作业06_第四章时变电磁场
第四章 时变电磁场
1. 在无源的自由空间中，已知磁场强度597.210cos(31010)A/m y H t z e -=??-v
v
，求位移
电流密度。
2. 在电导率310S/m γ=、介电常数06εε=的导电媒质中，已知电场强度
58210sin(10)x E t e -=?πv v
，计算在92.510s t -=?时刻，媒质中的传导电流密度c J v 和位移电流密度d J v
。
3. 在无源区域，已知电磁场的电场强度90.1cos(6.281020.9)V/m x E t z e =?-v
v
，求空间
任一点的磁场强度H v 和磁感应强度B v
。
4. 一个同轴圆柱型电容器，其内、外半径分别为11cm r =、24cm r =，长度
0.5m l =，极板间介质介电常数为04ε，极板间接交流电源，电压为
V u t =π。求极板间任意点的位移电流密度。
5.一个球形电容器的内、外半径分别为a 和b ，内、外导体间材料的介电常数为ε，电导率为γ，在内、外导体间加低频电压sin m u U t ω=。求内、外导体间的全电流。
6. 已知自由空间中电磁波的两个场量表达式为
)V/m x E =t z e ωβ-v v
，)A/m y H =t z e ωβ-v v
式中，20MHz f =
，0.42rad/m β==。求(1)瞬时坡印亭矢量；(2)平均坡印亭矢量；(3)流入图示的平行六面体（长为2m ，横截面积为0.5m 2）中的净瞬时功率。
7. 一个平行板电容器的极板为圆形，极板面积为S ，极板间距离为d ，介质的介电常数和电导率分别为ε，γ，试问：
(1). 当极板间电压为直流电压U 时，求电容器内任一点的坡印亭矢量； (2).
如果电容器极板间的电压为工频交流电压cos314u t =，求电容器内任一点的坡印亭矢量及电容器的有功功率和无功功率。
8. 在时变电磁场中，已知矢量位函数m e cos()z x A A t z e αωβ-=-v v
，其中m A 、α和β
均是常数。试求电场强度E v 和磁感应强度B v 。
9. 在均匀的非导电媒质中（0γ=），已知时变电磁场分别为
430cos()V/m 3z E =t y e ωπ-v v ，410cos()A/m 3x H =t y e ω-v v
且媒质的1r μ=，由麦克斯韦方程求出ω和r ε。
10. 证明在无源空间（0f ρ=，0C J =v
）中，可引入一个矢量位m A v 和标量位m ?，
定义为
m D A =-??v v ，m m A
H t
??=-?-?v
v ，
并在线性各向同性均匀媒质条件下推导m A v
和m ?满足的微分方程。
11. 在某一区域中有1r r με==和0γ=，给定推迟位函数为(c )V x z t ?=-和
()Wb/m c z z A x t e =-v v
，其中为常数。 (1) 证明A t
?με???=-?v ；
(2) 求B v 、H v 、E v 和D v ；
12. 已知区域I （0z <）的媒质参数为10εε=、10μμ=、10γ=；区域II （0z >）的媒质参数为205εε=、202μμ=、20γ=。区域I 中的电场强度为
88
160cos(15105)20cos(15105)e V/m x E t z t z ??=?-+?+??v v
区域II 中的电场强度为
82cos(15105)e V/m x E A t z =?-v v
求： (1) 常数A ；
(2) 磁场强度1H v 与2H v
；
(3) 证明在0z =处1H v 与2H v
满足边界条件；
13. 在一个圆形平行平板电容器的极板间加上低频电压cos m u U t ω=，设极板间距为d ，极板间绝缘材料的介电常数为ε，试求极板间的磁场强度。
14. 如图所示，同轴线的内导体半径为a ，外导体的内半径为b ，其间填充均匀的理想介质。设内、外导体间外加缓变电压cos m u U t ω=，导体中流过缓变电流
为cos m i I t ω=。设电流方向为z e v
，导体径向方向为e ρv （指向外侧），与电流成右
手螺旋方向为e ?v
。(1)在导体为理想导体的情况下，计算同轴线中传输的平均功率；(2)当导体的电导率γ为有限值时，定性分析对传输功率的影响。
L
Z
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。
电磁场与电磁波课后习题及答案六章习题解答
第六章 时变电磁场 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==?=?-=--=+?g g 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 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 00 z 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=??=--=??=- 平行双线传输线与一矩形回路共面，如题图所示。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。
作业06_第四章时变电磁场
第四章 时变电磁场 1. 在无源的自由空间中，已知磁场强度597.210cos(31010)A/m y H t z e -=??-v v ，求位移 电流密度。 2. 在电导率310S/m γ=、介电常数06εε=的导电媒质中，已知电场强度 58210sin(10)x E t e -=?πv v ，计算在92.510s t -=?时刻，媒质中的传导电流密度c J v 和位移电流密度d J v 。 3. 在无源区域，已知电磁场的电场强度90.1cos(6.281020.9)V/m x E t z e =?-v v ，求空间 任一点的磁场强度H v 和磁感应强度B v 。 4. 一个同轴圆柱型电容器，其内、外半径分别为11cm r =、24cm r =，长度 0.5m l =，极板间介质介电常数为04ε，极板间接交流电源，电压为 V u t =π。求极板间任意点的位移电流密度。 5.一个球形电容器的内、外半径分别为a 和b ，内、外导体间材料的介电常数为ε，电导率为γ，在内、外导体间加低频电压sin m u U t ω=。求内、外导体间的全电流。
6. 已知自由空间中电磁波的两个场量表达式为 )V/m x E =t z e ωβ-v v ，)A/m y H =t z e ωβ-v v 式中，20MHz f = ，0.42rad/m β==。求(1)瞬时坡印亭矢量；(2)平均坡印亭矢量；(3)流入图示的平行六面体（长为2m ，横截面积为0.5m 2）中的净瞬时功率。 7. 一个平行板电容器的极板为圆形，极板面积为S ，极板间距离为d ，介质的介电常数和电导率分别为ε，γ，试问： (1). 当极板间电压为直流电压U 时，求电容器内任一点的坡印亭矢量； (2). 如果电容器极板间的电压为工频交流电压cos314u t =，求电容器内任一点的坡印亭矢量及电容器的有功功率和无功功率。 8. 在时变电磁场中，已知矢量位函数m e cos()z x A A t z e αωβ-=-v v ，其中m A 、α和β 均是常数。试求电场强度E v 和磁感应强度B v 。
时变电磁场
第五章 时变电磁场 1 什么是时变电磁场：场源（电荷、电流或时变场量）和场量（电场、磁场）随时间变化的电磁场。由于时变的电场和磁场相互转换，也可以说时变电磁场就是电磁波。 2 时变电磁场的特点：1）电场和磁场互为对方的涡旋（旋度）源。2）电场和磁场共存，不可分割。3）电力线和磁力线相互垂直环绕。 3 本教科书自第五章以后内容全是关于电磁波的，第五章主要是基础，引入波动方程去掉电场与磁场的耦合，引入复矢量，简化时间变量的分析。第六章以平面波为例，首先研究无限大区域内的电磁波的传播特点，引入用于描述电磁波特性的参量。然后介绍半无限大区域内的电磁波的传播特点－电磁波的反射和折射。第七章首先介绍一个坐标方向无限、其余坐标方向有限的区域内的电磁波传播特性—导行电磁波特性，然后介绍了有限区域内的电磁波谐振特性。第八章介绍了电磁波的产生－天线。 4 本章内容线索：1）理论方面：基本场方程，位函数（引入矢量位），边界条件，波动方程。2）基本方法：复矢量 §时变电磁场方程及边界条件 1 1)因为 t ?? 不为零，电场和磁场相互耦合，不能分开研究。其基本方程就是Maxwell 方程。 微分形式：?? ??? ????????????-=??=??=????-=????+=??t J B D t B E t D J H ρρρρ ρ ρ ρρ ρρ0 积分形式??????? ??????????-=?=?=????-=????+=??????????s V s s V c s c s dV t s d J s d B dV s d D s d t B l d E s d t D J l d H ρρρρρρρρρρρρρρρρρ0)( 2）物质（本构）方程： 在线性、各向同性媒质中 H B E D ρρρρμε== 其它媒质有：非线性，各向异性，双各向异性，负相对电导率、负相对磁导率媒质等人工媒质。这些媒质在微波、光学、隐身、伪装方面有很多应用。 3）上面的电流J ρ包括传导电流E J c ρρσ=和运移电流v J v ρ ρρ= 2 边界条件： § 时变电磁场的唯一性定理 1 如果1）一个区域内0=t 时，每一点的电场强度和磁场强度的初始值已知，2）区域边界
第四章 时变电磁场 作业
第四章 时变电磁场 作业 1、试由麦克斯韦方程推导均匀无损耗媒质无源区域的E 的波动方程 2220E E t με???=? 。（() 2A A A ?×?×=????? ） 解：H E t μ??×=?? ，() E H t μ??×?×=??×? ()()2E E H t μ??????=??×? ，0E H E t ε??×=??=? ∵又 2220E E t με???=? 2、推导线性、各向同性、无源、无损耗媒质中磁场强度H 的波动方程： J t H H ×??=????222με。 解：线性、各向同性、无源、无损耗媒质中，0,0J ρ== H E t μ??×=?? ；J t E H +??=×?ε；E ρε ??= ；0H ??= 对第二式两边取旋度： J E t H ×?+×???=×?×?)(ε＝J H t t ×?+?????)(με＝J t H ×?+???22με 2()H H H ?×?×=????? ＝2H ?? J t H H ×??=????2 22με 3、推导线性、各向同性、有源（J ，ρ） 、无损耗媒质中平面电磁波的电场强度E 的波动方程（亥姆霍兹方程）：ρε ωμμεω?+=+?122 J i E E 。（公式：H i E ωμ?=×?；E i J H ωε+=×?；/E ρε??= ；0H ??= ） 解：线性、各向同性、有源、无损耗媒质中，平面电磁波的麦克斯韦方程组： H i E ωμ?=×?；E i J H ωε+=×?；/E ρε??= ；0H ??= 对第一式两边取旋度： H i E ×??=×?×?ωμ)(E i J i ωεωμ+?=
第四章 时变场
第四章时变电磁场电磁感应定律和全电流定律 电磁场基本方程组?分界面上的衔接条件动态位 坡印亭定理和坡印亭向量
第四章时变电磁场 时变电磁场的概念： 电场、磁场矢量不仅是空间坐标的函数，而且是时间的函数，这样的场称为时变电磁场。 在时变电磁场中，电场与磁场互相依存、互相制约，已不可能如前面三种静态场那样分别进行研究，而必须在一起进行统一研究。变化的磁场会产生电场，变化的电场会产生磁场，电场与磁场相互依存，构成统一的电磁场。 英国科学家麦克斯韦将静态场、恒定场、时变场的电磁基本特性用统一的电磁场基本方程组高度概括。电磁场基本方程组是研究宏观电磁场现象的理论基础。
第四章时变电磁场 在本章中，首先引出并扩展电磁感应定律的适用范围，在提出位移电流概念的基础上，将安培环路定律推广到时变场中，导出普遍适用的全电流定律。从而总结出得出变化的磁场产生电场、变化的电场产生磁场。 然后，总结电磁场的基本方程（即麦克斯韦方程组），媒质的构成方程和它在分界面的衔接条件。介绍动态位和达朗贝尔方程的解答，提出电磁场的波动性和电磁波概念。 其三，由基本方程出发推导出反映电磁场中能量守恒与能量转换的坡印廷定理和坡印廷矢量。再进一步介绍正旋稳态时变场中电磁场的基本方程和坡印廷矢量。
电磁感应定律全电流定律 Maxwell方程组 分界面上衔接条件动态位A , 达朗贝尔方程正弦电磁场坡印亭定理与坡印亭矢量 电磁幅射( 应用) 时变场知识结构框图
4.1.1 电磁感应定律(1) 定律的内容 1831年法拉弟在大量实验基础上归纳总结，提出了电磁感应定律。 l S 磁场中的线圈 当一导体回路l 所限定的面积S 中的磁通发生变化时，在这个回路中就要产生感应电势，形成感应电流。 感应电势的大小与S 中的磁通对时间的变化率成正比， 感应电势的方向由楞次定律确定。 楞次定律指出：感应电动势及其所产生的感应电流总是企图阻止与导体回路相交链的磁通的变化。
第六章 时变电磁场典型例题
第六章 时变电磁场 6.1 在3z m =的平面内，长度0.5l m =的导线沿x 轴方向排列。当该导线以 速度24x y m v e e s =+ 在磁感应强度2 2363x y z B e x z e e xz T =+- 的磁场中移动时，求 感应电动势。 解：给定的磁场为恒定磁场，故导线中的感应电动势只能是导线在恒定磁场中移动时由洛仑兹力产生的。有 ()in v B d l ε=??? 根据已知条件，得 2 233()|(24)(363)|z x y x y z z v B e e e x z e e xz ==?=+?+- 210854(1236)x y z e x e x e x =-++- x d l e dx = 故感应电动势为 0.5 2 [10854(1236)]13.5in x y z x e x e x e x e dx V ε= -++-?=-? 6.2 长度为l 的细导体棒位于xy 平面内，其一端固定在坐标原点。当其在恒 定磁场0z B e B = 中以角速度ω旋转时，求导体棒中的感应电动势。 解：导体中的感应电动势是由洛仑兹力产生的，即 ()in v b dl ε= ??? 根据已知条件，导体棒上任意半径r 处的速度为 v e r ωΦ= r dl e dr = 故感应电动势为 2 0000001()()2 l l L in z r v b dl e r e B e dr B rdr B l V εωωωΦ=??=??==??? 6.3 试推出在线性、无耗、各向同性的非均匀媒质中的麦克斯韦方程。 解：考察麦克斯韦方程中的参量，利用它们与电场强度E 和磁感应强度B 的关系，
电磁场与电磁波课后习题及答案六章习题解答
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5c o s m 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. R 0.2m 0.7m a d b c i x y 题6.1图 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0 z 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 00 z 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 2 12212P P PS P Q a Q a πρπσ=??=-=??=6.3 平行双线传输线与一 矩形回路共面，如题6.3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。 解 由题给定的电流方向可知，双线中的电流产生的磁感应强度的方向，在回路中都是垂直于纸面向内的。故回路中的感应电动势为 d d d d d d in dS B S B S t t ? ?=- ?=-+?????左右B E 式中 00,22()i i B B r b c d r μμππ= =++-左右 故 0000d d ln() 22d d ln()2()2b c b s c d d s i ai b c B S a r r b i ai b c B S a r b c d r b μμππμμππ+++==+==++-?? ??左右 则
时变电磁场
时变电磁场 1 什么是时变电磁场：场源（电荷、电流或时变场量）和场量（电场、磁场）随时间变化的电磁场。由于时变的电场和磁场相互转换，也可以说时变电磁场就是电磁波。 2 时变电磁场的特点：1）电场和磁场互为对方的涡旋（旋度）源。2）电场和磁场共存，不可分割。3）电力线和磁力线相互环绕。 3 本教科书自第五章以后内容全是关于电磁波的，第五章主要是基础，引入波动方程去掉电场与磁场的耦合，引入复矢量，简化时间变量的分析。第六章以平面波为例，首先研究无限大区域内的电磁波的传播特点，引入用于描述电磁波特性的参量。然后介绍半无限大区域内的电磁波的传播特点－电磁波的反射和折射。第七章首先介绍一个坐标方向无限、其余坐标方向有限的区域内的电磁波传播特性—导行电磁波特性，然后介绍了有限区域内的电磁波谐振特性。第八章介绍了电磁波的产生－天线。 4 本章内容线索：1）理论方面：基本场方程，位函数（引入矢量位），边界条件，波动方程。2）基本方法：复矢量 §5.1时变电磁场方程及边界条件 1 1)因为 t ??不为零，电场和磁场相互耦合，不能分开研究。其基本方程就是Maxwell 方程。 微分形式：???????? ?????????-=??=??=????-=????+=??t J B D t B E t D J H ρ ρ 0 积分形式??????? ??????????-=?=?=????-=????+=??????????s V s s V c s c s dV t s d J s d B dV s d D s d t B l d E s d t D J l d H ρρ )( 2）物质（本构）方程： 在线性、各向同性媒质中 H B E D με== 其它媒质有：非线性，各向异性，双各向异性，负相对电导率、负相对磁导率媒质等人工媒质。这些媒质在微波、光学、隐身、伪装方面有很多应用。 3）上面的电流J 包括传导电流E J c σ=和运移电流v J v ρ= 2 边界条件： §5.2 时变电磁场的唯一性定理 1 如果1）一个区域内0=t 时，每一点的电场强度和磁场强度的初始值已知，2）区域边界