第七章-平面电磁波-基本特性和极化-林

电磁场第七章习题

习题 7.1[]1 将下面用复数形式表示的场矢量变换为瞬时值，或做相反的变换。 ()1 0x E e E = ()2 0jkz x E e jE e -= ()3 ()()00cos 2sin x y E e E t kz e E t kz ωω=-+- 7.2 [] 1 将下列场矢量的复数形式写成瞬时值形式 ()1 ()()0sin sin z jk z z x y E e E k x k y e -=?? ()2 ()sin 02sin cos cos z jk x x E e j E k e θθθ-=?? 7.3[]2 一根半径为a ，出长度为L 的实心金属材料，载有均匀分布沿z 方向流动 的恒定电流I 。 试证明：流入金属导体的总功率为2I R ，这里的R 为金属导体的电阻。 7.4 [] 3 已知无界理想媒质()009,,0εεμμσ===中，正弦均匀平面电磁波的频率 8 10f Hz =，电场强度为3 43/jkz j jkz x y E e e e e m π -+-=+ 试求：()1均匀平面电磁波的相速度p v 、波长λ、相移常数k 和波阻抗η； ()2电场强度和磁场强度的瞬时表达式； ()3与电磁波传播方向垂直的单位面积上通过的平均功率。 5.7[]4 已知真空中的均匀平面波电场强度瞬时值为 ()() ()m V a z t z E x /106sin 220,8 βπ-?= 求：()1频率f 、波长λ、相速p v 及相位常数β；()2电场强度复数表达式，磁场强度复数及瞬时值表达式；()3能流密度矢量瞬时值及平均值。

6 .7[] 5 根据以下电场表示式说明它们所表征的波的极化形式。 ()1 ()jkz m y jkz m x e jE e e jE e z E += ()2 ()()()kz t E e kz t E e t z E m y m x -+-=ωωcos sin , ()3 ()jkz m y jkz m x e jE e e E e z E ---= ()4 ()()() 40cos sin ,+-+-=kz t E e kz t E e t z E m y m x ωω 7 .7[] 5 在某种无界导电媒质中传播的均匀平面波的电场表示式为 ()2/2.02.02.02.044πj z j z y z j z x e e e e e e e z E --+= 试说明波的极化状态。 7.8[]6 铜的电导率75.810/S m σ=?，其电容率0εε=，磁导率0μμ=。分别计算 频率61012350,10,10f Hz f Hz f Hz ===的情况下，电磁波在铜中的穿透深度。 7.9 [] 3 微波炉利用磁控管输出的2.45GHz 的微波炉加热食品。在该频率上，牛排 的等效复介电常数040,tan 0.3e εεδ'== ()1求微波传入牛排的趋肤深度δ，在牛排内8mm 处的微波场强是表面处的百分 之几； ()2微波炉中盛牛排的盘子是用发泡聚苯乙烯制成的，其等效复介电常数和损耗 角正切分别为401.03,tan 0.310e εεδ-'==?。说明为何用微波加热时牛排被烧熟而盘子并没有被烧毁。 7.10 [] 3 海水的电磁参数为80,1,4/r r S m εμσ===，频率为3kHz 和30MHz 的电 磁波在海平面处()刚好在海平面下侧的海水中的电场强度为1/V m 。求：

第七章作业 (1)

1、已知自由空间电磁波的电场强度E 的瞬时值为() 837.7cos 6102/y E e t z V m ππ=?+ 。回答下列问题： （1）该波沿何方向传播？ （2）该波的频率，波长，相移速度，相速度各为多少？ （3）该波磁场强度H 的瞬时表达式。该波是均匀平面波吗？ 2、自由空间一电磁波的电场强度E 为()()00sin sin x y E e E t kz e E t kz ωω=-+- 。 求：（1）磁场强度H 的瞬时表达式； （2）该波的坡印亭矢量。 3、空气中均匀平面波的磁场强度H 的振幅为1/3A m π，以相位常数k=30rad/m 沿z e - 方向传播，若0,0t z ==时，H 取向为（y e - ）。 （1）写出H ，E 的表达式； （2）求频率和波长。 4、真空中一平面电磁波的磁场强度矢量为 163110cos 22x y z H e e e t x y z ωπ-??????=+++-- ? ???????? ? A/m 求：（1）波的传播方向； （2）波长和频率； （3）电场强度E ； （4）坡印亭矢量平均值av S 。 5、理想媒质（00,r εεμ）中平面波的电场为()62210210100/j t x z E e e V m ππμ-?-?= 。 求：（1）磁感应强度B ； （2）相对介电常数r ε。 6、一均匀平面波()101050j t kz x E e e -= 在无损耗聚丙烯（1, 2.25r r με==）中传输，求： （1）频率f ； （2）相移常数k ； （3）磁场强度瞬时式()H t ； （4）坡印亭矢量平均值av S 。 7、指出下列各平面波的极化方式：

电磁波的传播

实验二电磁波的传播 实验目的： 1、掌握时变电磁场电磁波的传播特性； 2、熟悉入射波、反射波和合成波在不同时刻的波形特点； 3、理解电磁波的极化概念，熟悉三种极化形式的空间特点。 实验原理： 平面电磁波的极化是指电磁波传播时，空间某点电场强度矢量E随时间变化的规律。若E的末端总在一条直线上周期性变化，称为线极化波；若E末端的轨迹是圆（或椭圆），称为圆（或椭圆）极化波。若圆运动轨迹与波的传播方向符合右手（或左手）螺旋规则时，则称为右旋（或左旋）圆极化波。线极化波、圆极化波和椭圆极化波都可由两个同频率的正交线极化波组合而成。 实验步骤： 1、电磁波的传播 （1）建立电磁波传播的数学模型 （2）利用matlab软件进行仿真 （3）观察并分析仿真图中电磁波随时间的传播规律 2、入射波、反射波和合成波 （1）建立入射波、反射波和合成波的数学模型 （2）利用matlab软件进行仿真 （3）观察并分析仿真图中三种波形在不同时刻的特点和关系 3、电磁波的极化 （1）建立线极化、圆极化和椭圆极化的数学模型 （2）利用matlab软件进行仿真 （3）观察并分析仿真图中三种极化形式的空间特性 实验报告要求： （1）抓仿真程序结果图 （2）理论分析与讨论

1、电磁波的传播 clear all w=6*pi*10^9; z=0::; c=3*10^8; k=w/c; n=5; rand('state',3) for t=0:pi/(w*4):(n*pi/(w*4)) d=t/(pi/(w*4)); x=cos(w*t-k*z); plot(z,x,'color',[rand,rand,rand]) hold on end title(‘电磁波在不同时刻的波形’) 由图形可得出该图形为无耗煤质中传播的均匀电磁波，它具有以下特点：（1）在无耗煤质中电磁波传播的速度仅取决于煤质参数本身，而与其他因素无关。 （2）均匀平面电磁波在无耗煤质中以恒定的速度无衰减的传播，在自由空间中其行进速度等于光速。 2、入射波、反射波、合成波 （1）axis equal; n=0;%改变n值得到不同时刻的电磁波状态z=0:*pi:10*pi; t=n*pi; B=cos(z-t/4); FB=cos(z+t/4); h=B+FB; plot(z,B,'r',z,FB,'b',z,h,'d'); legend('入射波','反射波','合成波'); axis([0 10 ]); （2）axis equal; n=1/4；;%改变n值得到不同时刻的电磁波状态 z=0:*pi:10*pi; t=n*pi; B=cos(z-t/4); FB=cos(z+t/4); h=B+FB; plot(z,B,'r',z,FB,'b',z,h,'d'); legend('入射波','反射波','合成波'); 电磁波在不同时刻的波形

第六章 平面电磁波的传播

第六章 平面电磁波的传播 习题6.1 已知自由空间中均匀平面电磁波的电场： y e x t E )210cos(37.738 ππ-?=V/m ，求 （1）电磁波的频率，速度，波长，相位常数，以及传播方向。 （2）该电磁波的磁场表达式。 （3）该电磁波的坡印廷矢量和坡印廷矢量的平均值。 题意分析： 已知均匀平面电磁波的一个场量求解另一个场量，以及相关的参数，这是均匀平面波问题中经常遇到的问题。求解问题的关键在于牢记均匀平面电磁波场量表达形式的基本特点，场矢量方向和波的传播方向之间的关系以及相关公式。 解： （1）求电磁波的频率，速度，波长，相位常数，以及传播方向 沿x 轴正方向传播的电磁波的电场强度瞬时表达式为： y y y e x t E E )c o s (2φβω+-= 电场表达式的特点有： 电磁波角频率 8103?=πω （rad/s ） 由f πω2=，可以得到 电磁波的频率为： 8 10 5.12?==π ω f （Hz ） 电磁波在自由空间的传播速度 8103?==c v （m/s ） 电磁波的波长λ满足式 f v vT = =λ 210 5.110 38 8=??= = ∴f v λ（m ） 相位常数： πβ2= （rad/m ） 分析电磁波的传播方向： 方法一：直接判断法 比较均匀平面电磁波的电场表达式可以看出，均匀平面电磁波的电场表达式中x π2项前面的符号为“-”，该电磁波是沿x 轴正方向传播的电磁波。

方法二：分析法 电场表达式是时间t 和坐标x 的函数，若要使E 为不变的常矢量，就应使组合变量（x t ππ21038-?）在t 和x 变化时为一定值。即，当时间变量t 变为t t ?+，位置变量x 变为x x ?+时，有下式成立： )(2)(10321038 8x x t t x t ?+-?+?=-?ππππ 由上式可得： t x ??= ?π π21038 这说明在电磁波的传播过程中，随着时间的增加（0>?t ），使电场保持定值的点的坐标也在增加（0>?x ），所以电磁波的传播方向是由近及远，沿x 轴正方向逐步远离原点。 （2）求该电磁波的磁场表达式 电磁波的传播方向为x 轴正方向，电场分量为y 轴方向，根据坡印廷矢量的 定义：H E S ?=，电场，磁场以及电磁波的传播方向应遵循右手螺旋定律，所 以本题中磁场的方向应为z 轴方向，三者的方向关系下如图所示。 z 在自由空间中，正弦均匀平面电磁波的电场和磁场分量的比值为固定值，是 空间的波阻抗：Ω=3770Z ，所以磁场分量H 的表达式为： z z z e x t e x t e Z E H )210cos(31.0)210cos(3377 7.738 80ππππ-?=-?== （A/m ） （3）求该电磁波的坡印廷矢量表达式和坡印廷矢量的平均值 根据坡印廷矢量的定义：H E S ?=，得 ])210cos(31.0[])210cos(37.73[8 8z y e x t e x t H E S ππππ-??-?=?= x e x t )210(3cos 773.8 2ππ-?= （W/m 2） 坡印廷矢量的平均值：

电磁场与电磁波课后习题及答案七章习题解答

《电磁场与电磁波》习题解答 第七章 正弦电磁波 7.1 求证在无界理想介质内沿任意方向e n （e n 为单位矢量）传播的平面波可写成 j() e n r t m βω?-=e E E 。 解 E m 为常矢量。在直角坐标中 故 则 而 故 可见，已知的() n j e r t m e βω?-=E E 满足波动方程 故E 表示沿e n 方向传播的平面波。 7.2 试证明：任何椭圆极化波均可分解为两个旋向相反的圆极化波。 解 表征沿+z 方向传播的椭圆极化波的电场可表示为 式中取 显然，E 1和E 2分别表示沿+z 方向传播的左旋圆极化波和右旋圆极化波。 7.3 在自由空间中，已知电场3(,)10sin()V/m y z t t z ωβ=-E e ，试求磁场强度 (,)z t H 。 解 以余弦为基准，重新写出已知的电场表示式 这是一个沿+z 方向传播的均匀平面波的电场，其初相角为90? -。与之相伴的磁场为 7.4 均匀平面波的磁场强度H 的振幅为1 A/m 3π，以相位常数30rad/m 在空气中沿z -e 方向传播。当t=0和z= 0时，若H 的取向为y -e ，试写出E 和H 的表示式，并求出波的频率和波长。 解 以余弦为基准，按题意先写出磁场表示式 与之相伴的电场为 由rad/m β=30得波长λ和频率f 分别为 则磁场和电场分别为 7.5 一个在空气中沿 y e +方向传播的均匀平面波，其磁场强度的瞬时值表示式为 （1）求β和在3ms t =时， z H =的位置；（2）写出E 的瞬时表示式。 解（1） 78 1π 10πrad /m rad /m 0.105rad /m 31030β==? ==? 在t =3ms 时，欲使H z =0，则要求 若取n =0，解得y =899992.m 。 考虑到波长260m π λβ= =，故 因此，t =3ms 时，H z =0的位置为 （2）电场的瞬时表示式为 7.6 在自由空间中，某一电磁波的波长为0.2m 。当该电磁波进入某理想介质后，波长变为0.09m 。设1r μ=，试求理想介质的相对介电常数r ε以及在该介质中的波速。

平面电磁波知识讲座

平面电磁波 1 时变电磁场以电磁波的形式存在于时间和空间这个统一的物理世界。 2 研究某一具体情况下电磁波的激发和传播规律，从数学上讲就是求解在这具体条件下Maxwell equations 或wave equations 的解。 3 在某些特定条件下，Maxwell equations 或wave equations 可以简化，从而导出简化的模型，如传输线模型、集中参数等效电路模型等等。 4 最简单的电磁波是平面波。等相面（波阵面）为无限大平面电磁波称为平面波。如果平面波等相面上场强的幅度均匀不变，则称为均匀平面波。 5 许多复杂的电磁波，如柱面波、球面波，可以分解为许多均匀平面波的叠加；反之亦然。故均匀平面波是最简单最基本的电磁波模式，因此我们从均匀平面波开始电磁波的学习。 § 6.1 波动方程 1 电场波动方程：ερμμε?+??=??-?t J t E E 222 磁场波动方程 J t H H ?-?=??-?2 22 με 2 如果媒质导电（意味着损耗），有E J σ=代入上面，则波动方程变为 ερμεμσ?=??-??-?222t E t E E 02 22=??-??-?t H t H H μεμσ 如果是时谐电磁场，用场量用复矢量表示，则 ε ρ μεωωμσ ?= +-?E E j E 22 02 2 =+-?H H j H μεωωμσ 采用复介电常数，ε μωωε σ μεωωμσμεω 222 )1(=-=-j j ，上面也可写成 3 在线性、均匀、各向同性非导电媒质的无源区域，波动方程成为齐次方程。 0222=??-?t E E με 02 22=??-?t H H με 4在线性、均匀、各向同性、导电媒质的无源区域，波动方程成为齐次方程。 0222=??-??-?t E t E E μεμσ

电磁场与电磁波理论基础第七章作业题解答

第七章 平面电磁波的反射和透射 习题解答 7-1．空气中的平面电磁波电场幅值为10V/m ，垂直入射到εr =25的无耗非磁性介质的表面，试确定：（1）反射系数和透射系数；（2）在空气中的驻波比；（3）入射波、反射波和透射波的平均功率流密度。 解 （1）由于空气和无耗非磁性介质的磁导率为 所以，空气和无耗非磁性介质中的波阻抗分别为 由此得到垂直入射情况下，两理想介质分界面的反射系数和透射系数为 （2）驻波比定义为 由此得到空气中的驻波比为 （3）假定电场矢量沿x e 方向，入射波沿+Z 方向传播，则可写出垂直入射情况下，入射波、反射波和透射波的电场和磁场复振幅矢量表达式为 根据平均功率流密度的定义式 有 而 数值代入得到 7-4．一均匀平面电磁波沿+Z 方向传播，其电场强度矢量为 （1）应用麦克斯韦方程求相伴的磁场H ；（2）若在传播方向上z =0处放置一无限大的理想导体板，求z ＜0区域中的合成波的电场E 1和磁场H 1；（3）求理想导体板表面的电流密度。 解 （1）根据给定的电场强度矢量的表达式，有 由此可写出电场强度矢量的复振幅表达式为 由复数形式的麦克斯韦方程 得到 则有 （2）如果在z =0处放置一无限大平面导体板，可看成是理想介质与理想导体分界面的垂直入射，有 001r i E r E ==-，00 0t i E t E == 根据入射波电场矢量和磁场矢量的复振幅表达式，可写出反射波电场矢量和磁场矢量的复振幅表达式为 把 代入，得到 入射介质一方（z <0）的合成波电场和磁场的复振幅为 合成波的电场E 1和磁场H 1的瞬时表达式为 （3）根据边界条件 由于理想导体板中的磁场为零，有 7-7．一圆极化平面电磁波的电场为 平面电磁波沿+X 方向从空气垂直入射到εr =4、μr =1的理想介质表面上。求：（1）反射波和透射波的电场；（2）它们分别属于什么极化？ 解 （1）两种介质均为无耗理想介质，其参数如下： 垂直入射情况下的反射系数和透射系数为 即

习题答案第6章 平面电磁波的反射与折射

第6章 平面电磁波的反射与折射 6.1/6.1-1 电场强度振幅为0i E =0.1V/m 的平面波由空气垂直入射于理想导体平面。试求：(a)入射波的电、磁能密度最大值；(b)空气中的电、磁场强度最大值；(c)空气中的电、磁能密度最大值。 [解] (a)3 14 /10 427.4m J w eM ?×=3 1410427.4m J w mM ?×=(b)m V E /2.01=m A H /103.541?×=(c) 3 13/107708.1m J w eM ?×=3 13/107708.1m J w mM ?×=6.2/6.1-2 均匀平面从空气垂直入射于一介质墙上。在此墙前方测得的电场振幅分布 如题图6-1所示，求： (a)介质墙的)1(=r r με；(b)电磁波频率f 。[解](a) 9 =r ε(b) MHz Hz f 75105.77=×=6.3/6.1-3 平面波从空气向理想介质（r μ=1，σ=0）垂直入射，在分界面上0E =16V/m ， 0H =0.1061A/m 。试求： (a)理想介质（媒质2）的r ε；(b)i E ，i H ，r E ，r H ，t E ，t H ；(c)空气中的驻波比S 。 [解](a)25 .6=r ε(b) ()0010,/2811εμω===??k m V e e E E z jk z jk i i ()m A e e E H z jk z jk i i /0743.0377 28110??=== η

() ()() m A e e H H k k k m V e e E E m A e e E H m V e e RE E z jk z jk t t r z jk z jk t t z jk z jk r r z jk z jk i r /1061.05.2,/16/0318.0377 12) /(1222221111011222000????+==========?==εεμωη(c) 5 .2429 .01429 .0111=?+= ?+= R R S 6.4/6.1-4 当均匀平面波由空气向理想介质（1=r μ，σ=0）垂直入射时，有96%的入射功率输入此介质，试求介质的相对介电常数r ε。 [解]25 .2=r ε6.5/6.1-5频率为30MHz 的平面波从空气向海水（r ε=81，1=r μ，σ=4/S/m ）垂直入射。在该频率上 海水可视为良导体。已知入射波电场强度为10mV/m ，试求以下各点的电场强度：(a)空气与海水分界面处；(b)空气中离海面2.5m 处；(c)海水中离海面2.5m 处。[解](a) () m V TE E E i t /1003.4102.440403.02.4442000ο ο∠??×=×∠===(b)()() () m mV j E j z k E j e e E e E E i i z jk z jk i z jk z jk i /202sin 2Re 010*******==?=?≈+=∴??(c ） ο 2 .445.28.215.28.214021003.422j j z j z t e e e e e E E ×?×????×==βα()() m V /)4.198(1064.82.446.312210143.21003.428244οοο?∠×=+?∠×××=???6.6/6.1-6 10GHz 平面波透过一层玻璃（r ε=9，1=r μ）自室外垂直射入室内，玻璃的厚度为4mm ，室外入射波场强为2V/m ，求室内的场强。[解] ()951.0309.0465.0816212144288 144 3j e e e E j j j i +?=×?×= ???ο ο ο ()()m V /6.12957.14 .148.31446ο ο ο?∠=∠?∠=()()m A E H i i /6.1291016.4377 6.1295 7.13033?∠×=?∠== ?η

平面电磁波

平面电磁波 1.在z ＞0半空间中充满202εε=的电介质，z ＜0半空间中是空气10εε=，在介质表面无自由电荷分布。若空气中的静电场为 128x z E e e =+，则电介质中的静电场和电位移矢量分别为( ). 2. 波数k 指单位距离上的相位变化 3. 波阻抗指与传播方向垂直的横平面上电场与磁场的振幅之比 4. 均匀平面波是( )波。即 ， 5. 行波因子 或 反映了波的传播( )和传播速度。 6. 均匀平面波的场、磁场和传播方向两两( )，且满足右手定则 7．均匀平面波的电场和磁场相位相同，( )为纯电阻性 8．均匀平面波在等相位面上电场和磁场均( )，且任一时刻，任一处能量密度相等 9．( )是在垂直于传播方向的平面内，场的矢端在一个周期内所画出的轨迹 10．极化的分类：根据场的矢端轨迹，分为( )极化、( )极化、椭圆极化三类 11．线极化波可分解为两个振幅相同、旋向相反的( )极化波 12．圆极化波可分解为两个振幅相同、相差 、空间正交的( )极化波。 13．椭圆极化波可分解为两个振幅不同、旋向相反的( )极化波。

14．媒质的分类：理想导体良导体( )导体，介质：良介质( )介质 15．导电媒质指除( )介质以外的其他介质 16．导电媒质中平面波的特点：是TEM波，是衰减波，频率越( )，电导率越大，衰减越快。 17．导电媒质中平面波的特点：电场和磁场( )相，即波阻抗为复数 18．导电媒质中平面波的特点：波的传播速度与频率有关，是( )波。 19．导电媒质中平面波的特点：磁场能量密度( )于电场能量密度。 20．良介质是指( )的材料，它属于低损耗材料 21．为了评价介质的优劣，通常良介质应给出( )参量 22．与成( )比，越大，电磁波的传播速度越( )。 23．在理想导体表面上，垂直入射波发生( )现象。 24．合成波特点：电场和磁场均为( )波，但分布规律不同，在时间上相差， 在空间上相差。 25．合成波特点：磁场的波节和波腹与电场错开( )波长 26．合成波特点电场和磁场的相位沿传播方向( )。 27．两种不同的理想介质分界面上的垂直入射情况。当垂直入射波到达分界面时，由于两种介质的( )不同，将有一部分入射功率被反射回去，另一部分则透过分界面进入介质2继续传播。 28．( )系数R：分界面处反射波与入射波的切向场之比 29．( )系数T：分界面处折射波与入射波的切向场之比。

电磁场与微波实验报告(极化波)

实验报告 课程名称： 电磁场与微波技术实验 指导老师： 谢银芳、王子立 成绩： 实验名称： 极化波 实验类型： 验证型实验 同组学生姓名： 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得 一、实验目的和要求 1、研究线极化波，圆极化波和椭圆极化波的产生和各自的特点。 2、了解线极化波，圆极化波和椭圆极化波特性参数的测量方法。 3、通过对三种线性极化波的研究，加深对电磁场极化特性的认识与理解。 二、实验内容和原理 原理：平面电磁波的极化是指电磁波传播时，空间某点电场强度矢量E 随时间变化的规律。若 E 的末端轨迹在一条直线上时，称为线极化波； 若E 末端的轨迹是圆（或椭圆），称为圆（或椭圆）极化波。若圆运动轨迹与波的传播方向符合右手（或左手）螺旋规则时，则称为右旋（或左旋）圆极化波。而椭圆极化波末端为椭圆形。线极化波、圆极化波和椭圆极化波都可由两个同频率的正交线极化波组合而成。设同频率的两个正交线极化波为： ()() j kz x x xm j kz y y ym E E e E E e ψψ----== 当,x y xm ym E E ψψψ===±时，是线极化波 当,2 x y xm ym E E π ψψ-=± =±时，是圆极化波 当x y ψψ-介于线极化波与圆极化波时，是椭圆极化波 内容：1.圆极化波的调整与测量 2.线极化波的调整与测量 3.椭圆极化波的调整与测量 三、主要仪器设备 如下图所示，其中辐射喇叭由固态信号源、衰减器及矩形喇叭组成。其中固态信号源工作频率为f ＝9375MHz 。接收喇叭由矩形喇叭，检波器，，微安表等组成。其它装置基本上与实验一相同。

第七章平面电磁波要点

第七章 平面电磁波 7-1 设空气中有一平面电磁波在坐标原点的电场强度为 E E t E t x ==(,)c o s 0m ω， 电磁波以速度v 沿z 轴方向传播。求电场强度和磁场强度的表达式。 解 据题意可得 ()()x m x m v z t E z t E t z e e E ?? ? ??-=-=ωβωc o s c o s , ()()y m y m v z t E z t H t z e e H ?? ? ??-=-=ωεμβωc o s /c o s ,00 7-2 设空间某处的磁场强度为H e =?-01 2100217.cos(.)πt x z A /m 。求电磁波的传播方向、频率、传播常数、传播速度和波阻抗，并求电场强度的表达式。 解 据磁场强度表达式，可得电磁波的传播方向为x 轴正方向， 频率 Hz 102102277 =?==π ππωf ，传播常数 r a d /m 21.0=β， 传播速度 m /s 10321 .010287 ?=?==πβωv ， 波阻抗 Ω=??==--37710 85.8104127 00πεμZ 电场强度 V /m )21.0102cos(37.7)21.0102cos(1.077y y x t x t Z e e E -?=-?=ππ 7-3 一在真空中传播的电磁波电场强度为 E e e =---E t ky t ky x z 0[cos()sin()]ωω，求磁场强度。 解 据题意可得 ()])s i n ()[c o s (377 0x z ky t ky t E e e H ----=ωω 7-4 某良导体中一均匀平面波的频率为f 0，波长为λ0。求该电磁波的传播常数、 衰减系数、相位常数、传播速度和透入深度。 解 据题意，已知频率f 0，波长λ0，磁导率0μ，介电常数0ε，媒质为良导体，电导率γ，并有 ωμγπ λ22≈，则可得 传播常数 () ()02j 12j 1λπωμγ+=+='Γ，衰减系数 022λπωμγα=≈， 相位常数 022λπωμγβ=≈ ， 传播速度 00002222λπλπωμγωμγωf f v =?=== ，透入深度 π λωμγ220=≈d

第十九讲：电磁波极化

5.2电磁波的极化 5.4色散与群速 1、掌握波极化的概念以及研究极化波的重要意义； 2、掌握三种极化方式的条件并能正确判别波的极化状态； 3、理解群速的概念以及群速与相速的关系。 重点：1）波极化的概念； 2）波的极化状态的判别； 3）研究极化波的意义。 难点：1）极化波的合成与分解；2）群速的概念。 讲授、练习 2学时 5.2电磁波的极化 一、极化的概念及描述 沿任意方向传播的均匀平面波，波函数为： ()() 0,j t k r E r t E e ω-?= 式中电磁波振幅矢量0E 是三维复矢量（包含了初相j e φ ），但受0=?E k 的约束， 只有两个自由度：两种极化态——偏振态。 设电磁波的传播方向为z +方向，则一般情况下??x x y y E e E e E =+，有两个分量： ()(),cos x xm x E z t E t kz ωφ=-+ ()(),cos y ym y E z t E t kz ωφ=-+ 由于x E 和y E 的振幅和相位不一定相同，因此在空间任意给定点上，合成波E 的 大小和方向都可能会随时间变化，这种现象称为电磁波的极化。 电磁波的极化用电场强度E 矢量末端随时间变化的轨迹来描述，它表征在空间给 定点上电场强度矢量的取向随时间变化的特性： 直线极化——在给定点，E 的矢端随时间变化的曲线为直线； 圆极化——在给定点，E 的矢端随时间变化的曲线为圆； 椭圆极化——在给定点，E 的矢端随时间变化的曲线为椭圆。 为简单起见，取0z =的给定点讨论： ()cos x xm x E E t ωφ=+ ()cos y ym y E E t ωφ=+

海水中电磁波传播特性的研究

海水中电磁波传播特性的研究 摘要：利用电磁场传播所满足的Maxwell 方程组，计算和分析出电磁波在导电媒质中传播时的特征；并以海水为例，得出一些有意义的结论，为海水中通信、信号探测、引信研究等方面工作提供理论依据。 关键词：导电媒质；电磁波；传播 一 .前言 对海水中一般性的电磁问题已进行过初步的讨论分析，尽管只有低频电磁波在海水中能传播可观的距离，但电磁波在其中传播时所呈现出来的性质和在普通绝缘媒质中有很大的区别。正是这些特异性质引起了广泛的关注，并且已开始在众多应用中得到体现。以电磁场传播所满足的Maxwell 方程组为出发点，计算和分析了电磁波在导 电媒质中传播 时的一些特征，并以海水这种导电媒质为例，分析了电磁波在其中传播时的特征，得到一些有意义的结论。 二. 主体 1 电磁波传播时导电媒质中电荷的分布特征 对于均匀的导电媒质，根据以下方程： 电流连续方程 91610()N σε -≈?Ωg 欧姆定律的微分形式 j E σ= 介质中的高斯定理 E ρε ?=g 其中：j 为电流密度矢量；ρ为电荷分布体密度；ε为介质的电容率。可得出导电媒质中的电荷分布体密度满足微分方程： t ρρσε?=-? 从而解得任意时刻的电荷体密度为： 0()0()t t t e σ ερρ--= 可见：电磁波经过时，导电媒质中的电荷分布的体密度随时间呈指数衰减,若初始时电荷体密度为0，则以后保持为0，与有无电磁波在其中传播无关。由各种导电媒质的σ、ε可以计算ρ的衰减快慢。例如海水，取14.4()m σ-=Ωg ，

90.710/N m ε-=?，可以计算91610()N σε -≈?Ωg ，可见其衰减是很快的，也就是说，在均匀导电媒质中不可能有净的自由电荷出现。衰减的电荷实际上是在定向运动，必将在导电媒质表面和非均匀处重新出现。 2 电磁波在导电媒质中的传播特征 电磁波在导电媒质中传播时，振幅不断衰减，电场和磁场强度矢量不再同相，存在色散现象；同时磁场强度比电场强度大得多，电磁波能量中以磁场能量为主，且传播时存在返流现象，这是电磁波在导电媒质中传播时出现的特殊性质。 由麦克斯韦方程组，可得H 、E 和均匀非损耗媒质中的一样，仍然满足亥姆霍兹方程: 22()()0E H k E H ?+= 其中：22k i μωεμωσ=-。 (1)方程的解仍然可为平面单色波形式0exp(())E E i k r t ω=-g ，0exp(())H H i k r t ω=-g ，但波矢量为一复数矢量。为简单起见，可设波矢量沿某单一方向，此时其实部与虚部均为单一方向的矢量，波矢量可表示为： 1122001111()22k i k i k αβ??????=+=+???????????? 其中：0k 为波传播方向的单位方向矢量；12 112α?=??? ；12 112β?=???。 将它们代入平面波表达式中，可见此时的平面波为阻尼横波 000exp()exp(())E k r i k r w t βα--g g g ，其振幅有衰减，这是因为自由电子在入射电场的驱动下形成电流，部分电磁场的能量转变成焦耳热． (2)此时电磁波的等相面的速度可由0k r t const αω-=g ，两边求导得到：v ρωα =，可见即使媒质的电磁性质σ、ε、μ和频率无关，色散现象仍然存在。 (3)将E 、H 的表达式代入麦克斯韦方程组中，即可以得到两者的关系式为：

正弦电磁波

第七章习题及解答 7.1 求证在无界理想介质内沿任意方向e n （e n 为单位矢量）传播的平面波可写成 j()e n r t m βω?-=e E E 。 解 E m 为常矢量。在直角坐标中 cos cos cos n x y z x y z x y z αβγ=++=++e e e e r e e e 故 (cos cos cos )() cos cos cos n x y z x y z x y z x y z αβγαβγ ?=++?++=++e r e e e e e e 则 j()[(cos cos cos )]22222[(cos cos cos )]2e ()()n r t j x y z t m m x x y y z z j x y z t m e j e j βωβαβγωβαβγωββ?-++-++-==?=?+?+?==e E E E E e E e E e E E E 而 22j[(cos cos cos )]2 22 {e }x y z t m t t βαβγωω++-??==-??E E E 故 22 2222()(0 j j t μεβμεωμεω??-=+=+=?E E E E E E 可见，已知的() n j e r t m e βω?-=E E 满足波动方程 22 20 t με??-=?E E 故E 表示沿e n 方向传播的平面波。 7.2 试证明：任何椭圆极化波均可分解为两个旋向相反的圆极化波。 解 表征沿+z 方向传播的椭圆极化波的电场可表示为 12 ()j z x x y y E jE e β-=+=+E e e E E 式中取 121 [()()]21 [()()]2j z x x y y x y j z x x y y x y E E j E E e E E j E E e ββ--=+++=---E e e E e e 显然，E 1和E 2分别表示沿+z 方向传播的左旋圆极化波和右旋圆极化波。 7.3 在自由空间中，已知电场3(,)10sin()V/m y z t t z ωβ=-E e ，试求磁场强度 (,) z t H 。 解 以余弦为基准，重新写出已知的电场表示式 3(,)10cos()V/m 2y z t t z π ωβ=--E e 这是一个沿+z 方向传播的均匀平面波的电场，其初相角为90? -。与之相伴的磁场为

第七章 平面电磁波典型例题

第七章 平面电磁波 7.1 将下面用复数形式表示的场矢量变换为瞬时值，或做相反的变换。 ()1 0x E e E = ()2 0jkz x E e jE e -= ()3 ()()00cos 2sin x y E e E t kz e E t kz ωω=-+- 解：()1 ()()00,,,Re cos x j j t x x x E x y z t e E e e e E t ?ωω???=?=+?? ()2 ()200,,,Re cos 2j kz j t x x E x y z t e E e e e E t kz πωπω?? - ??? ????=?=-+?? ??????? ()3 ()()200,,,Re 2j t kz j t kz x y E x y z t e E e e E e πωω? ?-+ ?-?? ??=-?????? ()()0,,,2jkz x y E x y z t e e j E e -=- 7.2 将下列场矢量的复数形式写成瞬时值形式 ()1 ()()0sin sin z jk z z x y E e E k x k y e -=?? ()2 ()sin 02sin cos cos z jk x x E e j E k e θθθ-=?? 解：()1 由式()7.1.2，可得瞬时值形式为 ()()0Re sin sin z jk z j t z x y E e E k x k y e e ω-??=????? ()()()0sin sin cos z x y z e E k x k y t k z ω=??- ()2 瞬时值形式为 ()sin 20Re 2sin cos cos z j jk j t x x E e E k e e e πθ ωθθ-??=???????? ()02sin cos cos cos sin 2x x z e E k t k πθθωθ??=???+- ??? ()()02sin cos cos sin sin x x z e E k t k θθωθ=-???- 7.3 一根半径为a ，出长度为L 的实心金属材料，载有均匀分布沿z 方向流动的恒定电流I 。试证明：流入金属导体的总功率为2I R ，这里的R 为金属导体