- عنوان کتاب: Lectures on Electromagnetic Field Theory -A Comprehensive Overview
- نویسنده: Weng Cho Chew
- حوزه: میدان الکترومغناطیسی
- سال انتشار: 2026
- تعداد صفحه: 626
- زبان اصلی: انگلیسی
- نوع فایل: pdf
- حجم فایل: 6.17 مگابایت
این مجموعه یادداشتهای سخنرانی، حاصل تدریس من در درس نظریه میدان الکترومغناطیسی ECE 604 از پاییز ۲۰۱۸ در دانشگاه پردو در وست لافایت، ایندیانا است. این مجموعه برای دانشجویان کارشناسی ارشد ورودی در نظر گرفته شده است. از آنجا که دانشگاههای مختلف الزامات کارشناسی متفاوتی در نظریه میدان الکترومغناطیسی دارند، این دورهای است که برای “برابر کردن شرایط بازی” در نظر گرفته شده است. از این نقطه به بعد، امیدوارم همه دانشجویان پیشینه اساسی در نظریه میدان الکترومغناطیسی مورد نیاز برای گذراندن دورههای سطح پیشرفته و انجام تحقیقات در پردو را داشته باشند. در تدوین این دوره، من به شدت از دانش پیشینیان خود در این زمینه بهره بردهام. بسیاری از کتابهای درسی و مقالات مورد استفاده را در فهرست منابع فهرست کردهام. به عنوان یک متخصص در این زمینه برای بیش از چهل سال، شاهد تأثیر بیوقفه نظریه الکترومغناطیسی بر توسعه فناوری مدرن بودهام. با وجود قدمتش، مجموعه معادلات ماکسول میراثی ماندگار داشته و همچنان مهم است، از استاتیک گرفته تا اپتیک تا نور فرابنفش شدید (EUV)، از کلاسیک تا کوانتومی و از مقیاسهای طول زیر نانومتری (زیر اتمی) تا مقیاسهای طول کهکشانی. کاربردهای فناوریهای الکترومغناطیسی نیز بسیار گسترده بوده است، از جمله اکتشافات ژئوفیزیکی، سنجش از دور، سیستمهای قدرت الکتریکی، انرژیهای تجدیدپذیر و پاک، مهندسی پزشکی، اپتیک، مدارهای مجتمع فوتونیک، طراحی مدار کامپیوتر، سیستمهای کامپیوتری، کامپیوترهای کوانتومی، ارتباطات کوانتومی و بسیاری موارد دیگر. نظریه میدان الکترومغناطیسی همه چیز نیست، اما همچنان یک جزء ضروری از پیشرفتهای فناوری مدرن است. چالش در تدریس این دوره، چگونگی آموزش بیش از ۱۵۰ سال دانش در یک ترم است. این، البته، ماموریت غیرممکن است! برای انجام این کار، ما از خرد سنتی آموزش مهندسی استفاده میکنیم: دانش را تقطیر کنید، آن را تا حد امکان ساده کنید و ایدههای بزرگ و اساسی را در یک ترم کوتاه آموزش دهید. به همین دلیل، ممکن است جریان سخنرانیها را نامنظم و سریع بیابید. گاهی اوقات، قبل از ادامه، احساس میکنم که باید به ایدههای بزرگ خاصی اشاره کنم، که منجر به گسستگی برنامه درسی میشود. همچنین، در این دوره، تا حد امکان از «همومورفیسم» ریاضی برای سادهسازی آموزش استفاده میکنم. پس از سالها تمرین در این زمینه، متوجه شدهام که اگر از هممورفیسم ریاضی بین مفاهیم پیشرفته و مفاهیم سادهتر استفاده شود، بسیاری از مفاهیم پیچیده و پیشرفته سادهتر میشوند. نمونهای از این مورد، امواج در محیطهای لایهای است. این مسئله برای مسئله خط انتقال هممورفیک است: از این رو، با استفاده از نظریه خط انتقال، میتوان مشتقات برخی از فرمولهای پیچیده را ساده کرد. بخش بزرگی از فناوریهای الکترومغناطیسی کاربردی مدرن مبتنی بر اکتشافات است: آموزش این روش دشوار است، زیرا به بینش و تجربه فیزیکی متکی است. نرمافزارهای تجاری مدرن این چشمانداز را تغییر شکل دادهاند: حوزه مدلسازی ریاضی-فیزیک از طریق شبیهسازیهای عددی، که به عنوان الکترومغناطیس محاسباتی (CEM) شناخته میشود، در سالهای اخیر پیشرفتهای سریعی داشته است. بسیاری از آزمایشهای آزمایشگاهی برش و آزمایش، مبتنی بر اکتشافات، با آزمایشهای کامپیوتری برش و آزمایش جایگزین شدهاند که بسیار ارزانتر هستند. یک پیشرفت مدرن هیجانانگیز، نقش الکترومغناطیس و معادلات ماکسول در فناوریهای کوانتومی است. ما معادلات ماکسول را در انتهای این دوره به الکترومغناطیس کوانتومی متصل خواهیم کرد. این یک چالش است، زیرا تا جایی که من میدانم، قبلاً در یک دوره مقدماتی انجام نشده است.10 اولین کامپیوتر لامپ خلاء، ENIAC، حدود سال 1945 ساخته شد. پس از آن، در دهه 1950، مجموعهای از کامپیوترهای لامپ خلاء به همراه ترانزیستور، از جمله سری ILLIAC در دانشگاه ایلینوی ساخته شدند. این کامپیوترها میتوانند یک اتاق کامل را پر کنند. پس از حدود 70 سال، با رشد نمایی نانوفناوریها، اکنون میتوانیم یک تلفن همراه جیبی پر از میلیاردها ترانزیستور را حمل کنیم. تغییر در روش کار این است که طراحیهای مهندسی اکنون به طور فزایندهای بیشتر با نرمافزار انجام میشوند تا هزینهها را به جای آزمایشهای آزمایشی کاهش دهند. بنابراین، یک زمینه مهم از CEM در سالهای اخیر پدیدار شده است. نمونهسازی مجازی و دوقلوهای دیجیتال به شدت به دقت نرمافزار شبیهسازی متکی هستند: طراحیهای مهندسی را میتوان با نرمافزار به جای سختافزار انجام داد. در واقع، اکنون ۹۵ درصد طراحی تراشههای کامپیوتری با شبیهسازی نرمافزاری انجام میشود که هزینه طراحی را تا حد زیادی کاهش میدهد. متأسفانه، ما فقط میتوانیم دو جلسه درس در مورد CEM بگذرانیم تا برخی از ایدههای بزرگ را به دانشجویان الکترومغناطیس منتقل کنیم. مشکل در جزئیات پیادهسازی این ایدههای بزرگ است که میتوان در دورههای دیگر دنبال کرد.
This set of lecture notes is from my teaching of ECE 604 Electromagnetic Field Theory, since Fall of 2018, at Purdue University in West Lafayette, Indiana. It is intended for entry-level graduate students. Because different universities have different undergraduate requirements in electromagnetic field theory, this is a course intended to “level the playing field”. From this point onward, hopefully, all students will have the fundamental background in electromagnetic field theory needed to take advanced-level courses and do research at Purdue. In developing this course, I have drawn heavily upon knowledge of our predecessors in this area. I have listed many of the textbooks and papers used in the reference list. Being a practitioner in this field for over forty years, I have seen electromagnetic theory impacting modern technology development unabated. Despite its age, the set of Maxwell’s equations has had an enduring legacy and continues to be important, from statics to optics to extreme-ultra-violet (EUV) light, from classical to quantum, and from sub-nanometer (subatomic) length scales to galactic length scales. The applications of electromagnetic technologies have also been tremendously wide-ranging, including geophysical exploration, remote sensing, electrical power systems, renewable and clean energy, biomedical engineering, optics, photonics integrated circuits, computer circuit design, computer systems, quantum computers, quantum communications, and many more. Electromagnetic field theory is not everything, but it remains an indispensable component of modern technology developments. The challenge in teaching this course is on how to teach over 150 years of knowledge in one semester; this is, of course, mission impossible! To do this, we use the traditional wisdom of engineering education: distill the knowledge, make it as simple as possible, and teach the fundamental big ideas in one short semester. Because of this, you may find the flow of the lectures erratic and rapid. Sometimes, I feel the need to touch on certain big ideas before moving on, resulting in the choppiness of the curriculum. Also, in this course, I exploit mathematical “homomorphism” as much as possible to simplify the teaching. After years of practicing in this area, I find that many complex and advanced concepts become simpler if mathematical homomorphism is exploited between the advanced concepts and simpler ones. An example of this is on waves in layered media. The problem is homomorphic to the transmission line problem: hence, using transmission line theory, one can simplify the derivations of some complicated formulas. A large part of modern applied electromagnetic technologies is based on heuristics: this is difficult to teach, as it relies on physical insight and experience. Modern commercial software has reshaped this landscape: the field of math-physics modeling through numerical simulations, known as computational electromagnetics (CEM), has made rapid advances in recent years. Many cutandtry laboratory experiments, based on heuristics, have been replaced by cut-and-try computer experiments, which are a lot cheaper. An exciting modern development is the role of electromagnetics and Maxwell’s equations in quantum technologies. We will connect Maxwell’s equations to quantum electromagnetics toward the end of this course. This is a challenge, as it has never been done before in an entry-level course to my knowledge.10 The first vacuum tube computer, ENIAC, was built around 1945. After that, in the 1950s, a series of vacuum tube plus transistor computers were built, including the ILLIAC series at the University of Illinois. Those computers can fill a whole room. After some 70 years, with the exponential growth of nanotechnologies, we can now carry a pocket-size cell phone packed with billions of transistors. A change in modus operandi is that engineering designs are now done increasingly more with software to reduce cost rather than cut-and-try experiments. Thus, an important field of CEM has emerged in recent years. Virtual prototyping and digital twins rely greatly on the fidelity of simulation software: engineering designs can be done with software rather than hardware. In fact, 95 percent of a computer chip design is now done with software simulation, greatly reducing the design cost. Unfortunately, we can only spend two lectures on CEM to convey some of the big ideas to the students of electromagnetics. The devil is in the details in the implementation of these big ideas, which can be pursued in other courses.
این کتاب را میتوانید از لینک زیر بصورت رایگان دانلود کنید:
Download: Lectures on Electromagnetic Field Theory





نظرات کاربران