电磁场的面散射与体散射理论的研究

电磁场的面散射与体散射理论的研究
电磁场的面散射与体散射理论的研究

摘要

电磁场的面散射与体散射理论的研究,作为电磁面散射和体散射的典型代表,因其在气象、海洋、环境、军事等诸多领域的重要应用,成为专家学者们关注的热点。本文主要针对粗糙面及体电磁散射的相关解析理论进行了较深入的研究工作,并对涉及了以上两种散射理论的植被散射问题给出了新的思路。

粗糙面散射的研究方面,本文就前人解析模型中对粗糙面斜率的随机分布特性只做了简单近似这一问题,针对高斯介质粗糙面提出了统计积分方程模型,完整地考虑了粗糙面高度和斜率两组随机特性,建立了较为准确的散射理论模型。该模型引入了表面法向量的联合概率分布函数来表征法向量之间的联合分布规律;为计算散射幅度统计平均中涉及的多重概率积分,模型引入了具有较明确物理意义的协方差矩阵分解机制,并对该分解机制进行了较为完整的理论推导,得到散射功率的分解机制,从而对散射系数表达式中的六重变量积分进行了简化,最终得到散射系数的简单解析表达式。另一方面,针对常规双尺度模型的缺陷,从该统计模型和小斜率近似方法出发,提出了一个改进的双尺度模型来有效地对复合型粗糙面进行建模。改进模型将小斜率近似方法所具有的双尺度特性与统计积分方程模型的特点结合在一起,不但可以根据表面参数自适应地调节,使得模型可以覆盖更广的粗糙度区域,同时也避免了常规的双尺度模型在尺度划分上的不确定性,从而可以更好的应用在诸如海面等复合型粗糙面电磁散射问题。

体散射的研究方面,针对常规扩展边界条件方法在计算较大长径比的散射体时会存在着收敛性的问题,本文提出的迭代方法通过使用若干虚拟面来对一个较长的圆柱体进行等体分割,并建立线性方程组的过程中严格满足分割面上的边界条件,可以适用于任意长径比的有限长介质圆柱体散射问题;同时将该方法也被应用于多个有限长圆柱体的电磁散射问题中,并给出了相应的计算方法。由于方法中所应用到的分割技术,可以大大的减小了圆柱体的外包络球,从而对于圆柱体的间距可以有更宽松的要求;同时,对于高阶近场效应不可忽视的情况,本方法在考虑相干散射时不仅仅包括二阶效应而是同时包括了所有阶效应,因而更加精确。

植被电磁散射的方面,本文对作为典型矮植被的大豆的后向散射场的进行了研究,所采用的方法吸取了分支模型和相位幅度修正模型的长处。在建立植株间分布模型时,考虑到大豆植株在栽种时所具有的准周期性的特点,引入了天线阵的方法来描述植株间的分布情况。再次,对于粗糙表面的散射贡献,不同于通常采用的经典基尔霍夫近似模型或小扰动模型,本文采用了的本文提出的统计斜率

基尔霍夫模型。而在考虑散射体-地面双径散射机制时,对于涉及粗糙面的反射部分,本文采用了修正的费涅尔反射系数,相比传统的反射系数,能够更好地考虑土壤表面粗糙度的影响。通过仿真结果和实验结果的比较,验证了本文提出模型的正确性。

关键词粗糙面散射;统计特性;体散射;扩展边界条件;植被散射;分支模型

Abstract

The electromagnetic scattering from randomly rough surfaces and volume scatterers have been an active research topic of in many areas, such as meteorology, oceanography, environment, military and so on. This dissertation made intensive research on random rough surface and volume electromagnetic wave scattering from analytical theory. Based on these two aspects of researches, we also paid attention to the problem on EM wave scattering from vegetation canopy on the rough surface.

In terms of scattering from randomly rough surfaces, this dissertation carefully treated statistical distribution of slope or normal vector of surface, which were oversimplified by former analytical models, and proposed a statistical model in conjunction with the integral equation formalism for electromagnetic scattering from Gaussian rough surfaces with small to moderate heights and Gaussian power spectra where the statistical features of the surface slopes and the effect of shadowing were included. The proposed model introduced joint probability density function of surface normals to characterize their random distribution; furthermore, to simplify multiple fold integral involved in calculating ensemble averaging of scattering amplitudes, a decomposition scheme of slope covariance matrix was presented, which contained explicit physical meaning relating to correlation of slopes, and made possible the entire theory deduction and final simple analytical formulae for scattering coefficient computation. Then based on this proposed statistical method and the small slope approach, we also proposed a new two-scale model for wave scattering from a composite surface. For such model, it may capture the actual scattering mechanisms and lead to more accurate predictions, also may have promising applications for electromagnetic scattering from the ocean surface, whose entire roughness spectrum can be usually discomposed into small- and large-scale components.

For volume scattering, the conventional T-matrix approach based on extended boundary condition method is reported to suffer from convergence problems for particles with extreme geometries represented by very large aspect ratios. This dissertation proposed a new iterative technique based on the T-matrix approach for the electromagnetic scattering by dielectric cylinders with arbitrary length. In this method, hypothetic surfaces were used to divide a cylinder into a cluster of N identical sub-cylinder, for each the T matrix can be directly calculated. Since any two neighboring subcylinder are touching via the division interface, the conventional

multiscatterer equation method is not directly applicable. The coupling among sub-cylinder and boundary conditions at the interfaces were taken care of in our approach. Additionally, we extended this method to the problem of electromagnetic scattering from a cluster of parallel dielectric circular cylinders. Due to the division of the elongated cylinders, the intersection volume of the circumscribing spheres is strongly reduced. Therefore, the proposed method can be applied to the cases of when any pair of cylinders is close to each other. It should be noted that since no approximation is introduced in the procedure, this approach is thus more rigorous.

In the field of electromagnetic scattering from vegetation, this dissertation made research on backscattering from the soybean, a typical species of short vegetation, and presented a model incorporating the benefits of branch model and phase and amplitude correction theory. In modeling inter-plant structure, the model introduced an antenna theory to take into consideration the quasi-periodic characteristics common in agricultural planting practice. Moreover, the proposed statistical integral equation model was adopted for direct scattering contribution of only randomly rough surfaces instead of traditional Kirchhoff approximation or small perturbation method; and in terms of the ground-scatter bounce scattering, conventionally used Fresnel reflection coefficient was modified to make full consideration of the impact of roughness of underlying surfaces. Finally, comparisons of model predictions with measuremental results validated this proposed model.

Keywords surface scattering; statistical characteristics; volume scattering; extended boundary condition; vegetation; branch model

(完整版)电磁场与电磁波答案(第四版)谢处方

一章习题解答 1.1 给定三个矢量A 、B 和C 如下: 23x y z =+-A e e e 4y z =-+B e e 52x z =-C e e 求:(1)A a ;(2)-A B ;(3)A B g ; (4)AB θ;(5)A 在B 上的分量;(6)?A C ; (7)()?A B C g 和()?A B C g ;(8)()??A B C 和()??A B C 。 解 (1 )23A x y z +-= ==-e e e A a e e e A (2)-=A B (23)(4)x y z y z +---+=e e e e e 64x y z +-=e e e (3)=A B g (23)x y z +-e e e (4)y z -+=e e g -11 (4)由 cos AB θ ===A B A B g ,得 1cos AB θ- =(135.5=o (5)A 在B 上的分量 B A =A cos AB θ ==A B B g (6)?=A C 1 235 02x y z -=-e e e 41310x y z ---e e e (7)由于?=B C 04 1502x y z -=-e e e 8520x y z ++e e e ?=A B 123041 x y z -=-e e e 1014x y z ---e e e 所以 ()?=A B C g (23)x y z +-e e e g (8520)42x y z ++=-e e e ()?=A B C g (1014)x y z ---e e e g (52)42x z -=-e e (8)()??=A B C 1014502x y z ---=-e e e 2405x y z -+e e e ()??=A B C 1 238 5 20 x y z -=e e e 554411x y z --e e e

电磁场与电磁波理论 概念归纳

A.电磁场理论B基本概念 1.什么是等值面?什么是矢量线? 等值面——所有具有相同数值的点组成的面 ★空间中所有的点均有等值面通过; ★所有的等值面均互不相交; ★同一个常数值可以有多个互不相交的等值面。 矢量线(通量线)---- 一系列有方向的曲线。 线上每一点的切线方向代表该点矢量场方向, 而横向的矢量线密度代表该点矢量场大小。 例如,电场中的电力线、磁场中的磁力线。 2.什么是右手法则或右手螺旋法则?本课程中的应用有哪些?(图) 右手定则是指当食指指向矢量A的方向,中指指向矢量B的方向,则大拇指的指向就是矢量积C=A*B的方向。 右手法则又叫右手螺旋法则,即矢量积C=A*B的方向就是在右手螺旋从矢量A转到矢量B的前进方向。 本课程中的应用: ★无限长直的恒定线电流的方向与其所产生的磁场的方向。 ★平面电磁波的电场方向、磁场方向和传播方向。 3.什么是电偶极子?电偶极矩矢量是如何定义的?电偶极子的电磁场分布是怎样的? 电偶极子——电介质中的分子在电场的作用下所形成的一对等值异号的点电荷。 电偶极矩矢量——大小等于点电荷的电量和间距的乘积,方向由负电荷指向正电荷。

4.麦克斯韦积分和微分方程组的瞬时形式和复数形式; 积分形式: 微分方式: (1)安培环路定律 (2)电磁感应定律 (3)磁通连续性定律 (4)高斯定律 5.结构方程

6.什么是电磁场边界条件?它们是如何得到的?(图) 边界条件——由麦克斯韦方程组的积分形式出发,得到的到场量在不同媒质交界面上应满足的关系式(近似式)。 边界条件是在无限大平面的情况得到的,但是它们适用于曲率半径足够大的光滑曲面。 7.不同媒质分界面上以及理想导体表面上电磁场边界条件及其物理意义; (1)导电媒质分界面的边界条件 ★ 导电媒质分界面上不存在传导面电流,但可以有面电荷。 在不同媒质分界面上,电场强度的切向分量、磁场强度的切向分量和磁感应强度的法向分量永远是连续的 (2)理想导体表面的边界条件 ★ 理想导体内部,时变电磁场处处为零。导体表面可以存在时变的面电流和面电荷。

2009级电磁场理论期末试题-1(A)-题目和答案--房丽丽

课程编号:INF05005 北京理工大学2011-2012学年第一学期 2009级电子类电磁场理论基础期末试题A 卷 班级________ 学号________ 姓名________ 成绩________ 一、简答题(共12分)(2题) 1.请写出无源、线性各向同性、均匀的一般导电(0<σ<∞)媒质中,复麦克斯韦方程组的限定微分形式。 2.请写出谐振腔以TE mnp 模振荡时的谐振条件。并说明m ,n ,p 的物理意义。 二、选择题(每空2分,共20分)(4题)(最好是1题中各选项为同样类型) 1. 在通电流导体(0<σ<∞)内部,静电场( A ),静磁场(B ),恒定电流场(B ),时变电磁场( C )。 A. 恒为零; B. 恒不为零; C.可以为零,也可以不为零; 2. 以下关于全反射和全折射论述不正确的是:( B ) A.理想介质分界面上,平面波由光密介质入射到光疏介质,当入射角大于某一临界角时会发生全反射现象; B.非磁性理想介质分界面上,垂直极化波以某一角度入射时会发生全折射现象; C.在理想介质与理想导体分界面,平面波以任意角度入射均可发生全反射现象; D.理想介质分界面上发生全反射时,在两种介质中电磁场均不为零。 3. 置于空气中半径为a 的导体球附近M 处有一点电荷q ,它与导体球心O 的距离为d(d>a),当导体球接地时,导体球上的感应电荷可用球内区域设置的(D )的镜像电荷代替;当导体球不接地且不带电荷时,导体球上的感应电荷可用(B )的镜像电荷代替; A. 电量为/q qd a '=-,距球心2/d a d '=;以及一个位于球心处,电量为q aq d ''=; B. 电量为/q qa d '=-,距球心2/d a d '=;以及一个位于球心处,电量为q aq d ''=; C. 电量为/q qd a '=-,距球心2/d a d '=; D. 电量为/q qa d '=-,距球心2/d a d '=; 4.时变电磁场满足如下边界条件:两种理想介质分界面上,( C );两种一般导电介质(0<σ<∞)分界面上,(A );理想介质与理想导体分界面上,( D )。 A. 存在s ρ,不存在s J ; B. 不存在s ρ,存在s J ; C. 不存在s ρ和s J ; D. 存在s ρ和s J ; 三、(12分)如图所示,一个平行板电容 器,极板沿x 方向长度为L ,沿y 方向宽 度为W ,板间距离为z 0。板间部分填充 一段长度为d 的介电常数为ε1的电介质,如两极板间电位差为U ,求:(1)两极板 间的电场强度;(2)电容器储能;(3)电 介质所受到的静电力。

电磁场与电磁波课后习题及答案六章习题解答

第六章 时变电磁场 6.1 有一导体滑片在两根平行的轨道上滑动,整个装置位于正弦时变磁场 5cos mT z e t ω=B 之中,如题6.1图所示。滑片的位置由0.35(1cos )m x t ω=-确定,轨道终端接有电阻0.2R =Ω,试求电流i. 解 穿过导体回路abcda 的磁通为 5cos 0.2(0.7) cos [0.70.35(1cos )]0.35cos (1cos )z z d B ad ab t x t t t t ωωωωωΦ==?=?-=--=+? B S e e 故感应电流为 11 0.35sin (12cos ) 1.75sin (12cos )mA in d i R R dt t t t t R ωωωωωωΦ = =-=-+-+E 6.2 一根半径为a 的长圆柱形介质棒放入均匀磁场0z B =B e 中与z 轴平行。设棒以角 速度ω绕轴作等速旋转,求介质内的极化强度、体积内和表面上单位长度的极化电荷。 解 介质棒内距轴线距离为r 处的感应电场为 00z r r r B φωω=?=?=E v B e e B e 故介质棒内的极化强度为 00000(1)()e r r r r B r B εεεωεεω==-=-P E e e X 极化电荷体密度为 200 00 11()()2()P rP r B r r r r B ρεεωεεω?? =-??=- =--??=--P 极化电荷面密度为 0000()()P r r r a e r a B σεεωεεω==?=-?=-P n B e 则介质体积内和表面上同单位长度的极化电荷分别为 220020012()212()P P PS P Q a a B Q a a B πρπεεωπσπεεω=??=--=??=- 6.3 平行双线传输线与一矩形回路共面,如题6.3图所示。设0.2a m =、0.1m b c d ===、7 1.0cos(210)A i t π=?,求回路中的感应电动势。

电磁场与电磁波理论基础自学指导书

电磁场与电磁波理论基础自学指导书 课程简介:电磁场理论是通信技术的理论基础,是通信专业本科学生必须具备的知识结构的重要组成部分之一。使学生掌握电磁场的有关定理、定律、麦克斯韦方程等的物理意义及数学表达式。使学生熟悉一些重要的电磁场问题的数学模型(如波动方程、拉氏方程等)的建立过程以及分析方法。培养学生正确的思维方法和分析问题的能力,使学生对"场"与"路"这两种既密切相关又相距甚远的理论有深刻的认识,并学会用"场"的观点去观察、分析和计算一些简单、典型的场的问题。为以后的学习和工作打下坚实的理论基础。 第一章矢量分析场论初步 1主要内容 本章从矢量分析入手,介绍了标量场和矢量场的基本概念,学习了矢量的通量、散度以及散度定理,矢量的环流、旋度以及斯托克斯定理,标量的梯度,以及上述的物理量在圆柱和球坐标系下的表达形式,最后介绍了亥姆霍兹定理,该定理说明了研究一个矢量场从它的散度和旋度两方面入手。通过本章的学习,使学生掌握场矢量的散度、旋度和标量的梯度的概念和数学计算为以后的电磁场分析打下基础。 2学习要求 深刻理解标量场和矢量场的概念;深刻理解散度、旋度和梯度的概念、物理意义及相关定理; 熟练使用直角坐标、圆柱坐标和球坐标进行矢量的微积分运算; 了解亥姆霍兹定理的内容。 3重点及难点 重点:在直角坐标、圆柱坐标和球坐标中计算矢量场的散度和旋度、标量场的梯度以及矢量的线积分、面积分和体积分。 难点:正确理解和掌握散度、旋度和梯度的概念及定理,可以借助流体的流量和涡旋等自然界中比较具体而形象的相似问题来理解。 4思考题合作业 1.4, 1.8, 1.9, 1.11, 1.14, 1.16, 1.24 第二章静电场 1主要内容 本章我们从点电荷的库仑定律发,推导出静电场的基本方程(微分表达及积分表达),该基本方程第一组与静电场的散度和通量有关(高斯定律),第二组有关静电场的环量和旋度,推导的过程运用了叠加原理。由静电场的基本方程中的环量和旋度的基本方程,我们引入了电位的概念,并给出了电场强度与电位之间的关系以及电位的计算公式。运用静电场的基本方程及电位可以解决静电场中的场源互求问题(已知源求场或已知场求源)。然后介绍了电偶极子的概念,推导了电偶极子的电场强度与电位的表达式。接着介绍了介质的极化,被极化的分子可等效为电偶极子,所以介质极化产生的电位就可以借用电偶极子的相关结论。由极化介质的电位公式我们推导了介质中的高斯定律,在该定律中引入了一个新的量—

电磁场理论习题及答案1

一. 1.对于矢量A u v,若A u v= e u u v x A+y e u u v y A+z e u u v z A, x 则: e u u v?x e u u v=;z e u u v?z e u u v=; y e u u v?x e u u v=;x e u u v?x e u u v= z 2.对于某一矢量A u v,它的散度定义式为; 用哈密顿算子表示为 3.对于矢量A u v,写出: 高斯定理 斯托克斯定理 4.真空中静电场的两个基本方程的微分形式为 和 5.分析恒定磁场时,在无界真空中,两个基本场变量之间的关系为,通常称它为 二.判断:(共20分,每空2分)正确的在括号中打“√”,错误的打“×”。 1.描绘物理状态空间分布的标量函数和矢量函数,在时间为一定值的情况下,它们是唯一的。() 2.标量场的梯度运算和矢量场的旋度运算都是矢量。() 3.梯度的方向是等值面的切线方向。() 4.恒定电流场是一个无散度场。() 5.一般说来,电场和磁场是共存于同一空间的,但在静止和恒定的情况下,电场和磁场可以独立进行分析。() 6.静电场和恒定磁场都是矢量场,在本质上也是相同的。()

7.研究物质空间内的电场时,仅用电场强度一个场变量不能完全反映物质内发生的静电现象。( ) 8.泊松方程和拉普拉斯方程都适用于有源区域。( ) 9.静电场的边值问题,在每一类的边界条件下,泊松方程或拉普拉斯方程的解都是唯一的。( ) 10.物质被磁化问题和磁化物质产生的宏观磁效应问题是不相关的两方面问题。( ) 三.简答:(共30分,每小题5分) 1.用数学式说明梯无旋。 2.写出标量场的方向导数表达式并说明其涵义。 3.说明真空中电场强度和库仑定律。 4.实际边值问题的边界条件分为哪几类? 5.写出磁通连续性方程的积分形式和微分形式。 6.写出在恒定磁场中,不同介质交界面上的边界条件。 四.计算:(共10分)半径分别为a,b(a>b),球心距为c(c

电磁场与电磁波答案(无填空答案).

电磁场与电磁波复习材料 简答 1. 简述恒定磁场的性质,并写出其两个基本方程。 2. 试写出在理想导体表面电位所满足的边界条件。 3. 试简述静电平衡状态下带电导体的性质。 答:静电平衡状态下,带电导体是等位体,导体表面为等位面;(2分) 导体内部电场强度等于零,在导体表面只有电场的法向分量。(3分) 4. 什么是色散?色散将对信号产生什么影响? 答:在导电媒质中,电磁波的传播速度随频率变化的现象称为色散。 (3分) 色散将使信号产生失真,从而影响通信质量。 (2分) 5.已知麦克斯韦第二方程为t B E ??- =?? ,试说明其物理意义,并写出方程的积分形式。 6.试简述唯一性定理,并说明其意义。 7.什么是群速?试写出群速与相速之间的关系式。

8.写出位移电流的表达式,它的提出有何意义? 9.简述亥姆霍兹定理,并说明其意义。 答:当一个矢量场的两类源(标量源和矢量源)在空间的分布确定时,该矢量场就唯一地确定了,这一规律称为亥姆霍兹定理。 (3分) 亥姆霍兹定理告诉我们,研究任意一个矢量场(如电场、磁场等),需要从散度和旋度两个方面去研究,或者是从矢量场的通量和环量两个方面去研究 10.已知麦克斯韦第二方程为S d t B l d E S C ???-=???,试说明其物理意义,并写出方程的微 分形式。 答:其物理意义:随时间变化的磁场可以产生电场。 (3分) 方程的微分形式: 11.什么是电磁波的极化?极化分为哪三种? 答:电磁波的电场强度矢量的方向随时间变化所描绘的轨迹称为极化。(2分) 极化可以分为:线极化、圆极化、椭圆极化。 12.已知麦克斯韦第一方程为 t D J H ??+ =?? ,试说明其物理意义,并写出方程的积分形式。

电磁场理论习题及答案_百度文库

习题 5.1 设x 0的半空间充满磁导率为 的均匀介质,x 0的半空间为真空,今有线电流沿z轴方向流动,求磁感应强度和磁化电流分布。 5.2 半径为a的无限长圆柱导体上有恒定电流J均匀分布于截面上,试解矢势A 的微分方程,设导体的磁导率为 0,导体外的磁导率为 。 5.3 设无限长圆柱体内电流分布,J azrJ0(r a)求矢量磁位A和磁感应B。5.4载有电流的细导线,右侧为半径的半圆弧,上下导线相互平行,并近似为向左侧延伸至无穷远。试求圆弧中心点处的磁感应强度。 5.5 两根无限长直导线,布置于x 1,y 0处,并与z轴平行,分别通过电流I 及 I,求空间任意一点处的磁感应强度B。 5.6 半径的磁介质球,具有磁化强度为M az(Az2 B) 求磁化电流和磁荷。 5.7已知两个相互平行,相隔距离为d,共轴圆线圈,其中一个线圈的半径为 a(a d),另一个线圈的半径为b,试求两线圈之间的互感系数。

5.8 两平行无限长直线电流I1和I2,相距为d,求每根导线单位长度受到的 安培力Fm。 5.9 一个薄铁圆盘,半径为a,厚度为b b a ,如题5.9图所示。在平行 于z轴方向均匀磁化,磁化强度为M。试求沿圆铁盘轴线上、铁盘内、外的磁感 应强度和磁场强度。 5.10 均匀磁化的无限大导磁媒质的磁导率为 ,磁感应强度为B,若在该

媒质内有两个空腔,,空腔1形状为一薄盘,空腔2像一长针,腔内都充有空气。试求两空腔中心处磁场强度的比值。 5.11 两个无限大且平行的等磁位面D、N,相距h, mD 10A, mN 0。其间充以两种不同的导磁媒质,其磁导率分别为 1 0, 2 2 0,分界面与等磁位面垂直,求媒质分界面单位面积受力的大小和方向。 题5.11图 5.12 长直导线附近有一矩形回路,回路与导线不共面,如题5.12图 a 所 示。证明:直导线与矩形回路间的互感为 M 0aln2 R2b R2 C22 b2 R2 题5.12图 a 5.13 一环形螺线管的平均半径r0 15cm,其圆形截面的半径a 2cm,铁芯的相对磁导率 r 1400,环上绕N 1000匝线圈,通过电流I 0.7A。 (1)计算螺线管的电感; (2)在铁芯上开一个l0 0.1cm的空气隙,再计算电感(假设开口后铁芯 的 r不变); (3)求空气隙和铁芯内的磁场能量的比值。 5.14 同轴线的内导体是半径为a的圆柱,外导体是半径为b的薄圆柱面,其厚度可忽略不计。内、外导体间充有磁导率分别为 1和 2两种不同的磁介质, 如题5.14图所示。设同轴线中通过的电流为I,试求: (1)同轴线中单位长度所储存的磁场能量; (2)单位长度的自感。 5.15 已知一个平面电流回路在真空中产生的磁场强度为

电磁场与电磁波(第三版)课后答案第1章

第一章习题解答 1.1 给定三个矢量A 、B 和C 如下: 23x y z =+-A e e e 4y z =-+B e e 52x z =-C e e 求:(1)A a ;(2)-A B ;(3)A B ;(4)A B θ;(5)A 在B 上的分量;(6)?A C ; (7)()?A B C 和()?A B C ;(8)()??A B C 和()??A B C 。 解 (1 )23A x y z +-= = =e e e A a e e e A (2)-=A B (23)(4)x y z y z +---+=e e e e e 64x y z +-=e e e (3)=A B (23)x y z +-e e e (4)y z -+=e e -11 ( 4 ) 由 c o s AB θ =1 1 2 3 8 = A B A B , 得 1 c o s A B θ- =(135.5- = (5)A 在B 上的分量 B A =A c o s AB θ = =- A B B (6)?=A C 1 235 02x y z -=-e e e 41310x y z ---e e e (7)由于?=B C 04 1502x y z -=-e e e 8520x y z ++e e e ?=A B 1 230 4 1 x y z -=-e e e 1014x y z ---e e e 所以 ()?=A B C (23)x y z +-e e e (8520)42x y z ++=-e e e ()?=A B C (1014)x y z ---e e e (52)42x z -=-e e (8)()??=A B C 1014502 x y z ---=-e e e 2405x y z -+e e e ()??=A B C 1 238 5 20 x y z -=e e e 554411x y z --e e e 1.2 三角形的三个顶点为1(0,1,2)P -、2(4,1,3)P -和3(6,2,5)P 。 (1)判断123P P P ?是否为一直角三角形; (2)求三角形的面积。

电磁场理论试题

《电磁场理论》考试试卷(A 卷) (时间120分钟) 院/系 专业 姓名 学号 一、选择题(每小题2分,共20分) 1. 关于有限区域内的矢量场的亥姆霍兹定理,下列说法中正确的是 ( D ) (A )任意矢量场可以由其散度和旋度唯一地确定; (B )任意矢量场可以由其散度和边界条件唯一地确定; (C )任意矢量场可以由其旋度和边界条件唯一地确定; (D )任意矢量场可以由其散度、旋度和边界条件唯一地确定。 2. 谐变电磁场所满足的麦克斯韦方程组中,能反映“变化的电场产生磁场”和“变化的磁场产生电场”这一物理思想的两个方程是 ( B ) (A )ε ρ= ??=??E H ??,0 (B )H j E E j J H ρ? ρ??ωμωε-=??+=??, (C )0,=??=??E J H ? ??(D )ε ρ = ??=??E H ??,0 3.一圆极化电磁波从媒质参数为13==r r με的介质斜入射到空气中,要使电场的平行极化分量不产生反射,入射角应为 ( B ) (A )15° (B )30° (C )45° (D )60°

4. 在电磁场与电磁波的理论中分析中,常引入矢量位函数A ?,并令A B ?? ??=,其依据是 ( C ) (A )0=??B ? ; (B )J B ??μ=??; (C )0=??B ? ; (D )J B ??μ=??。 5 关于高斯定理的理解有下面几种说法,其中正确的是 ( C ) (A) 如果高斯面内无电荷,则高斯面上E ? 处处为零; (B) 如果高斯面上E ? 处处不为零,则该面内必有电荷; (C) 如果高斯面内有净电荷,则通过该面的电通量必不为零; (D) 如果高斯面上E ? 处处为零,则该面内必无电荷。 6.若在某区域已知电位移矢量x y D xe ye =+,则该区域的电荷体密度为 ( B ) ( A) 2ρε=- (B )2ρ= (C )2ρε= (D )2ρ=- 7.两个载流线圈之间存在互感,对互感没有影响的是 ( C ) (A )线圈的尺寸 (B ) 两个线圈的相对位置 (C )线圈上的电流 (D )线圈中的介质 8 .以下关于时变电磁场的叙述中,正确的是 ( B ) (A )电场是无旋场 (B )电场和磁场相互激发 (C )电场和磁场无关 (D )磁场是有源场

电磁场与电磁波理论(第二版)(徐立勤,曹伟)第2章习题解答

第2章习题解答 2.2已知半径为a 、长为l 的圆柱体内分布着轴对称的体电荷,已知其电荷密度()0V a ρρρρ =, ()0a ρ≤≤。试求总电量Q 。 解:2π20000 2d d d d π3 l a V V Q V z la a ρρ ρρρ?ρ= ==? ? ?? 2.3 半径为0R 的球面上均匀分布着电荷,总电量为Q 。当球以角速度ω绕某一直径(z 轴)旋转时,试求 其表面上的面电流密度。 解:面电荷密度为 2 04πS Q R ρ= 面电流密度为 002 00 sin sin sin 4π4πS S S Q Q J v R R R R ωθ ρρωθωθ=?== = 2.4 均匀密绕的螺旋管可等效为圆柱形面电流0S S J e J ?=。已知导线的直径为d ,导线中的电流为0I ,试 求0S J 。 解:每根导线的体电流密度为 00 22 4π(/2)πI I J d d = = 由于导线是均匀密绕,则根据定义面电流密度为 04πS I J Jd d == 因此,等效面电流密度为 04πS I J e d ?= 2.6 两个带电量分别为0q 和02q 的点电荷相距为d ,另有一带电量为0q 的点电荷位于其间。为使中间的 点电荷处于平衡状态,试求其位置。当中间的点电荷带电量为-0q 时,结果又如何? 解:设实验电荷0q 离02q 为x ,那么离0q 为x d -。由库仑定律,实验电荷受02q 的排斥力为 12 214πq F x ε= 实验电荷受0q 的排斥力为 022 1 4π()q F d x ε= - 要使实验电荷保持平衡,即21F F =,那么由0022 211 4π4π() q q x d x εε=-,可以解得 d d x 585.01 22=+= 如果实验电荷为0q -,那么平衡位置仍然为d d x 585.01 22=+=。只是这时实验电荷与0q 和02q 不 是排斥力,而是吸引力。 2.7 边长为a 的正方形的三个顶点上各放置带电量为0q 的点电荷,试求第四个顶点上的电场强度E 。 解:设点电荷的位置分别为()00,0,0q ,()0,0,0q a 和()00,,0q a ,由库仑定律可得点(),,0P a a 处的电 场为 ( ) ( 00 2 22 00001114π4π4π221x y y x x y q q q E e e e e a a q e e εεε? =+++ ?+=+

电磁场与电磁波基础知识总结

第一章 一、矢量代数 A ?B =AB cos θ A B ?= AB e AB sin θ A ?(B ?C ) = B ?(C ?A ) = C ?(A ?B ) ()()()C A C C A B C B A ?-?=?? 二、三种正交坐标系 1. 直角坐标系 矢量线元x y z =++l e e e d x y z 矢量面元=++S e e e x y z d dxdy dzdx dxdy 体积元d V = dx dy dz 单位矢量的关系?=e e e x y z ?=e e e y z x ?=e e e z x y 2. 圆柱形坐标系 矢量线元=++l e e e z d d d dz ρ?ρρ?l 矢量面元=+e e z dS d dz d d ρρ?ρρ? 体积元dz d d dV ?ρρ= 单位矢量的关系?=??=e e e e e =e e e e z z z ρ??ρ ρ? 3. 球坐标系 矢量线元d l = e r d r + e θ r d θ + e ? r sin θ d ? 矢量面元d S = e r r 2sin θ d θ d ? 体积元 ?θθd d r r dV sin 2= 单位矢量的关系?=??=e e e e e =e e e e r r r θ? θ??θ 三、矢量场的散度和旋度 1. 通量与散度 =?? A S S d Φ 0 lim ?→?=??=??A S A A S v d div v 2. 环流量与旋度 =??A l l d Γ max n rot =lim ?→???A l A e l S d S 3. 计算公式 ????= ++????A y x z A A A x y z 11()z A A A z ?ρρρρρ?????= ++????A 22111()(s i n )s i n s i n ????= ++????A r A r A A r r r r ? θ θθθθ? x y z ? ????= ???e e e A x y z x y z A A A 1z z z A A A ρ?ρ?ρρ?ρ? ?? ??= ???e e e A

电磁场与电磁波试题答案

《电磁场与电磁波》试题1 一、填空题(每小题1分,共10分) 1.在均匀各向同性线性媒质中,设媒质的导磁率为,则磁感应强度和磁场满足的方程为:。 2.设线性各向同性的均匀媒质中,称为方程。 3.时变电磁场中,数学表达式称为。 4.在理想导体的表面,的切向分量等于零。 5.矢量场穿过闭合曲面S的通量的表达式为:。 6.电磁波从一种媒质入射到理想表面时,电磁波将发生全反射。 7.静电场是无旋场,故电场强度沿任一条闭合路径的积分等于。 8.如果两个不等于零的矢量的等于零,则此两个矢量必然相互垂直。 9.对平面电磁波而言,其电场、磁场和波的传播方向三者符合关系。 10.由恒定电流产生的磁场称为恒定磁场,恒定磁场是无散场,因此,它可用函数的旋度来表示。 二、简述题(每小题5分,共20分) 11.已知麦克斯韦第二方程为,试说明其物理意义,并写出方程的积分形式。 12.试简述唯一性定理,并说明其意义。 13.什么是群速?试写出群速与相速之间的关系式。 14.写出位移电流的表达式,它的提出有何意义? 三、计算题(每小题10分,共30分) 15.按要求完成下列题目 (1)判断矢量函数是否是某区域的磁通量密度? (2)如果是,求相应的电流分布。

16.矢量,,求 (1) (2) 17.在无源的自由空间中,电场强度复矢量的表达式为 (1)试写出其时间表达式; (2)说明电磁波的传播方向; 四、应用题(每小题10分,共30分) 18.均匀带电导体球,半径为,带电量为。试求 (1)球内任一点的电场强度 (2)球外任一点的电位移矢量。 19.设无限长直导线与矩形回路共面,(如图1所示), (1)判断通过矩形回路中的磁感应强度的方向(在图中标出);(2)设矩形回路的法向为穿出纸面,求通过矩形回路中的磁通量。 20.如图2所示的导体槽,底部保持电位为,其余两面电位为零,(1)写出电位满足的方程; (2)求槽内的电位分布

电磁场与电磁波理论(第二版)(徐立勤,曹伟)第1章习题解答

第1章习题解答 1.4 计算下列标量场u 的梯度u ? : (1)234u x y z =; (2)u xy yz zx =++; (3)222323u x y z =-+。 解:(1) 34224233234x y z x y z u u u u e e e e xy z e x y z e x y z x y z ????=++=++??? (2)()()()x y z x y z u u u u e e e e y z e x z e y x x y z ????=++=+++++??? (3)646x y z x y z u u u u e e e e x e y e z x y z ????=++=-+??? 1.6 设()22,,1f x y z x y y z =++。试求在点()2,1,3A 处f 的方向导数最大的方向的单位矢量及其方向导 数。方向导数最小值是多少?它在什么方向? 解: ()2222x y z x y z f f f f e e e e xy e x yz e y x y z ????=++=+++??? 因为410x y z x y z A f f f f e e e e e e x y z ????=++=++??? 所以 ( max 410l x y z f e e e e l ?==++? ( min 410l x y z f e e e e l ?==-++? 1.10 求下列矢量场在给定点的散度值: (1)()x y z A xyz e x e y e z =++ 在()1,3,2M 处; (2)242x y z A e x e xy e z =++ 在()1,1,3M 处; (3)())1222x y z A e x e y e z x y z =++++ 在()1,1,1M 处。 解:(1) 222636y x z M A A A A xyz xyz xyz xyz A x y z ?????=++=++=??=??? (2)42212y x z M A A A A x z A x y z ?????= ++=++??=??? (3)y x z A A A A x y z ?????=++ ??? ( )( )( ) 2222 2222 2222 3 3 3 x y z x x y z y x y z z ++-++-++ -= + + = M A ??=

电磁场理论练习题

第一章 矢量分析 1.1 3?2??z y x e e e A -+= ,z y e e B ?4?+-= ,2?5?y x e e C -= 求(1)?A e ;(2)矢量A 的方向余弦;(3)B A ?;(4)B A ?; (5)验证()()()B A C A C B C B A ??=??=?? ; (6)验证()()()B A C C A B C B A ?-?=??。 1.2 如果给定一未知矢量与一已知矢量的标量积和矢量积,则可确定该未知矢 量。设A 为已知矢量,X A B ?=和X A B ?=已知,求X 。 1.3 求标量场32yz xy u +=在点(2,-1,1)处的梯度以及沿矢量z y x e e e l ?2?2?-+= 方向上的方向导数。 1.4 计算矢量()() 3222224???z y x e xy e x e A z y x ++= 对中心原点的单位立方体表面的面积分,再计算A ??对此立方体的体积分,以验证散度定理。 1.5 计算矢量z y e x e x e A z y x 22???-+= 沿(0,0),(2,0),(2,2),(0,2),(0,0)正方形闭合回路的线积分,再计算A ??对此回路所包围的表面积的积分,以验证斯托克斯定理。 1.6 f 为任意一个标量函数,求f ???。 1.7 A 为任意一个矢量函数,求()A ????。 1.8 证明:A f A f A f ??+?=?)(。 1.9 证明:A f A f A f ??+??=??)()()(。 1.10 证明:)()()(B A A B B A ???-???=???。 1.11 证明:A A A 2)(?-???=????。 1.12 ?ρ?ρ?ρρsin cos ?),,(32z e e z A += ,试求A ??,A ??及A 2?。 1.13 θθθ?θ?θcos 1?sin 1?sin ?),,(2r e r e r e r A r ++= ,试求A ??,A ??及A 2?。 1.14 ?ρ?ρsin ),,(z z f =,试求f ?及f 2?。 1.15 2sin ),,(r r f θ?θ=,试求f ?及f 2?。 1.16 求??S r S e d )sin 3?(θ,S 为球心位于原点,半径为5的球面。 1.17 矢量??θ23cos 1?),,(r e r A r = ,21<

电磁场与电磁波试题及答案

《电磁场与电磁波》试题2 一、填空题(每小题1分,共10分) 1.在均匀各向同性线性媒质中,设媒质的介电常数为ε,则电位移矢量D ?和电场E ? 满足的 方程为: 。 2.设线性各向同性的均匀媒质中电位为φ,媒质的介电常数为ε,电荷体密度为V ρ,电位 所满足的方程为 。 3.时变电磁场中,坡印廷矢量的数学表达式为 。 4.在理想导体的表面,电场强度的 分量等于零。 5.表达式()S d r A S ? ????称为矢量场)(r A ? ?穿过闭合曲面S 的 。 6.电磁波从一种媒质入射到理想导体表面时,电磁波将发生 。 7.静电场是保守场,故电场强度沿任一条闭合路径的积分等于 。 8.如果两个不等于零的矢量的点积等于零,则此两个矢量必然相互 。 9.对横电磁波而言,在波的传播方向上电场、磁场分量为 。 10.由恒定电流产生的磁场称为恒定磁场,恒定磁场是 场,因此,它可用磁矢位函数的旋度来表示。 二、简述题 (每小题5分,共20分) 11.试简述磁通连续性原理,并写出其数学表达式。 12.简述亥姆霍兹定理,并说明其意义。 13.已知麦克斯韦第二方程为S d t B l d E S C ???????-=???,试说明其物理意义,并写出方程的微 分形式。 14.什么是电磁波的极化?极化分为哪三种? 三、计算题 (每小题10分,共30分) 15.矢量函数 z x e yz e yx A ??2+-=? ,试求 (1)A ? ?? (2)A ? ?? 16.矢量 z x e e A ?2?2-=? , y x e e B ??-=? ,求 (1)B A ? ?- (2)求出两矢量的夹角

电磁场考试试题及答案解析

电磁波考题整理 一、填空题 1. 某一矢量场,其旋度处处为零,则这个矢量场可以表示成某一标量函数的(梯度)形式。 2. 电流连续性方程的积分形式为(??? s dS j=- dt dq) 3. 两个同性电荷之间的作用力是(相互排斥的)。 4. 单位面积上的电荷多少称为(面电荷密度)。 5. 静电场中,导体表面的电场强度的边界条件是:(D1n-D2n=ρs) 6. 矢量磁位A和磁感应强度B之间的关系式:(B=▽x A) 7. .E(Z,t)=e x E m sin(wt-kz-)+ e y E m cos(wt-kz+),判断上述均匀平面电磁波的极化方式为:(圆极化)(应该是90%确定) 8. 相速是指均匀平面电磁波在理想介质中的传播速度。 9.根据电磁波在波导中的传播特点,波导具有(HP)滤波器的特点。(HP,LP,BP三选一) 10.根据电与磁的对偶关系,我们可以由电偶极子在远区场的辐射场得到(磁偶极子)在远区产生的辐射场 11. 电位移矢量D=ε0E+P在真空中P的值为(0) 12. 平板电容器的介质电容率ε越大,电容量越大。 13.恒定电容不会随时间(变化而变化) 14.恒定电场中沿电源电场强度方向的闭合曲线积分在数值上等于电源的(电动势) 15. 电源外媒质中电场强度的旋度为0。 16.在给定参考点的情况下,库伦规范保证了矢量磁位的(散度为零) 17.在各向同性媚质中,磁场的辅助方程为(D=εE, B=μH, J=σE) 18. 平面电磁波在空间任一点的电场强度和磁场强度都是距离和时间的函数。 19. 时变电磁场的频率越高,集肤效应越明显。

20. 反映电磁场中能量守恒与转换规律的定理是坡印廷定理。 二、名词解释 1. 矢量:既存在大小又有方向特性的量 2. 反射系数:分界面上反射波电场强度与入射波电场强度之比 3. TEM波:电场强度矢量和磁场强度矢量均与传播方向垂直的均匀平面电磁波 4. 无散场:散度为零的电磁场,即·=0。 5. 电位参考点:一般选取一个固定点,规定其电位为零,称这一固定点为参考点。当取点为参考点时,P点处的电位为=;当电荷分布在有限的区域时,选取无穷远处为参考点较为方便,此时=。 6. 线电流:由分布在一条细线上的电荷定向移动而产生的电流。 7.磁偶极子:磁偶极子是类比电偶极子而建立的物理模型。具有等值异号的两个点磁荷构成的系统称为磁偶极子场。磁偶极子受到力矩的作用会发生转动,只有当力矩为零时,磁偶极子才会处于平衡状态。利用这个道理,可以进行磁场的测量。但由于没有发现单独存在的磁单极子,故我们将一个载有电流的圆形回路作为磁偶极子的模型。 8. 电磁波的波长:空间相位变化所经过的距离称为波长,以表示。按此定义有,所以。 9. 极化强度描述介质极化后形成的每单位体积内的电偶极矩。 10. 坡印廷定理电磁场的能量转化和守恒定律称为坡印廷定理:每秒体积中电磁能量的增加量等于从包围体积的闭合面进入体积功率。 11. 线性均匀且各向同性电介质若煤质参数与场强大小无关,称为线性煤质。若煤质参数与场强方向无关,称为各向同性煤质。若煤质参数与位置无关,责称均匀煤质。若煤质参数与场强频率无关,称为各向同性煤质。 12.安培环路定理在真空中磁感应强度沿任意回路的环量等于真空磁导率乘以与该回路相交链的电流的代数和。

电磁场与电磁波理论(第二版)(徐立勤,曹伟)第7章习题解答

第7章习题解答 7.6 如题7.6图所示相距为a 的平板金属波导,当/0y ??=时,沿z 方向可传播 TEM 模、TE 模和TM 模。试求:(1)各种模式的场分量;(2)各种模式的传播常数;(3)画出基本模式的场结构及其导体表面的传导电流。 解:(1) 各种模式的场分量 对TEM 模,在均匀波导横截面上的分布规律与同样边界条件下的二维静态场的分布规律是完全一样的。对静电场情况,无限大平板之间的电场强度为均匀电场0E ,则对应的TEM 模中电场为 j t 0e kz x x x E e E e E -== 利用平面波电场与磁场关系,即 j 0t t w 1 e 120π kz z y E H e E e Z -= ?= 对TE 模,0=z E ,而z H 满足的导波方程为 22t c 0z z H k H ?+= 式中2 2 2 c k k γ=+,2 2t 2x ??=?,则上式变成 22c 2 d 0d z z H k H x += 因此波动方程的解为 c c sin cos z H A k x B k x =+ 由0=x 时 0=??x H z 可得到0=A ;由a x =时0=??x H z 可得到c sin 0k x =,即c m k a π= 。因此 πcos z m m x H H a = 式中m H 取决于波源的激励强度。由于波沿着z 方向传播,则j z k γ=,因此 z k ==利用各横向场分量与纵向场分量之间关系可以得到 j 22c c 0 j ππj sin e z x k z z y m E H m m x E H k x k a a ωμωμ-=?==-? j 22c c j j ππsin e 0z k z z z z x m y k H k m m x H H k x k a a H -?=- =?= 对TM 模,0=z H ,而z E 满足的导波方程为 22c 2 d 0d z z E k E x += 因此波动方程的解为 c c sin cos z E A k x B k x =+ 由0=x 时0=z E 可得到0=B ;由a x =时0=z E 可得到c sin 0k x =,即c m k a π=。因此 πsin z m m x E E a = 式中m E 取决于波源的激励强度。利用各横向场分量与纵向场分量之间关系可以得到

教学大纲电磁场与电磁波基础_解读

参考书目:路宏敏,《电磁场与电磁波基础》,科学出版社,2011“电磁场 理论”部 分考查 内容 为: 1、基本 概念和 理论 2、静电 场 3、恒定 电流场 4、 Maxwell 方程组 5、平面 电磁波 课程内 容实施 进度计 划: 课次内容 1 一、场的概念 二、标量场的方向导数与梯度

三、例题讲解 2 一、矢量场的通量与散度 二、矢量场的环量与旋度 三、例题讲解 3 一、曲线坐标系中的梯度、散度、旋度 二、亥姆霍兹定理 4 一、库仑定律与电场强度 三、Gauss’s Law 三、静电场的旋度、电位 四、例题讲解 5 一、电偶极子 二、电介质中的场方程 三、静电场的边界条件 四、例题讲解 6 一、导体系统的电容 二、静电场能量 三、电场力 四、例题讲解 7 一、电流强度与电流密度 二、电流连续性方程

三、导体中的恒定电流场 欧姆定律; 电动势; Joule’s Law; 基本方程; 边界条件 四、恒定电流场与静电场的比拟 8 一、磁感应强度 1、Ampere’s Force Law 2、The Biot-Savart Law 3、洛仑兹力公式 二、恒定磁场的基本方程 1、磁通连续性原理(Gauss’s Law for magnetic fields ) 2、Ampere’s circuital Law 三、Magnetic Vector Potential 9 一、a magnetic dipole 二、Maxwell’s equations in magnetic medium 1、磁化强度与磁化电流; 2、磁场强度、磁导率; 3、磁介质中恒定磁场的基本方程 三、boundary conditions for magnetic fields

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