷产生的电场
2.3.5无限长线电荷的电场线与电势面分布
2.3.6电场中的电介质电介质的极化
2.4镜像法
2.4.1平面镜像
2.4.2球面镜像
2.5静电能量与密度
第3章恒定电场的MATLAB直观化
3.1扇形导电片的场
3.2平板电容器的电流场与能量密度分布
3.3恒定电场与静电场的比拟静电比拟法
3.4接地器的电流场分布
3.4.1深埋球形接地器的电流分布和场分布
3.4.2浅埋球形接地器的电流分布和场分布
3.4.3浅埋直管接地器的电流分布和场分布
3.4.4半球形接地器的电流场分布和接地电阻
3.5半球形接地器与跨步电压
第4章恒定磁场的MATLAB直观化
4.1用毕奥-萨伐尔定律求电流圆环的磁场分布
4.2无限长带电导线的磁力线分布
4.3无限长载流平行双线(电流反向) 的磁力线分布
4.48形载流线圈的磁场分布
4.5有空洞的无限大载流平板的磁场分布
4.6恒定磁场中的镜像法
4.7同轴电缆的磁场分布
4.8偏心电缆的磁场分布
第5章电磁波在无界空间的传播
5.1媒质参数随频率的变化规律
5.2用MATLAB生成动图的方法
5.2.1更新图形对象的属性，同时在屏幕上显示更新
5.2.2采用getframe创建影片帧，和不同函数组合生成
动画
5.2.3采用hgtransform Matrix进行图形变换
5.3电磁波在无界媒质中的传播
5.3.1电磁波在无界媒质中的传播1（通用程序，适用于
所有媒质，用plot3语句）
5.3.2电磁波在无界媒质中的传播2（用getframe
imwrite语句）
5.3.3电磁波在无界媒质中的传播3（采用quiver3 drawnow
生成gif动图）
5.3.4电磁波在无界媒质中的传播4（采用plot3 drawon）
5.4波的极化动图（通用程序，适用于不同媒质中不同类型的
极化波）
第6章电磁波的反射和折射
6.1正入射
6.1.1电磁波在两种介质表面的反射和折射（正入射通用
程序1）
6.1.2电磁波在两种介质表面的反射和折射（正入射通用
程序2）
6.1.3电磁波在两种介质表面的反射和折射（正入射通用
程序3）
6.1.4电磁波在两种介质表面的反射和折射（正入射通用
程序4）
6.2斜入射
6.2.1反射定律和透射定律
6.2.2反射系数与透射系数
6.2.3垂直极化波在两种介质表面的斜入射
6.2.4平行极化波在两种介质表面的斜入射
第7章波导的MATLAB直观化
7.1矩形波导
7.1.1TE波
7.1.2TM波
7.2圆柱形波导
7.2.1圆波导中的TE波
7.2.2圆波导中的TM波
7.3同轴波导
7.4矩形谐振腔
7.4.1TMmnp模
7.4.2TEmnp模
参考文献

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