目錄
前言
第1章場論的MATLAB直觀化
1.1MATLAB中help的用法
1.2標量場及其可視化
1.2.1標量的圖形繪制及其裁剪
1.2.2標量場的梯度和箭頭圖繪制
1.3矢量場的可視化
1.3.1矢量的運算
1.3.2矢量的流線（管）繪制和散度
1.3.3矢量的旋度和流線（帶）表示
1.3.4高斯散度定理的MATLAB驗證
1.3.5斯托克斯定理的MATLAB驗證
1.3.6矢量恆等式的MATLAB驗證
1.3.7標量場和矢量場的拉普拉斯運算
第2章靜電場的MATLAB直觀化
2.1函數關繫曲線的直觀化
2.1.1數值方法
2.1.2符號函數方法
2.2箭頭繪制函數
2.2.1使用MATLAB函數arrowPlot繪制箭頭
2.2.2反向箭頭繪制
2.3點電荷的電場線與電勢面分布
2.3.1單個正點電荷的電場分布
2.3.2負點電荷的電場分布
2.3.3電偶極子產生的電場
2.3.4等量同號單位點電荷產生的電場
2.3.5無限長線電荷的電場線與電勢面分布
2.3.6電場中的電介質——電介質的極化
2.4鏡像法
2.4.1平面鏡像
2.4.2球面鏡像
2.5靜電能量與密度
第3章恆定電場的MATLAB直觀化
3.1扇形導電片的場
3.2平板電容器的電流場與能量密度分布
3.3恆定電場與靜電場的比擬——靜電比擬法
3.4接地器的電流場分布
3.4.1深埋球形接地器的電流分布和場分布
3.4.2淺埋球形接地器的電流分布和場分布
3.4.3淺埋直管接地器的電流分布和場分布
3.4.4半球形接地器的電流場分布和接地電阻
3.5半球形接地器與跨步電壓
第4章恆定磁場的MATLAB直觀化
4.1用畢奧-薩伐爾定律求電流圓環的磁場分布
4.2無限長帶電導線的磁力線分布
4.3無限長載流平行雙線(電流反向) 的磁力線分布
4.4“8”形載流線圈的磁場分布
4.5有空洞的無限大載流平板的磁場分布
4.6恆定磁場中的鏡像法
4.7同軸電纜的磁場分布
4.8偏心電纜的磁場分布
第5章電磁波在無界空間的傳播
5.1媒質參數隨頻率的變化規律
5.2用MATLAB生成動圖的方法
5.2.1更新圖形對像的屬性，同時在屏幕上顯示更新
5.2.2采用getframe創建影片幀，和不同函數組合生成
動畫
5.2.3采用hgtransform Matrix進行圖形變換
5.3電磁波在無界媒質中的傳播
5.3.1電磁波在無界媒質中的傳播1（通用程序，適用於
所有媒質，用plot3語句）
5.3.2電磁波在無界媒質中的傳播2（用getframe
imwrite語句）
5.3.3電磁波在無界媒質中的傳播3（采用quiver3 drawnow
生成gif動圖）
5.3.4電磁波在無界媒質中的傳播4（采用plot3 drawon）
5.4波的極化動圖（通用程序，適用於不同媒質中不同類型的
極化波）
第6章電磁波的反射和折射
6.1正入射
6.1.1電磁波在兩種介質表面的反射和折射（正入射通用
程序1）
6.1.2電磁波在兩種介質表面的反射和折射（正入射通用
程序2）
6.1.3電磁波在兩種介質表面的反射和折射（正入射通用
程序3）
6.1.4電磁波在兩種介質表面的反射和折射（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反射繫數與透射繫數
6.2.3垂直極化波在兩種介質表面的斜入射
6.2.4平行極化波在兩種介質表面的斜入射
第7章波導的MATLAB直觀化
7.1矩形波導
7.1.1TE波
7.1.2TM波
7.2圓柱形波導
7.2.1圓波導中的TE波
7.2.2圓波導中的TM波
7.3同軸波導
7.4矩形諧振腔
7.4.1TMmnp模
7.4.2TEmnp模
參考文獻

電磁場與電磁波應用越來越廣泛，如無線輸電、5G(6G)通信、WiFi、電動汽車、微波通信、雷達、電子對抗與電子干擾、電磁武器、人工智能芯片等。特別是國際局勢風雲變幻的今天，電磁場和電磁波在國防安全中的地位越來越重要。
“電磁場與電磁波”的學習要求數學基礎高、物理概念抽像難懂，是公認的難學、難教、難考、難用的知識。
MATLAB是matrix&laboratory兩個詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實驗室），軟件主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環境。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態繫統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易於使用的視窗環境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，並在很大程度上擺脫了傳統非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式。MATLAB是科研工作者必不可少的科研工具，采用MATLAB將電磁場和電磁波直觀化，將抽像概念可視化、繁雜計算簡單化、復雜圖形具體化，在直觀感受中理解場的物理含義，有“撥開雲霧見青天”之感。將看不見、摸不著、聽不見的電磁場和電磁波，用簡單的線條表示出來，形像生動，在不知不覺中學會了場的分析方法，有利於“手腦並用”，有“四兩撥千斤”的奇效。
本書知識結構完整，適合相關專業工程人員使用，也可作為高等學校電氣工程學科本科生電磁場課程的教學參考書。
本書的編寫特點如下：
（1）本書不僅給出了MATLAB直觀化程序和計算結果，以便於提高讀者理解力和自學能力；還引導讀者探究電磁場的本質，既知其然，也知其所以然。例如5.2節總結了多種MATLAB制作動圖的方法，然後再將其應用於電磁波的動圖制作，有利於讀者舉一反三。
（2）突出對基礎和概念的運用。本書涵蓋了電磁場知識點的MATLAB直觀化過程，增強了讀者對電磁場抽像概念和知識的理解；同時，為了提高讀者思維發散能力，強調了同類知識的擴展，由簡單到復雜、由淺入深、由特殊規律到普遍規律的順序，逐漸引導讀者對基礎知識的學習。
（3）注重工程實用性和實踐性。本書強調常見工程問題的直觀化，增強基礎知識到工程實踐的運用。突出電磁場工程案例的深化，特別是電氣類工程問題和經典案例的直觀化，激發讀者應用理論的能力。書中部分內容，如不同鏡像法情形、跨步電壓及其危險區判斷、同軸/偏心磁場、電磁波極化等內容，都是電氣專業中常見問題，比如鏡像法常應用於輸電線路電場/電磁環境分析，跨步電壓分析能夠指導變電站/配電室接地繫統以及防護距離，獨具專業特色，能起到強化電類專業讀者運用基礎知識解決專業工程問題的能力。
（4）通過專題形式組織內容，便於讀者按需閱讀，是對電磁場教材的補充。對電磁場與電磁波專業知識和核心MATLAB詳細介紹，便於讀者學習。在使用本書的時候，如果能夠打開MATLAB軟件，邊學習知識，邊動手實踐，可達到事半功倍的效果。
（5）本書提供了不少通用程序。例如5.3節中的程序，適用於電磁波在各種不同性質媒質中的傳播，隻需要修改3個參數即可，有利於讀者既見“樹”又見“森林”。5.4節中的通用程序，適用於不同媒質及不同類型的極化。
（6）本書提供的MATLAB程序具有高度開放性和二次開發能力，通過思維擴展，引導讀者在研究電磁場應用和電磁科學領域研究中采用新的實現方法，比如電氣工程中絕緣梯度材料、超導電纜、隱身衣等技術，培養讀者的創新思想。
本書由譚陽紅、高兵、帥智康編寫，第2~3章和第5~6章由譚陽紅執筆，第4、7章由高兵執筆，第1章由帥智康執筆，全書由譚陽紅統稿。
本書中所涉及的MATLAB代碼，均已在MATLAB 2019b上運行通過；部分通用代碼以二維碼形式附於書中，便於讀者甄選重點。對於不同版本，可能存在不通用的情況，讀者可以進行相應替換後運行。
書中難免存在不足之處，敬請讀者批評指正。
編者
2023年4月於湖南大學