电磁场的边界条件与电磁波的辐射和传播
波导的边界条件
波导的边界条件
波导是一种用于传输电磁波的结构，通常由金属或介质构成。
在波导中，存在着一些重要的边界条件，它们对波的传播和性质产生着重要影响。
波导的边界条件包括电场和磁场在边界上的连续性条件。
这意味着在波导的边界上，电场和磁场的分量必须满足一定的关系，以确保波能够在波导中正常传播。
如果这些边界条件没有得到满足，波将会反射回去，导致能量损失和传输效率降低。
波导的边界条件还包括介质界面上的折射和反射现象。
当电磁波从一个介质传播到另一个介质时，会发生折射和反射现象，这取决于两个介质的折射率和入射角。
波导的边界条件需要考虑这些现象，以确保波能够顺利传播，而不会发生能量损失或波的偏折。
波导的边界条件还包括波的传播方向和极化方向。
在波导中，波通常沿着特定的方向传播，并且具有特定的极化方向。
边界条件需要确保波能够沿着正确的传播方向传播，同时保持适当的极化状态，以确保波导的正常工作。
总的来说，波导的边界条件对于波的传播和性质至关重要。
只有在这些边界条件得到满足的情况下，波才能够在波导中正常传播，而不会发生任何异常情况。
因此，了解和遵守波导的边界条件是非常重要的，这将有助于提高波导的传输效率和性能，进而推动电磁波
技术的发展和应用。
电磁场与电磁波矢量分析
03
电磁场与电磁波的矢量 分析
麦克斯韦方程组
描述电磁场的基本规律，包括电场和 磁场的变化关系。
揭示了电磁场之间的相互依存和制约 关系，是电磁波传播和辐射的基础。
由四个基本方程组成，包括高斯定律、 高斯磁定律、法拉第定律和安培定律。
波动方程与亥姆霍兹方程
01
波动方程描述了电磁波在空间中传播的规律，是麦克斯韦方程 的简化形式。
电磁场与电磁波的特性
01
02
03
波动性
电磁波以波动的形式传播， 具有振幅、频率和相位等 波动特性。
横波
电磁波的电场和磁场振动 方向与波的传播方向垂直， 是一种横波。
传播速度
电磁波在真空中的传播速 度为光速，在其他介质中 的传播速度受介质影响。
电磁场与电磁波的应用
通信
探测
加热
科学研究
无线电波、微波等电磁 波广泛应用于通信领域， 实现信息的传输和接收。
总结词
磁偶极子是由两个电流环组成的系统，其产生的电磁波磁场 分量占主导地位，具有与电偶极子不同的辐射特性。
详细描述
磁偶极子由两个平行的环形电流组成，当其受到激发时，将 产生电磁波向外传播。磁偶极子的辐射场在远场近似下遵循 朗道辐射模式，其磁场分量占主导地位，且具有与电偶极子 不同的方向性和强度分布。
不均匀介质中的传播
折射与反射
当电磁波遇到不同介质的分界面时，会发生折射和反射现象。折 射和反射的角度、强度等特性与介质的性质有关。
散射与吸收
在不均匀介质中，电磁波的传播路径会发生散射，能量会因为介质 的吸收而逐渐减小。
多层介质传播
当电磁波在多层介质中传播时，需要考虑到不同介质分界面上的折 射、反射、散射和吸收等复杂现象。
《电磁场与电磁波》课程教学大纲
《电磁场与电磁波》课程教学大纲英文名称：Electromagnetic Field and Waves一、课程说明1．课程性质学科基础选修2．课程的目的和任务电子类各专业主要课程的核心内容都是电磁现象在特定范围、条件下的体现，分析电磁现象的定性过程和定量方法是电类各专业学生掌握专业知识和技能的基础之一，因而电磁场与电磁波课程所涉及的内容，是合格的电子类专业本科学生所应具备的知识结构的必要组成部分。
不仅如此，电磁场理论又是一些交叉领域的学科生长点和新兴边缘学科发展的基础。
学好电磁场理论将增强学生的适应能力和创造能力。
因此本课程的作用不仅是为进一步学习准备必要的基础，更为深远的是关系到所培养学生的基本素质，因此“电磁场与电磁波”课程在教学计划中应占有重要地位，它是电子类专业本科学生的一门技术基础课。
3．适应专业：电子信息工程4．学时与学分：54（理论教学） 3学分5．先修课程：大学物理、高等数学与工程数学(包括矢量分析,场论和数理方程等) 6．推荐教材或参考书目：（1）王家礼，朱满座等编，《电磁场与电磁波》，西安电子科技大学出版社，2000 （2）谢处方、饶克谨编，《电磁场与电磁波》（第三版），高等教育出版社，1999 7．主要教学方法与手段以课堂讲授为主要教学方法，每章做一次课外作业。
8．考核方式：本课程通过两方面进行考核：作业：10﹪；闭卷考试：90﹪。
9．课外自学要求作业6次，批3次，抽查3次。
二、教学基本要求和能力培养要求1．通过本课程的各个教学环节，达到以下基本要求：（1）静电场理解电场强度与电位的定义，理解电场强度的线积分与路径无关的性质以及电场强度与电位之间的关系。
了解媒质的线性,均匀和各向同性的含义，了解电偶极子，电偶极距的概念，了解极化电荷，极化强度的定义。
理解电位移的定义以及它和电场强度，极化强度之间的关系，理解并能熟练应用高斯定律。
掌握静电场的基本方程，掌握电位所满足的微分方程(泊松方程和拉普拉斯方程)，以及电场强度，电位移和电位在不同媒质分界面上的衔接条件，能列出简单场的边值问题,并能掌握一维边值问题的求解方法。
波导的边界条件
波导的边界条件引言波导是一种用于传输电磁波的结构，常用于微波和光纤通信中。
波导的边界条件是指波导内外的电场和磁场满足的约束条件。
本文将全面、详细、完整地探讨波导的边界条件，包括边界条件的定义、类型、性质以及其对波导内部波的传播和特性的影响。
二级标题1：边界条件的定义三级标题1.1：电场和磁场的切向分量在波导边界上，电场和磁场的切向分量必须连续。
这意味着电场E和磁场H的切向分量在波导内外的共同边界上取相同的值。
三级标题1.2：法向电场和磁场的分量在波导边界上，电场和磁场的法向分量可能会发生变化，取决于边界材料的性质。
常见的边界条件有电场法向分量连续和磁场法向分量连续两种。
二级标题2：波导的边界条件类型三级标题2.1：理想导体边界条件理想导体是指具有无限高电导率和无限大的功率因数的材料。
在理想导体边界上，电场垂直于边界且强度为零，即E n=0。
磁场则必须满足磁场切向分量连续和磁场法向分量连续的边界条件。
三级标题2.2：理想介质边界条件理想介质是指具有无限高绝缘性能的材料。
在理想介质边界上，电场必须满足电场切向分量连续和电场法向分量连续的边界条件，即E t1=E t2和D n1=D n2。
磁场则可以发生变化。
三级标题2.3：混合边界条件混合边界条件是指波导边界上既有理想导体又有理想介质的情况。
混合边界条件要求电场和磁场的切向分量和法向分量均连续。
二级标题3：边界条件的性质三级标题3.1：唯一性定理唯一性定理指出，如果波导中的电磁场满足波动方程和边界条件，那么该波导中的电磁场解是唯一的。
三级标题3.2：边界条件和模式的关系不同的边界条件会导致不同的波导模式。
例如，理想导体边界条件将产生截止频率，低于截止频率的波将无法在波导中传播。
三级标题3.3：边界条件对波导特性的影响波导的边界条件决定了波导中电磁场的分布和传播特性。
边界条件的改变可能会改变波导的色散关系、带宽、损耗等特性。
三级标题3.4：边界条件与波导的有效性波导的边界条件必须恰当地选择，以确保波导能够有效地传输电磁波。
电磁场与电磁波--电磁场的边界条件
cos(15
108
t)
20
cos(15108
t)]
erx80cos(15108t) V/m
r E2
(0,
t
r ex
80
cos(15
108t)r exAcos(15
108
t)
)
V/m
V/m
z=0
r ez 媒质2
r ex
媒质1
2.7 电磁场的边界条件
利用两种电介质分界面上电场强度的切向分量连续的边界条件
电介质与自由空间 的分界面
rr r
r
rrr
ez {ex E1x ey E1y ez E1z [ex 2 y ey 5x ez (3 z)]} z0
r
r
ey (E1x 2 y) ex (E1y 5x) 0
则得
E1x 2 y, E1y 5x
r E2
r ex
2y
r ey 5z
r ez
r D
的法向分量连续
r B 的法向分量连续
r E 的切向分量连续
r H
的切向分量连续
1=0
ern
媒质1
媒质2
2
r D
、Br
的法向分量连续
2.7 电磁场的边界条件
2. 理想导体表面上的边界条件
D
• 理想导体：电导率为无限大的导电媒质 • 特征：电磁场不可能进入理想导体内 • 理想导体表面上的边界条件
r
r
l
rr H1 H2
r et
dl
r D
r
lim
h0
J dS
S
S
t
dS
媒质1
r r en Δl
电磁场的边界条件与电磁波的辐射和传播
电磁场的边界条件与电磁波的辐射和传播[摘要]：本文结合相关示意图简要总结了电磁场的边界条件，在参考大量相关文献的基础上，由边界条件出发分析了交变电磁场传播的原理，联系实际解释了电磁场的辐射和传播。
关键字：电磁场；电磁波；边界条件；辐射；传播。
一、电磁场的边界条件电磁场在两种不同媒质分界面上，从一侧过渡到另一侧时，场矢量E、D、B、H一般都有一个跃变。
电磁场的边界条件就是指场矢量的这种跃变所遵从的条件，也就是两侧切向分量之间以及法向分量之间的关系。
电磁场的边界条件可以由麦克斯韦方程组的积分形式推出，它实际上是积分形式的极限结果。
这些边界条件是：n·(D1-D2)=ρs； (1)n×(E1-E2)=0； (2)n·(B1-B2)=0； (3)n×(H1-H2)=J)s。
(4)式中n为两媒质分界面法线方向的单位矢量，场矢量E、D、B、H的下标1或2分别表示在媒质1或2内紧靠分界面的场矢量,ρ为分界面上的自由电荷面密度,J为分界面上的传导电流面密度。
式(1)表示在分界面两侧电位移矢量D的法向分量的差等于分界面上的自由电荷面密度。
当分界面上无自由电荷时，两侧电位移矢量的法向分量相等,即其法向分量是连续的。
式(2)表示在分界面两侧电场强度E的切向分量是连续的。
式(3)表示在分界面两侧磁通密度B的法向分量是连续的。
式(4)表示在分界面两侧磁场强度H的切向分量的差等于分界面上的表面传导电流面密度。
当分界面上无表面传导电流时，两侧磁场强度的切向分量相等，即其切向分量是连续的。
当媒质2为理想导体时，E2、D2、B2、H2等于零，式(1)表示D1的法向分量等于自由电荷面密度；式(2)表示E1无切向分量.式(3)表示B1的法向分量为零；式(4)表示H1的切向分量等于表面传导电流面密度,并且与电流方向正交。
二、电磁波的辐射和传播电磁波的产生与发射是通过天线来实现的。
由振荡电路产生的强大交变讯号通过互感耦合到天线上，天线就有交变电流产生，如下图所示。
电磁场理论知识点总结
电磁场理论知识点总结1.麦克斯韦方程组：麦克斯韦方程组是电磁场理论的核心方程，它由四个方程组成，分别是高斯定律、法拉第电磁感应定律、安培环路定律和法拉第电磁感应定律的积分形式。
这些方程描述了电场和磁场随空间和时间的变化规律。
2.电场和磁场的相互作用：根据麦克斯韦方程组，电场和磁场相互作用，通过电场的变化会产生磁场，而通过磁场的变化会产生电场。
这种相互作用是电磁波传播的基础。
3.电磁波的传播：根据麦克斯韦方程组的解，电磁波以光速在真空中传播，它是由电场和磁场相互耦合而成的波动现象。
电磁波的传播速度不同于物质中的电磁波传播速度，它是真空中的最大可能速度。
4.电磁感应现象：根据法拉第电磁感应定律，当一个导体中的磁场发生变化时，会在导体中产生感应电流。
这个现象被广泛应用于发电机、变压器等电磁设备中。
5.静电场和静磁场：当电荷和电流都不随时间变化时，产生的电场和磁场称为静电场和静磁场。
在静电场中，电场符合高斯定律；在静磁场中，磁场符合安培环路定律。
静电场和静磁场的研究对于理解电磁场的基本性质和应用具有重要意义。
6.电磁辐射和辐射场：根据麦克斯韦方程组的解，加速的电荷会辐射出电磁波。
这种辐射就是电磁辐射，它是电磁波传播的一种形式。
辐射场是指由电磁辐射产生的电场和磁场。
7.电磁波的频率和波长：电磁波的频率和波长是描述电磁波特性的两个重要参数。
频率指的是电磁波单位时间内振动的次数，单位是赫兹；波长指的是电磁波的一个完整振动周期所对应的空间距离，单位是米。
8.电磁场的能量和动量：根据电磁场的能量密度和动量密度的定义，可以推导出电磁场的能量和动量公式。
电磁场携带能量和动量，可以与物质相互作用，这是实现无线通信、光学传输等现代科技的基础。
9.电磁场的边界条件：电磁场在介质边界上的反射和折射现象可以通过电磁场的边界条件来描述。
边界条件包括麦克斯韦方程组的边界条件和介质的边界条件，它们确定了电磁场在边界上的行为和传播规律。
2023年大学_微波技术与天线(王新稳著)课后答案下载
2023年微波技术与天线（王新稳著）课后答案下载2023年微波技术与天线（王新稳著）课后答案下载绪篇电磁场理论概要第1章电磁场与电磁波的基本概念和规律1.1 电磁场的四个基本矢量1.1.1 电场强度E1.1.2 高斯(Gauss)定律1.1.3 电通量密度D1.1.4 电位函数p1.1.5 磁通密度B1.1.6 磁场强度H1.1.7 磁力线及磁通连续性定理1.1.8 矢量磁位A1.2 电磁场的基本方程1.2.1 全电流定律：麦克斯韦第一方程1.2.2 法拉第一楞次(Faraday-Lenz)定律：麦克斯韦第二方程1.2.3 高斯定律：麦克斯韦第三方程1.2.4 磁通连续性原理：麦克斯韦第四方程1.2.5 电磁场基本方程组的微分形式1.2.6 不同时空条件下的麦克斯韦方程组1.3 电磁场的媒质边界条件1.3.1 电场的边界条件1.3.2 磁场的边界条件1.3.3 理想导体与介质界面上电磁场的边界条件1.3.4 镜像法1.4 电磁场的能量1.4.1 电场与磁场存储的能量1.4.2 坡印廷(Poyllfing)定理1.5 依据电磁场理论形成的电路概念1.5.1 电路是特定条件下对电磁场的简化表示1.5.2 由电磁场方程推导出的电路基本定律1.5.3 电路参量1.6 电磁波的产生——时变场源区域麦克斯韦方程的解 1.6.1 达朗贝尔(DAlembert)方程及其解1.6.2 电流元辐射的电磁波1.7 平面电磁波1.7.1 无源区域的时变电磁场方程1.7.2 理想介质中的均匀平面电磁波1.7.3 导电媒质中的均匀平面电磁波1.8 均匀平面电磁波在不同媒质界面的入射反射和折射 1.8.1 电磁波的极化1.8.2 均匀平面电磁波在不同媒质界面上的垂直入射 1.8.3 均匀平面电磁波在不同媒质界面上的斜入射__小结习题上篇微波传输线与微波元件第2章传输线的基本理论2.1 传输线方程及其解2.1.1 传输线的电路分布参量方程2.1.2 正弦时变条件下传输线方程的解2.1.3 对传输线方程解的讨论2.2 无耗均匀传输线的工作状态2.2.1 电压反射系数2.2.2 传输线的工作状态2.2.3 传输线工作状态的测定2.3 阻抗与导纳厕图及其应用2.3.1 传输线的匹配2.3.2 阻抗圆图的构成原理2.3.3 阻抗圆图上的特殊点和线及点的移动2.3.4 导纳圆图2.3.5 圆图的应用举例2.4 有损耗均匀传输线2.4.1 线上电压、电流、输入阻抗及电压反射系数的'分布特性 2.4.2 有损耗均匀传输线的传播常数2.4.3 有损耗均匀传输线的传输功率和效率__小结习题二第3章微波传输线3.1 平行双线与同轴线3.1.1 平行双线传输线3.1.2 同轴线3.2 微带传输线3.2.1 微带线的传输模式3.2.2 微带线的传输特性3.3 矩形截面金属波导3.3.1 矩形截面波导中场方程的求解3.3.2 对解式的讨论3.3.3 矩形截面波导中的TElo模3.3.4 矩形截面波导的使用3.4 圆截面金属波导3.4.1 圆截面波导中场方程的求解3.4.2 基本结论3.4.3 圆截面波导中的三个重要模式TE11、TM01与TE01 3.4.4 同轴线中的高次模3.5 光波导3.5.1 光纤的结构形式及导光机理3.5.2 单模光纤的标量近似分析__小结习题三第4章微波元件及微波网络理论概要4.1 连接元件4.1.1 波导抗流连接4.1.2 同轴线——波导转接器4.1.3 同轴线——微带线转接器4.1.4 波导——微带线转接器4.1.5 矩形截面波导——圆截面波导转接器4.2 波导分支接头……微波技术与天线（王新稳著）：内容简介本书是在作者三十多年教学及科研实践基础上编写而成的，系统讲述电磁场与电磁波、微波技术、天线的基本概念、理论、分析方法和基本技术。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
电磁场的边界条件与电磁波的辐射和传播
[摘要]：本文结合相关示意图简要总结了电磁场的边界条件，在参考大量相关文献的基础上，由边界条件出发分析了交变电磁场传播的原理，联系实际解释了电磁场的辐射和传播。
关键字：电磁场；电磁波；边界条件；辐射；传播。
一、电磁场的边界条件
电磁场在两种不同媒质分界面上，从一侧过渡到另一侧时，场矢量E、D、B、H一般都有一个跃变。
电磁场的边界条件就是指场矢量的这种跃变所遵从的条件，也就是两侧切向分量之间以及法向分量之间的关系。
电磁场的边界条件可以由麦克斯韦方程组的积分形式推出，它实际上是积分形式的极限结果。
这些边界条件是：
n·(D1-D2)=ρs； (1)
n×(E1-E2)=0； (2)
n·(B1-B2)=0； (3)
n×(H1-H2)=J)s。
(4)
式中n为两媒质分界面法线方向的单位矢量，场矢量E、D、B、H的下标1或2分别表示在媒质1或2内紧靠分界面的场矢量,ρ为分界面上的自由电荷面密度,J为分界面上的传导电流面密度。
式(1)表示在分界面两侧电位移矢量D的法向分量的差等于分界面上的自由电荷面密度。
当分界面上无自由电荷时，两侧电位移矢量的法向分量相等,即其法向分量是连续的。
式(2)表示在分界面两侧电场强度E的切向分量是连续的。
式(3)表示在分界面两侧磁通密度B的法向分量是连续的。
式(4)表示在分界面两侧磁场强度H的切向分量的差等于分界面上的表面传导电流面密度。
当分界面上无表面传导电流时，两侧磁场强度的切向分量相等，即其切向分量是连续的。
当媒质2为理想导体时，E2、D2、B2、H2等于零，式(1)表示D1的法向分量等于自由电荷面密度；式(2)表示E1无切向分量.式(3)表示B1的法向分量为零；式(4)表示H1的切向分量等于表面传导电流面密度,并且与电流方向正交。
二、电磁波的辐射和传播
电磁波的产生与发射是通过天线来实现的。
由振荡电路产生的强大交变讯号通过互感耦合到天线上，天线就有交变电流产生，如下图所示。
此交变电流在天线周围激发交变磁场，交变磁场又激发交变的涡旋电场，交变的涡旋电场又反过来激发交变的涡旋磁场.如此相互激发产生电磁波并将其传播开去。
我们以天线上的交变电流变化一个周期为例，来说明电磁波的产生与传播过程。
如上图所示，当(a)图中天线上有向上的电流时，它激发的磁场环绕天线。
磁感应线从右边进入纸面，从左边穿出纸面。
对于具有相同大小磁感强度的空间各点，在天线两端的场点到天线轴线距离比天线中部的场点到天线轴线的距离要小些，以此为原则定性地画出了磁感应线的箭头“·”和箭尾“x”；当电流增加时，磁场也随之增大，由麦克斯韦涡旋电场的假说，此变化的磁场就激发涡旋电场，天线右边的电场线逆时针，左边的电场线顺时针，图(b)。
当电流达到极大值而后减小时，如前一时刻产生的闭合电场线已经传开。
由于电磁场的传播需要时间，这就使得当天线近处空间的磁场开始减小时，远处空间的磁场还在增加，它产生的电场的电场线的绕行方向仍与前一时刻靠近天线的电场线绕行方向相同。
比较图(b)与图（c）就清楚地看到了这一点，此时近处电场的电场线由于磁场减小使得在天线右边是顺是针，左边是逆时针，如图(c)所示。
当电流变小到反向时天线周围的磁场也跟着反向。
先前右边进，左边出的磁场已传向远方，不过由于近处磁场相对于右边进，左边出的方向来说仍是减小，故涡旋电场的电场线的方向不变，只是向外扩张，如图(d)所示。
只有当电流向下增大到极大值而反向减小时，电场的电场线的方向才反转过来，此时图(d)的电场线已向远处传播开去，如图(e)所示。
当电流反向减小到零而正向增大时，电流变化完成一个周期，电磁场的传播如图(f)所
示。
这便又开始了从图(b)到(f)的过程，如此周而复始地将电磁波产生与传播开去。
如果将电磁波传播的空间图象的一个波长与波源处B变化一个周期对应起来，就得出图3。
取天线中电流为零的时刻为一个周期的开始，此时波源处的B为零一个周期终了之后，该周期开始时波源激发的B传得最远，对应电磁波传播一个周期的图象应是电磁波的波前，即图(4)中圆形虚线。
通过以上电磁波的产生与传播过程的分析可以清楚地看到：
（1）天线上交变电流激发交变磁场，交变磁场又激发交变电场，很明显交变电磁场是与天线中交变电流具有相同周期的周期函数。
（2）从图4中的A,C,D三点处的电场E,磁场B来看，A处因两边电场线的绕行方向相反，使得它的电场线同向，E向下最大，此时B也恰好向里最大；在C点处，因两边电场线的绕行方向相同，使得它的电场线方向相反，E为零，B也恰好为零；D点处因两边的电场线绕行方向相反，它的电场线同向，E向上最大，此处B也恰好向外最大，这就说明，电磁波中电场E，磁场B的变化是同步的。
( 3)从图3或图4中，我们还可以清楚地看到磁场H与电场E是相互垂直的，并且垂直于电磁波的传播方向，说明电磁波是横波.同时从图4A处的电场E(方向向下，沿y 轴负向)，磁场H(方向向内，沿z轴负向)，与传播方向即波速:(方向向右，沿x轴)的关系看，E,H,:不仅相互垂直，而且互成右手螺旋，从D点也可以看出这点，这就说明：
v的方向是EXH的方向。
( 4)对于一给定天线发射的电磁波，在某一给定的传播方向上，电场磁场的振动方向各自总是一定的，如图3所示，磁场振动方向总是垂直于纸面，电场振动方向总是平行于纸面，也就是说电磁波具有偏振性。
参考文献：
[1]何文质.关于电磁场边界条件的另一种合适推求[J].河北机电学院学报,1991年第8卷第1期:80~86.
[2]黄明哲.电磁波的传播与辐射[J].高等函授学报(自然科学版),1996年第4期:37~39.
[3]杜晓燕,杨明珊,张秀钢.关于电磁场边界条件教学的几点思考[J].电气电子教学学报,2011年第33卷第4期:112~117.
[4]张洪欣.电导率有限媒质分界面电磁场的边界条件[J].吉首大学学报(自然科学版),2007年第28卷第2期:48~50.。