电磁场与电磁波姚毅版考试例题及习题精简版.doc

1、1、例 2.2.4（ ）半径为 的无限长导体柱面，单位长度上均匀分布的电荷密38P0r度为 。试计算空间中各点的电场强度。l解：作一与导体柱面同轴、半径为 、长为 的闭合面 ，应用高斯定律计算电lS场强度的通量。当 时，由于导体内无电荷，因此有 ，故有 ，导0r 0dE体内无电场。当 时，由于电场只在 方向有分量，电场在两个底面无通量，r因此 则有：02lEdSaESdrrr rlr02例 2. 2. 6 圆柱坐标系中, 在 r = 2 m 与 r = 4 m 之间 的 体 积 内 均 匀 分 布 有 电 荷, 其 电 荷 密 度 为 /Cm- 3。利用高斯定律求各区域中的电场强度。解：当 0

2、r2m 时, 有 即 Er = 0当 2 mr4 m 时, 有 因此当 r4 m 时, 有例 2. 3. 1 真空中, 电荷按体密度 = 0 ( 1 -r2/a2) 分布在半径为 a 的球形区域内, 其中 0 为常数。试计算球内、外的电场强度和电位函数。解 由于电荷分布具有球对称分布, 电场也应具有球对称分布, 因此, E_沿半径方向, 且只是 r 的函数。作一半径为 r 的同心球面 S, 应用高斯定律的积分形式可得。当 r a 时而 Q 为球面 S 包围的总电荷, 即球形区域内的总电荷。 因此当 r R 处, 有得例 4. 2. 2 在无限长柱形 区域 1m r 3m 中, 沿纵 向流动的电

3、流, 其电流密度为 J_=a_z5e- 2 r, 其他地方电流密度 J_= 0。求各区域中的磁感应强度。解 在圆柱坐标系中, 若将圆柱的轴线与 z 轴重合, 则电流关于 z 轴对称, 且在 a_ 方向。若选圆形路径作为积分回路, 利用安培环路定律, 有其中 I 为回路 C 围成的面积上穿过的电流强度。当 r 1 m 时, I = 0 , 则 B_= 0例 4. 5. 1 同轴线的内导体半径为 a , 外导体的半径为 b, 外导体的厚度忽略不计。并设导体的磁导率是 0, 内、外导体间充满磁导率为 的均匀磁介质, 如图 4 . 5. 3 所示。内、外导体分别通以大小都等于 I 但方向相反的电流 ,

4、 求各处的 H_和 B_解例 4. 5. 2 无限长铁质圆管中通过电流 I, 管的内、外半径分别为 a 和 b。已知铁的磁导率为 , 求管壁中和管内、外空气中的 B_, 并计算铁中的磁化强度 M_和磁化电流分布。例 4. 6. 1 如图 4. 6. 3 所示, 铁心磁环的内半径为 a , 轴线半径 r0, 环的横截面为矩形, 且尺寸为 d h。已知 a m h 和铁心的磁导率 m 0 , 磁环上绕有 N 匝线圈, 通以电流为 I。试计算环中的 B_， H_和 。解：在忽略环外漏磁的条件下, 环内 H_的环积分为铁心环内的磁通为麦克斯韦认为: 时变电磁场中的磁场是由传导电流和位移电流分别独立激励

5、的磁场的矢量和, 而且都是旋涡场。时变电磁场中的电场则是由电荷激励的发散电场与时变磁场激励的旋涡电场的矢量和。于是他将时变电磁场的场源关系总结为其积分形式包括如下的四个方程1、例 5.5.1（P 144）在两导体平板（ ）限定的空气中传播的电磁波，dz,0已知波的电场分量为 式中， 为常数。1 试求波的磁场分)cos()0xktdzEaxx量；（2）验证波的各场分量满足边界条件；（3）求两导体表面上的面电荷和面电流密度。2 由导体与空气的边界条件可知，在 和 的导体表面上应该有电场强度的0zd切向分量 和磁感应强度的法向分量 。而当 和 时， 和tEnBz0tyxE，可见电磁波的场分量自然满足

6、边界条件。0nzB5.22 在 和 的均匀区域中，有1r50r TeHaBmVeaEztjmyztjz )(0)(,/2如果波长为 ，求 和 。78.解：由由麦克斯韦方程 可得tBEzyxa0即 （自己求哈）?mzyxHta（自己求哈）278.12k例题 6.2.1 频率为 100MHz 的正弦均匀平面电磁波在各向同性的均匀理想介质中沿 方向传播，介质的特性参数为 ， 。设电场只有 方向的分量，)(z4r1r x即 ；当 时，电场等于其振幅 ，试求：xEat8,0V/0（1）该正弦电磁波的 和 ；),(tz,tH（2）该正弦电磁波的传播速度；（3）该正弦电磁波的平均坡印廷矢量。解：各向同性的均

7、匀理想介质中沿 方向传播的正弦均匀平面电磁波可由标)(z准的余弦函数来表示，即 cos),(tEtzm而波的电场分量是沿 方向的，因此，波的电场分量可写成x式中 。)(,xztatmVE/104而mradfk/3420再由 时， 得mzt81,0VEmx/1)0,(4xzt故 68x则（1） )/(34102cos(),(4mVztatzEx)/(634102cos68AztHyxy （2）波的传播速度为 /5.480（3）波的电场和磁场分量的复矢量可写成，)63(1zjxeaE)634(1zjyea故波的平均坡印廷矢量为 28)634()634(* /100R2)( mWaHS zjyzjx

8、 1、什么是均匀平面电磁波？答：平面波是指波阵面为平面的电磁波。均匀平面波是指波的电场 和磁场 只EH沿波的传播方向变化，而在波阵面内 和 的方向、振幅和相位不变的平面波。EH2、电磁波有哪三种极化情况？简述其区别。答：（1）直线极化，同相位或相差 ；2）圆极化，同频率，同振幅，相位180相差 或 ；（3）椭圆极化，振幅相位任意。9073、试写出正弦电磁场的亥姆霍兹方程（即亥姆霍兹波动方程的复数形式） ，并说明意义。答： ，式中 称为正弦电磁波的波数。02HkE2k意义：均匀平面电磁波在无界理想介质中传播时，电场和磁场的振幅不变，它们在时间上同相，在空间上互相垂直，并且电场、磁场、波的传播方向

9、三者满足右手螺旋关系。电场和磁场的分量由媒质决定。4、写出时变电磁场中麦克斯韦方程组的限定微分形式，并简述其意义。答： EHtJ)4(032)1(物理意义：A、第一方程：时变电磁场中的安培环路定律。物理意义：磁场是由电流和时变的电场激励的。B、第二方程：法拉第电磁感应定律。物理意义：说明了时变的磁场激励电场的这一事实。C、第三方程：时变电场的磁通连续性方程。物理意义：说明了磁场是一个旋涡场。D、第四方程：高斯定律。物理意义：时变电磁场中的发散电场分量是由电荷激励的。5、写出麦克斯韦方程组的微分形式或积分形式，并简述其意义。答：（1）微分形式 DBtEJH)4(032)(（2） 积分形式qSdD

10、lBtEJlHls)4(032)()16 写出达朗贝尔方程，即非齐次波动方程，简述其意义。答： ，JtA22t物理意义： 激励 ，源 激励 ，时变源激励的时变电磁场在空间中以波动方式传播，是时变源的电场辐射过程。6、写出齐次波动方程，简述其意义。答： ，02tH02tE物理意义：时变电磁场在无源空间中是以波动方式运动，故称时变电磁场为电磁波，且电磁波的传播速度为： 1p7、简述坡印廷定理，写出其数学表达式及其物理意义。答：（1）数学表达式：积分形式： ，其中，dEHtSd22)1(，称为坡印廷矢量。HES由于 为体积 内的总电场储能， 为体积 内的总磁场储dWe21Wm2能， 为体积 内的总焦

11、耳损耗功率。于是上式可以改写成：P，式中的 为限定体积 的闭合面。tmeS)(S微分形式： ，其中， ，称为坡印廷矢量，电场22)1EHH能量密度为： ，we磁场能量密度： 。2m（2）物理意义：对空间任意闭合面 限定的体积 ， 矢量流入该体积边界面SS的流量等于该体积内电磁能量的增加率和焦耳损耗功率。它给出了电磁波在空间中的能量守恒和能量转换关系。8、写出麦克斯韦方程组的复数形式。答： DBjEJH09、写出达朗贝尔方程组的复数形式。答： ，JA2210、 写出复数形式的的坡印廷定理。答： dwjdPSdemTem)()( 平 均平 均其中 为磁场能量密度的平均值， 为电场能量密度241Hw平 均 241Ee平 均的平均值。这里场量 分别为正弦电场和磁场的幅值。E、正弦电磁场的坡印廷定理说明：流进闭合面 内的有功功率供闭合面包围的区S域内媒质的各种功率损耗；而流进（或流出）的无功功率代表着电磁波与该区域功率交换的尺度。