Preface ix

electric Flux Density, Gauss's LaW,

GuidedTour xiii Electric Flux Density, Gauss's LaW,

and Divergence 51

3.1 Electric Flux Density sl

3.2 Gauss'sLaw 55'

y6ctor AnalySis 1 3.3 Application of Gauss's Law' Some

1.1 Scalars and Vectors I Symmetrical Charge Distributions 59

1.2 Vector Algebra 2 3.4 Application of Gauss's Law4 Differential

1.3 The Rectangular Coordinate System 4 Volume Element 64

1.4 Vector Components and Unit Vectors 5 3.5 Divergence 67

1.5 The Vector Field 8 3.6 Maxwell's First Equation (Electrostatics) 70

1.6 The Dot Product 9 3.7 The Vector Operator V and the DiVergence

Theorem 72

1.7 The Cross Product 12 rheorem 72

References 75

1.8 Other Coordinate Systems' Circular References 75

Cylindrical Coordinates 14 Chapter 3 Problems 76

1.9 The Spherical Coordinate System 19

References 22

Chapter 1 Problems 23 Enerqy and Potential 80

4.1 Energy Expended in Moving a Point Charge in

an Ei..tri. Field sl

Coulombls LaW and Electric 4.2 The Line integral 82

Field Intensity 26 4.3 Definition of potential Difference and

2.1 The Experimental Law of Coulomb 27 Potential 87

2.2 Electric Field intensity 30 4.4 The Potential Field of a Point Charge 89

2.3 Field Due to a Continuous Volume Charge 4'5 The Potential Field of a System of Charges f

Distribution 34 ConservatiVeproperty gi

2.4 Field of a Line Charge 37 4.6 Potential Gradient 95

2.5 Field of a Sheet of Chaxge 43 4.7 The Dipole 101

2.6 Streamlines and Sketches of Fields 45 4.8 Energy Density in the Electrostatic Field 106

References 48 References 110

Chapter 2 Problems 48 Chapter 4 Problems 1 10

v

yi Contents

7.6 Solving Laplace's Equation Through

, 

Current and ConductorS 114 Numerical iteration 196

References 202

5.1 Current and Current Density 114 Chapter 7 Problems 203

5.2 Continuity of Current 116

5.3 Metallic Conductors 1 18

5.4 Conductor Properties and Boundary

Conditions 123 The Steady Magnetic Field 210

5.5 The Method of images 128 8.1 Blot-SavartLaw 210

5.6 Semiconductors 130 8.2 Ampere's Circuital Law 218

References 132 8.3 Curl 225

Chapter 5 Problems 132 8.4 Stokes' Theorem 232

8.5 Magnetic Flux and Magnetic Flux

Density 237

Dielectrics and Capacitance 136 8.6 The Scalar and Vector Magnetic

Potentials 240

6.1 The Natllre of Dielectfic Materials 137 o 7 DeriVation of the Steady-Magnetic-Field

8.7 DeriVation of the Steady-Magnetic-Field

6.2 Boundary Conditions for Perfect Laws 247

Dielectric Materials 143 References 253

6.3 Capacitance 149 Chapter & Problems 253

6.4 Several Capacitance Examples 152

6.5 Capacitance of a Two-Wire Line 155

6.6 Using Field Sketches to Estimate Capacitance

in Two-Dimensional Problems 160 Maqnetic Forces, Materials,

6.7 CurrentAnalogies 165 and Inductance 259

References 167 9.1 Force on a Moving Charge 260

Chapter 6 Problems 167 9.2 Force on a Differential Current Element 261

9.3 Force Between Differential Curreflt

Elements 265

Poissonls and Laplace's 9'4 Force and Torque on a Closed Circuit 267

Equations 172 9.5 The Nature of Magnetic Materials 273

9.6 Magnetization and Permeability 276

7.1 DeriVation ofpoisson's and Laplace's J

Equations 173 9.7 Magnetic Boundary Conditions 281

7.2 Uniqueness Theorem 175 9.8 The Magnetic Circuit 284

7.3 Examples of the Solution of Laplace's 9'9 Potential Energy and Forces on Magnetic

Equation 177 Materials 290

7.4 Example of the Solution of Poisson's 9'10 Inductance and Mutual inductance 292

Equation 184 References 299

7.5 Product Solution of Laplace's Equation 188 Chapter 9 Problems 299

Contents vii

Chapter 13 Problems 412

Time-V8rving Fields and Maxwellls

Equations 306

Guided Waves and Radiation 416

10.1 Faraday's Law 306

10.2 Displacement Current 313 14.1 Transmission Line Fields and Primary

Constants 417

10.3 Maxwell's Equations in Point Form 317

,4.2 Basic WaVeguide Operation 426

10.4 Maxwell's Equations in integral FOrm 319 14.2 Basic WaVeguide Operation 426

, 4.3 Plane Wave Analysis of the Parallel-Plate

10.5 The Retarded Potentials 321 14.3 Plane Wave Analysis of the Parallel-Plate

WaVeguide 430

References 325

14.4 Parallel-Plate Guide Analysis Using

Chapter 10 Problems 325' the WaVe Equation 439

14.5 RectangularWaVeguides 442

,4.6 Planar Dielectric WaVeguides 447

The Uniform Plane Wave 332 14'6 PlanarDielectricWaVeguides 447

14.7 OpticalFiber 453

12.1 WaVe Propagation in Free Space 332 14.8 Basic Antenna Principles 463

12.2 WaVe Propagation in Dielectrics 340' References 473

12.3 Poynting's Theorem and Wave Power 349 Chapter 14 Problems 473

12.4 Propagation in Good Conductors' Skin

Ef feet 352

12.5 WaVepolarization 359 Vector Analysis 478

References 366

Chapter 12 Problems 366 A.1 General Curvilinear Coordinates 478

A.2 Divergence, Gradient, and Curl in General

Curvilinear Coordinates 479

Plane Wgve Reflection A.3 Vector identities 481

and Dispersion 370

13.1 Reflection of Uniform Plane WaVes at Units 482

Normal incidence 370

13.2 Standing Wave Ratio 377 

13.3 WaVe Reflection from Multiple Material Constants 487

Interfaces 381

13.4 Plane Wave Propagation in General

Directions 389 Oriqins of the Complex

13.5 Plane Wave Reflection at Oblique permittivity 490

Incidence Angles 392

13.6 Total Reflection and Total Transgression

of Obliquely incident WaVes 398

13.7 Wave Propagation in Dispersive Media 401

13.8 Pulse Broadening in Dispersive Media 407 Answers to Odd-Numbered

References 4if Problems 497