2017年电磁场中期考试A卷答案Word版

大学2016-2017学年第二学期期中考试 A 卷

考试科目： 电磁场理论 考试形式： 闭卷 考试日期： 2017 年 月 日

本试卷由三部分构成，共八页。考试时长：120分钟 注：可使用非存储功能的简易计算器

一、填空题（共20分，每空1分）

1. 在有限的区域V 内，任一矢量场由它的 散度 、 旋度 和 边界条件 （即限定区域V 的

闭合面S 上的矢量场的分布）惟一地确定。

2. 在各项同性、线性、均匀导电媒质内部可能存在 传导 电流和 位移 电流，在它表面

可能存在 磁化 电流。

3. 静电荷产生的电场称为 静 电场，变化磁场产生的电场称为 涡旋 电场，它们分别是

4. 分析恒定电场的基本微分方程是 0J ??=和 0E ??=，由此引入了电位概念，并导出电位的偏微分方程。

5. 在连续介质内部，电磁场的运动规律可以用麦克斯韦方程组的四个微分方程表示，它们分别是： D H J t ???=+

? 、 B E t

???=-? 、 0B ??= 和 D ρ??= ，在两种介质的分界面；电磁场的运动规律可以用四个边界条件表示，它们分别是： ()

12s n H H J ?-= 、

()120n E E ?-= 、 ()120n B B ?-= 和 ()12s n D D ρ?-= 。

二、选择题（共20分，每空2分）

1、 若A 是任意的矢量场，则下列等式一定成立的是（ A ）。 A ． 0A ????= B ． ()

0A ???= C ． 0A ????=

2、试确定静电场表达式3(32)()x y z E ye x z e cy z e =+--+ 中，常数c 的值是（A ）。

A. c =2

B. c =3

C. c =-2

3、空气中某一球形空腔，腔内分布着不均匀的电荷，其电荷体密度ρ 与半径r 成反比，则空腔外表面上的电场强度E （ C ）

A. 大于腔内各点的电场强度

B. 小于腔内各点的电场强度

C. 等于腔内各点的电场强度

4、关于麦克斯韦方程组，下列说法正确的是：（ C ）。 A ． 麦克斯韦方程组适用于一切电磁现象。 B ． 麦克斯韦方程组独立于电荷守恒定律。 C. 麦克斯韦方程组的四个方程并不都是独立的。

5、已知在电导率 4.0 S/m σ=、介电常数080εε=的海水中，电场强度9

20sin(10) V/m E t π=，

则位移电流密度为90

1

(10 F/m)36επ

-=

?为（ C ）。 92d A. J 80sin(10) A/m t π= 1092d B. J 210cos(10) A/m t π=?

92d 400

C. J cos(10) A/m 9

t π=

6、高斯通量定理

S

Q

E dS ε?=

?

中，高斯面上任一点的电场强度E 是（ C ）。

A. 闭合面内的电荷产生

B. 闭合面外的电荷产生

C. 闭合面内、外的所有电荷共同产生

7、板间介质为空气，板间距离为d 的平行板电容器，两板分别与恒定电压源0U 的两极相连，设此时电容器极板间电场强度为0E 。现将该电容器的一半空间填以r 2ε= 的电介质，且保持介质分界面与极板平面平行，忽略端部的边缘效应，此时，在电容器极板间，（ B ）。 A. 空气中的电场强度为E 0，介质中的电场强度为

2E B. 空气中的电场强度为0

43E ，介质中的电场强度为0

23E

C. 空气中的电场强度为

53

E ，介质中的电场强度为01

3

E

8、介电常数和电导率分别为εε12,和12,σσ的两种导电媒质，当其中通有恒定电流时，则分界面上的电荷面密度为（ B ）。（讲解时应强调恒定电流流向，答案B 是有条件的）

A. =0s ρ 21221

B. =(

)s n J εερσσ- 21121

C. =()s n J σσ

ρεε-

9、根据恒定磁场中磁感应强度B 、磁场强度H 与磁化强度M 的定义可知，在各向同性媒质中，（ A ）。

A. B 与H 的方向一定一致，M 的方向可能与H 一致，也可能与H 相反 B . B 、M 的方向可能与H 一致，也可能与H 相反 C. 磁场强度的方向总是使外磁场加强。

10、在平行平面场中，两种导磁媒质的分界面分布有线电流S J ，则在分界面处磁矢位A 和磁场强度H 的连续( 或突变) 情况为：

（ B ）。 A. A 连续，H 的切向分量连续

三、计算题（共60分，每题15分）

1、无限长均匀线电荷l ρ位于坐标系z 轴上，计算它所激发的静电场的静电位和电场强度。

x

y

（若学生按照书上先假设有限长线电荷，再令线长趋向无穷大，求解出位函数，进而由位函数梯度负值求出电场，亦可） 解：利用高斯通量定理

S

Q

E dS ε?=

?

计算静电场的电场强度

02l

r

E e r

ρπε=

选择距离线电荷q r 处为电位参考点，利用()d q

r r

r E l ?=??

计算电位函数。

000()d d ln ln 222q q

q

r r r

l l l P r r

r

r r E l r r r r

ρρρ?πεπεπε=?===??

分

2、球形电容器的内导体半径为a ，外导体的半径为b ，其间填充介电常数ε的电介质。已知外导体接地，内导体的电位为0U 。求：（1）写出内外导体间静电位满足的边值问题；（2）通过求解（1）中的边值问题计算静电位分布；（3）由（2）结果结合边界条件计算内外导体所带电荷。备注：

圆柱坐标系的拉普拉斯运算： 222

222

11()u u u

u z ρρρρρφ?????=

++???? 球坐标系中的拉普拉斯运算： 22

222222111()(sin )sin sin u u u

u r r r r r r θθθθθφ

??????=++?????

解（1）内外导体间静电位满足的边值问题为

()()20

0a r b

a b U

φφφ?=<<==

静电位是球对称的，φ 只是r 的函数， 所以上述边值问题又可以写为

()()22100r r r r a r b

a b U

φφφ????

= ?????

<<==

（2）拉普拉斯方程的通解为()1

11C r D r

φ=-

+，带入边界条件中，有

()()1

11

10

C a

D U a

C b

D b

φφ=-

+==-+=

两个方程联立求解，有

11abU C a b

aU D a b

=

-=

- 因此，()1aU b r a b r φ??

=

- ?-??

（3） 在内导体表面，2

s r a

r a

r a

bU a U b

n

r

a b r a b a

φφρε

ε

ε

ε

===??=-=-==??--

内导体上，总电荷为：2

44s abU

q a a b

ρππε==- 在外导体内表面 ，2

s r a

r a

r b

bU a U a

n

r a b r a b b

φφρε

ε

ε

ε

===??=-==-=-??--

3 在一块厚度d 的导电板上， 由两个半径为1r 和2r 的圆弧和夹角为α的两半径割出的一块扇形体，如题3.30图所示。求：（1）沿厚度方向的电阻；（2）两圆弧面之间的电阻；沿α方向的两电的电阻。设导电板的电导率为σ。

（每一问均有3种求法，假定电流已知或电压已知， 或先定义位函数满足的拉普拉斯方程，再根据第一类边界条件 求解出电位，再求电场，进而求出两极间电流） 解 （1）设沿厚度方向的两电极的电压为1U ，则有d

U E 1

1=

1

11U J E d

γσ==

22

111121()

2

U I J S r r d σα==?-题3.30图

故得到沿厚度方向的电阻为 11221212()

U d R I r r ασ=

=- （2）设内外两圆弧面电极之间的电流为2I ，则

rd

I S I J α2222==

2

2

2J I E rd

σ

γα=

=

2

1

2

2

221

d ln

r r I r U E r d

r σα==

? 故得到两圆弧面之间的电阻为 22221

1

ln U r R I d r σα=

= （3）设沿α方向的两电极的电压为3U ，则有

330

d U E r α

φ=?

由于3E 与φ无关，所以得到

3

3U E e r

φ

α= 3

33U J E e r

φ

γσα== 2

3

1

332

31

d d ln r S r dU dU r I J

e S r r r φσσαα=?==??

故得到沿α方向的电阻为 33321ln()

U R I d r r α

γ==

4、计算同轴线单位长度的同轴线的电感，其内导体半径为a ，外导体的内半径为b ，外导体的厚度可忽略不计，内、外导体之间是聚乙烯，磁导率为0μ；内、外导体材料一般是金属铜，磁导率也是

0μ。

解：设同轴线中的电流为I ，根据安培环路定律求得内导体中任一点的磁感应强度为

20022

22i I B e I e a a

φφμμρ

πρπρππ== (0)a ρ<< 穿过由轴向为单位长度、宽为d ρ构成的矩形面积元1d d ds e e φφρρ=?=的磁通为

02

d d d 2i i I B S a

μρ

Φρπ=?=

因为与d i Φ这一部分磁通相交链的电流不是导体中的全部电流I ，而只是I 的一部分'I ，两者的关系为

222()I I I a a

πρρπ'==

所以，与d i Φ相应的磁链为

304

d d d 2i i I I I a

μρψΦρπ'

== 内导体中单位长度的自感磁链总量为

3004

d d 28a i i I I

a μρμψψρππ

===??

由此得到单位长度的内自感

8i i ΨL I μπ

=

= 在内、外导体之间，由安培环路定律可得到任一点磁感应强度为

002I

B e φ

μπρ

= ()a b ρ<< 故

00d d 2I

μψρπρ

=

0000d d ln 22b a

I I b

a

μμψψρπρπ===??

由此得到单位长度的外自感

000ln 2Ψb L I a

μπ=

= 同轴线单位长度的自感为

000ln 82i b

L L L a

μμππ=+=

+

（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）