phymath01 tw01 maxell01 em01 鄭士康 電磁波

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鄭士康 Shyh-Kang Jeng

網頁修訂日期:9/5/2008

台大電機系 /電信所/網媒所教授

email: skjeng@ew.ee.ntu.edu.tw

Office: 電機二館545室

電話: (02)33663655

傳真: (02)23683824

簡歷

著作

 

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拙著<<電磁波>>網頁

 

 

　

鄭士康著<<電磁波>>資訊網頁

本次網頁修訂日期:3/23/2011

                                                                 (初版一刷)
                                                                 (初版一刷修訂版)
　

有波有腦，勝券在握

本書特色

由較簡易的傳輸線觀念入手, 讓讀者建立波的概念後, 再回頭引入Maxwell方程式, 學生學習障礙較低

引用傳輸線類比, 便於理解記憶電磁場波動性質

附有相量, 交流電路及向量分析重點整理, 方便學生複習先修知識

作者

鄭士康, 台大電機系/電信所/網媒所教授, skjeng@cc.ee.ntu.edu.tw

出版公司

全華科技圖書公司, 2006年6月初版一刷, 圖書編號05845, I S B N   978-957-21-5355-0     957-21-5355-2

勘誤表下載

 初版一刷及初版一刷修訂版 勘誤表 (PDF 檔, 302 KB) (updated: 2/13/2009)

教學投影片下載

  第0章 開宗明義 (Power Point 2003, ppt檔, 374 KB) (updated: 9/8/2007)

  第1章 傳輸線(電路觀點), 1-1~1-5 (Power Point 2003, ppt檔, 2,215 KB) (updated: 9/8/2007)

  第1章 傳輸線(電路觀點), 1-6~1-8 (Power Point 2003, ppt檔, 3,372 KB) (updated: 9/8/2007)

  第2章 Maxwell方程式 (Power Point 2003, ppt檔, 2,391 KB) (updated: 9/8/2007)

  第3章 平面電磁波 (Power Point 2003, ppt檔, 2,129 KB) (updated: 9/8/2007)

  第4章 傳輸線(電磁場觀點) (Power Point 2003, ppt檔, 1,250 KB) (updated: 2/5/2009)

  第5章 導波管和光學纖維, 5-1~5-8 (Power Point 2003, ppt檔, 1,472 KB) (updated: 2/5/2009)

  第5章 導波管和光學纖維, 5-9~5-13 (Power Point 2003, ppt檔, 1,581 KB) (updated: 2/5/2009)

  第6章 天線 (Power Point 2003, ppt檔, 1,506 KB) (updated: 2/5/2009)

Smith圖下載

Smith圖 (PDF檔, 66 KB)

, 取自http://www.sss-mag.com/pdf/smithchart.pdf, 注意Smith圖之其他使用須取得Analog Instrument公司 (Analog Instrument Co., P. O. Box 950, New Providence, NJ07974, USA)同意 (updated: 9/10/2007)

相關網路資源

  IEEE APS EMLIB (電磁相關教學與軟體資源) (updated: 9/10/2007)

  Smith圖工具 (updated: 9/10/2007)

  盧信嘉教授個人網頁(請進入其Download區) (updated: 9/10/2007)

　

研讀指引

本書適合電機相關科系大三以上程度學生研讀，可作為上課教材或參考書，亦可供準備高考或研究所入學考試之用，也可以作為銜接研究所電磁理論或其他電磁波專業課程的先修讀物。 研讀本書最好由第0章(開宗明義)順序讀到第6章(天線)。為確定具備足夠的數學工具，讀第一章前，最好先複習附錄A(相量與交流電路)；讀第二章前，最好先複習附錄B(向量分析)，並作完其後所附的向量分析複習試題。本書章節內容難度分成三級，內容較艱深章節單元之標題加上星號”*”，內容一部份較難之章節單元標題加上三角符號”D”，讀者可依需求跳過若干章節單元，銜接上應不致有太大的困難。
一般學生學習電磁波時常問的問題是公式要不要背。我個人認為若干關鍵基本公式的記憶是必需的，所以我以前出考題都會要求默寫Maxwell方程式。但記憶的方式要講究訣竅：首先，儘可能把書中的公式自行推導證明出來。如果熟悉推導過程，許多公式根本不必背，需要時很快再推導證明即可。常用的關鍵公式則要了解其物理意義後記憶，要記得相關物理量變化趨勢(有圖形可記更佳)，曉得它的種種特例，方便臨時推導時，可以作為檢驗，並幫助記憶。最後，可多作一些題目，從多次練習中，自然而然記住重要公式。本書所附的練習題不算多，讀者可另外參考坊間所售各種考試之過去試題，或一些中、外文教科書之習題。
 在作題目時，會碰到相當相當繁複的數值計算，尤其是複數的四則運算、絕對值、相角、開平方、指數與三角函數等計算，不容易由簡單的工程型計算器(Calculator)算出，所以自行研讀本書或演算題目時比較好的工具可能是具備上述功能的高階工程型計算器，或者個人電腦上的數學軟體如MATLAB® 、Mathematica® 。運用這些軟體及對應公式，也可以取代較不準確的Smith圖作圖法(但注意Smith圖仍有其功用，參見1-6節)。另外也要學會應用微積分中的Taylor展式及分數冪次方之二項式定理等近似方法，來處理算式中有很大或很小的項時的情形。在參加考試時，通常不會允許攜帶個人電腦，命題老師也不會期望應考人都有高級工程型計算器，所以不太會出需要複雜計算的考題，考生應該特別注意物理觀念的衍伸與簡單公式的推導和計算。

　

內容目錄

第0章 開宗明義
    0-1 電磁波的定義
    0-2 電磁波研究的沿革、貢獻與展望
    0-3 課程目的及內容安排
    0-4 所需先修知識
    0-5 本章總結
第1章 傳輸線(電路觀點)
    1-1 傳輸線方程式
    1-2 傳輸線問題的時域分析
    1-3 正弦狀的行進波
    1-4 傳輸線問題的頻域分析
    1-5 駐波和駐波比
    1-6 Smith圖
    1-7 多段傳輸線問題的解法
    1-8 傳輸線的阻抗匹配
    1-9 本章複習
D 理論延伸及計算演練1
   理論延伸及計算演練2
   理論延伸及計算演練3
   理論延伸及計算演練4
* 理論延伸及計算演練5
第2章 Maxwell方程式
    2-1 力線和場(Line of Force and Field)
    2-2 Gauss定律，Faraday定律和Ampère定律
    2-3 Maxwell方程式
D  2-4 介電質、極化和電位移(Dielectrics、Polarization、Electric Displacement)
D  2-5 磁化、磁場強度
    2-6 Maxwell方程式在一般物質中的形式
    2-7 邊界條件(Boundary Conditions)
    2-8 電磁功率的守恆
    2-9 Maxwell方程式在時諧問題中的形式
    2-10 本章複習
   理論延伸及計算演練6
D 理論延伸及計算演練7
第3章 平面電磁波
    3-1 均勻無損媒質中的平面電磁波
    3-2 時諧變化的平面電磁波及其偏極化
    3-3 平面波進出不同媒質的問題
    3-4 平面電磁波的正向入射問題
    3-5 多夾層媒質的正向入射問題
D  3-6 金屬導體中的趨膚效應(Skin Effect)
    3-7 平面電磁波在無損媒質中的斜向入射問題
    3-8 Brewster角和臨界角
    3-9 本章複習
D 理論延伸及計算演練8
D 期中複習試題
第4章 傳輸線(電磁場觀點)
    4-1 平行金屬板傳輸線
*  4-2 任意截面之二平行導體柱的傳輸線系統
*  4-3 傳輸線中的複數功率守恆
    4-4 平面波導
*  理論延伸及計算演練9
第5章 導波管和光學纖維
    5-1 平行金屬板的導波系統
    5-2 波在色散導波系統中的傳播
    5-3 衰消波(Evanescent Wave)
    5-4 矩形截面的導波管
    5-5 矩形截面導波管中的橫磁波
    5-6 矩形截面導波管中的橫電波
D  5-7 導波管與傳輸線的相似性
    5-8 空腔諧振器(Cavity Resonator)
    5-9 空腔諧振器的損耗和Q值
    5-10 介質波導(Dielectric Wave Guide)
    5-11 光纖簡介
*  5-12 光纖模態
D  5-13 光纖傳播特性
    5-14 本章複習
D 理論延伸及計算演練10
   理論延伸及計算演練11
* 理論延伸及計算演練12
第6章 天線
    6-1 輻射功率場型、增益、波束(Radiation Power Pattern, Gain, and Beams)
    6-2 Hertz偶極天線(Hertz Dipole Antenna)
    6-3 遠場近似法(Far-Field Approximation)
    6-4 半波長偶極天線
    6-5 天線陣列(Antenna Arrays)
    6-6 八木天線(Yagi-Uda Antennas)
    6-7 孔口天線(Aperture Antennas)
    6-8 本章複習
D 理論延伸及計算演練13
D 期末複習試題
    附錄A 相量與交流電路
    附錄B 向量分析
        向量分析練習題
* 附錄C 斜向入射問題中的功率守恆
   附錄D Bessel函數
* 附錄E 5-12節光纖模態的數學推導

作者序

二十多年前，我在台大電機研究所直攻博士，由陳俊雄教授指導。當時由於師資缺乏，我又希望能留在母系任教，所以在獲得學位前即有機會登台，獨力擔任大三上電磁波課程兩年。當時的電磁波教科書多半延續靜電學與靜磁學，從Maxwell方程式出發，逐步推演電磁波現象。由於Maxwell方程式牽涉向量分析及偏微分方程，初學者常常尚未獲得物理概念，即已迷失於繁複之數學技巧之中，因此對電磁波課程望而生畏。我則以為應當由數學及物理觀念較簡易之電路觀點傳輸線理論入手，讓學生先了解熟悉電壓與電流波在傳輸線上的傳播現象後，再回頭引入較廣義之Maxwell方程式與一般之電磁波理論，同時儘量引用傳輸線類比，方便學生記憶了解電磁場波動性質，以降低學習障礙，建立物理概念。當時的電磁波教科書沒有一本符合此一架構，所以我自撰中文講義，編製習題與期中、期末考題，常常熬夜至淩晨三、四點，但因學生反應熱烈，並不以為苦，而且樂在其中。陳老師深恐我教學過於投入，有時還規勸我要控制時間，以免影響博士論文進度。清大的張智星教授當初也是學生之一，現在成為好友；他曾經半開玩笑的恭維說他在台大電機系所上的課中，只有我教的電磁波真正有聽懂。其間並蒙李學智老師與其時同為博士班同學的知交吳瑞北主任各撰寫講授微帶線、槽線與光纖部份的講義，同樣受到學生歡迎。當時上課的同學對我編寫的講義相當欣賞，紛紛敦促我早日出版，但因尚需進行博士論文研究，遂無暇顧及。 及至取得學位、服役、於美國伊利諾大學香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)完成博士後研究，再回母系任教。此時母系電磁方面師資已有增強，電磁波課程已可分三班，由三位教授授課。由於三班統一教材，考試統一命題，我不好要求使用我原先的講義，因此原先講稿便一直閒置。去年春整理辦公室發現講義舊稿，重新翻閱，自覺其中尚有頗多可取之處，且二十多年之後，市面上之中外電磁波書籍尚無採用與我相似之編排者；若能出版，應可對有心唸好電磁波的同學有所助益。感謝好友黃俊銘博士鼓吹及全華科技圖書公司黃文珍專員及柯翠容經理慨允協助出版，先將舊稿送請打字，再於其中修訂若干已不盡符合科技發展現況之處，並將原先李學智老師與吳瑞北主任所撰部份重新增刪改寫，以免掠人之美。此外，又以個人多年心得，添加數個附錄，摘要說明若干基礎觀念或本文中較繁複之數學推導，以方便讀者銜接學習。書中另附當年題組形式之作業與期中、期末考試題與解答，改稱理論延伸與計算演練單元及期中、期末複習，且作適當修改，以協助讀者由淺入深，逐步習得較深之理論或實際問題計算技巧。其中之理論延伸與計算演練4原先要求學生撰寫FORTRAN程式計算傳輸線反射係數與輸入阻抗，而現在學生大部份未學過FORTRAN，因此將其改成使用MATLAB® 或C語言，並於解答列出兩種語言版本之程式。雖然已有舊稿，但是多次修改與增補內容仍然進行了半年多才算大致完成。
本書的完成首先要感謝內人多年來的付出與諒解。其次要感謝大學及研究所時白光弘教授啟蒙電磁學、陳俊雄教授教導電磁波、物理數學、電磁理論，黃鐘洺教授傳授電波傳播，以及孫又予教授和林春如教授分別開授微波電路與天線課，他們為我打下了電磁波研究的基礎。也要謝謝劉兆漢校長和李雄武教授，他們在我數次訪問伊利諾大學香檳分校期間，支持指點我對電磁理論和數值電磁方法的研究，使我對電磁波有更深入的了解。此外，還要感謝所有曾經修課的同學，他們讓我知道什麼是教學相長和得天下英才而教之的樂趣。在本書準備期間，全華科技圖書公司的楊素華組長、高瑩婕小姐與劉俐廷小姐先後都花了很大的心力，應付我無止境的修改要求，使本書可以目前的面貌問世，在此特別致謝。
雖然本書已校對多次，書中還是可能有誤漏之處，其責任自應由作者承擔。讀者發現錯誤或有所建議指教，歡迎寄email到如下地址：skjeng@ew.ee.ntu.edu.tw，以便再版時修訂增補，無任感激。只以教學研究工作繁忙，有時或不能及時回信，尚請鑒諒。 最後，謹以此書獻給我的父親。他之前頻頻詢問本書進度，卻以八十五高齡於日前住進加護病房，願他早日康復，親見本書出版。                                                                                                                                                                                     鄭士康 謹識於台大電機系