电磁场与电磁波经典例题
北工大_电磁场与电磁波重要例题
p cos C 2 4 π 0 r
电场线微分方程：
r 2 C 'cos
dr rd Er E
将 E 和 E 代入上式，解得E线方程为
r
电场线 等位线 电偶极子的场图
r C 1 sin
2
电磁场与电磁波
第2章
电磁场的基本规律
10
例3.1.2 求均匀电场的电位分布。 解 选定均匀电场空间中的一点O为坐标原点，而任意点P 的 位臵矢量为r ，则
V/m
试问关于1区中的 E1 和 D1 能求得出吗？
z＝0 处的 E1 和 D1 。 由 en ( E1 E 2 ) 0 ，有
解 根据边界条件，只能求得边界面
2区
1区
O y z
x
电介质与自由空间的 分界面
ez {ex E1 x e y E1 y ez E1 z [ex 2 y e y 5 x ez (3 z )]} e y ( E1 x 2 y ) ex ( E1 y 5 x ) 0
则得
D1 z
z 0
D2 z
z 0
0 (3 z )
z 0
3 0
最后得到
3 0 3 E1 z z 0 z 0 1 5 0 5 3 E1 ( x , y ,0 ) e x 2 y e y 5 x e z 5 D1 ( x , y ,0 ) e x 10 0 y e y 25 0 x e z 3 0 D1 z
H 2 ，得 t
4 H 2 ( z, t ) ey 10 7 cos(15 10 8 t 5 z ) A/m 3 0
（3）z = 0时
电磁场与电磁波(必考题)
1 / 91.已知自由空间中均匀平面波磁场强度瞬时值为：())]43(cos[31,,z x t-e t z x H +=πωπy A/m ，求①该平面波角频率ω、频率f 、波长λ ②电场、磁场强度复矢量③瞬时坡印廷矢量、平均坡印廷矢量。
解：① z x z k y k x k z y x ππ43+=++；π3=x k ，0=yk ，π4=z k ；)/(5)4()3(22222m rad k k k k z y x πππ=+=++=；λπ2=k ，)(4.02m k ==πλ c v f ==λ（因是自由空间），)(105.74.010388Hz c f ⨯=⨯==λ；)/(101528s rad f ⨯==ππω②)/(31),()43(m A e e z x H z x j y +-=ππ； )/()243254331120),(),(),()43()43(m V e e e e e e e k k z x H e z x H z x E z x j z x z x z x j y n +-+--=+⨯⨯=⨯=⨯=πππππππηη（③ ()[])/()43(cos 2432),,(m V z x t e e t z x E z x +--=πω())]43(cos[31,,z x t-e t z x H +=πωπy （A/m ） ()[]()[])/()43(cos 322431)]43(cos[31)43(cos 243222m W z x t e e z x t-e z x t e e H E S z x z x +-+=+⨯+--=⨯=πωππωππωy ())43(2432),(z x j z x e e e z x E +--=π，)43(31),(z x j y e e z x H +-=ππ()())/(322461312432Re 21Re 212*)43()43(*m W e e e e e e e H E S z x z x j y z x j z x av +=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯-=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=+-+-ππππ2.横截面为矩形的无限长接地金属导体槽，上部有电位为 的金属盖板；导体槽的侧壁与盖板间有非常小的间隙以保证相互绝缘。
电磁场与电磁波例题详解1
第1章 矢量分析例1.1 求标量场z y x -+=2)(φ通过点M (1, 0, 1)的等值面方程。
解：点M 的坐标是1,0,1000===z y x ，则该点的标量场值为0)(0200=-+=z y x φ。
其等值面方程为 ：0)(2=-+=z y x φ 或 2)(y x z += 例1.3 求函数xyz z xy -+=22ϕ在点（1，1，2）处沿方向角3,4,3πγπβπα===的方向导数。
解：由于1)2,1,1(2)2,1,1(-=-=∂∂==M M yzy xϕ,02)2,1,1()2,1,1(=-=∂∂==M M xz xy y ϕ,32)2,1,1()2,1,1(=-=∂∂==M M xyz zϕ,21cos ,22cos ,21cos ===γβα 所以1cos cos cos =∂∂+∂∂+∂∂=∂∂γϕβϕαϕϕzy x lM例1.4 求函数xyz =ϕ在点)2,1,5(处沿着点)2,1,5(到点)19,4,9(的方向导数。
解：点)2,1,5(到点)19,4,9(的方向矢量为1734)219()14()59(z y x z y x a a a a a a l++=-+-+-=其单位矢量314731433144cos cos cos z y x z y x a a a a a a l ++=++=γβα 5,10,2)2,1,5()2,1,5()2,1,5()2,1,5()2,1,5()2,1,5(==∂∂==∂∂==∂∂xy zxz yyz xϕϕϕ所求方向导数314123cos cos cos =⋅∇=∂∂+∂∂+∂∂=∂∂ l z y x lMϕγϕβϕαϕϕ 例1.5 已知z y x xy z y x 62332222--++++=ϕ，求在点)0,0,0(和点)1,1,1( 处的梯度。
解：由于)66()24()32(-+-++++=∇z a x y a y x a z y xϕ 所以 623)0,0,0(z y x a a a---=∇ϕ，36)1,1,1(y x a a +=∇ϕ例1.6 运用散度定理计算下列积分：⎰⋅++-+=Sz y x S d z y xy a z y x a xz a I)]2()([2322S 是0=z 和2222y x a z --=所围成的半球区域的外表面。
电磁场与电磁波习题及答案
电磁场与电磁波习题及答案1麦克斯韦方程组的微分形式是：.D H J t=+?u v u u v u v ,BE t =-?u v u v ,0B ?=u v g ,D ρ?=u v g2静电场的基本方程积分形式为：CE dl =?u v u u v g ? S D ds ρ=?u v u u vg ?3理想导体（设为媒质2）与空气（设为媒质1）分界面上，电磁场的边界条件为：3.00n S n n n Se e e e J ρ??=??===?D B E H rr r r r r r r r 4线性且各向同性媒质的本构关系方程是：4.D E ε=u v u v ,B H μ=u v u u v ,J E σ=uv u v5电流连续性方程的微分形式为：5.J t ρ??=-r g6电位满足的泊松方程为2ρ?ε?=-；在两种完纯介质分界面上电位满足的边界。
12??= 1212n n εεεε??=?? 7应用镜像法和其它间接方法解静态场边值问题的理论依据是: 唯一性定理。
8.电场强度E ?的单位是V/m ，电位移D ?的单位是C/m2 。
9．静电场的两个基本方程的微分形式为0E ??=ρ?=g D ；10.一个直流电流回路除受到另一个直流电流回路的库仑力作用外还将受到安培力作用1.在分析恒定磁场时，引入矢量磁位A u v，并令B A =??u v u v 的依据是（ 0B ?=u vg ）2. “某处的电位0=?，则该处的电场强度0=E ?”的说法是（错误的）。
3. 自由空间中的平行双线传输线，导线半径为a , 线间距为D ，则传输线单位长度的电容为（ )ln(1aaD C -=πε ）。
4. 点电荷产生的电场强度随距离变化的规律为（1/r2 ）。
5. N 个导体组成的系统的能量∑==Ni ii q W 121φ，其中iφ是（除i 个导体外的其他导体）产生的电位。
6.为了描述电荷分布在空间流动的状态，定义体积电流密度J ，其国际单位为（a/m2 ）7. 应用高斯定理求解静电场要求电场具有（对称性）分布。
电磁场与电磁波大题
1、高斯定理求电场例2.2.2求真空中均匀带电球体的场强分布。
已知球体半径为a ，电 荷密度为ρ0。
解：（1）球外某点的场强（2）球内某点的场强2、安培环路定理求均匀分布磁场例2.3.2 求载流无限长同轴电缆产生的磁感应强度。
解 选用圆柱坐标系，则应用安培环路定理，得应用安培环路定律，得ar 0 r r E a V S E V S ⎰⎰=⋅d d 001ρε 03023414ρεπa E r r π=2303ra eE r ερ =( r ≥ a ) VS E V S ⎰⎰=⋅d d 001ρε 03023414ρεπr E r r π=003ερr eE r =（r < a ）a b c()B e B φρ=(1)0aρ≤<取安培环路 ，交链的电流为 ()a ρ<22122ππI I I a a ρρ=⋅=21022πI B aρρμ=0122πI B eaφμρ=(2)a bρ≤<202πB I ρμ=022πIB eφμρ=(3)b c ρ≤<222232222b c I I I I c b c b ρρ--=-=--220322()2πI c B c b μρρ-=-2203222πI c B e c b φμρρ-=⋅-(4)cρ≤<∞40I =40B =3、拉普拉斯方程 点位 电场强度 书例3.1.3 习题3.74、双导体电容 球型电容例3.1.5 同轴线内导体半径为a ，外导体半径为b 均匀介质，求同轴线单位长度的电容。
解 设同轴线的内、外导体单位长度带电量分别为+ρl 和－ρl ，应用高斯定理可得到内外导体间任一点的电场强度为内外导体间的电位差故得同轴线单位长度的电容为练习：同心球形电容器的内导体半径为、外导体半径为b ，其间填充介电常数为ε的均匀介质。
求此球形电容器的电容。
解：设内导体的电荷为q ，则由高斯定理可求得内外 导体间的电场同心导体间的电压球形电容器的电容εa b 同轴线 ()2πl E eρρρερ=1()d d 2πb b la a U E e ρρρρρερ=⋅=⎰⎰ln(/)2πl b a ρε=12π(F/m)ln(/)l C U b a ρε==a bεo 4π4πr r 22qqD e ,E er rε==0011d ()4π4πba q qb aU E r a b abεε-==-=⋅⎰4πab q C U b aε==-当 时，∞→b 04πC aε=孤立导体球的电容5、电感例3.3.3b ，空气填充。
电磁场与电磁波例题
1、如图1－1，平板电容器间由两种媒质完全填充，厚度分别为1d 和2d ，介电常数分别为1ε和2ε，电导率分别为1σ和2σ，当外加电压0U 时，求分界面上的自由电荷密度。
解：设电容器极之间的电流密度为J ，则： 2211E E J σσ==11σJ E = ，22σJ E = 于是+=101σJd U 22σJd 即：22110σσd d U J +=分界面上的自由面电荷密度为：J E E n D n D s )1122(112212σεσεεερ-=-=-=)1122(σεσε-=22110σσd d U +2、一个截面如图2－1所示的长槽，向y 方向无限延伸，两则的电位是零，槽内∞→y ，0→ϕ，底部的电位为：0)0,(U x =ϕ。
求槽内的电位。
解：由于在0=x 和a x =两个边界的电位为零，故在x 方向选取周期解，且仅仅取正弦函数，即：)(sin an n k x n k n X π==在y 方向，区域包含无穷远处，故选取指数函数，在∞→y 时，电位趋于零，所以选取y n k e nY -= 由基本解的叠加构成电位的表示式为：∑∞=-=1sin n a y n e a x n n C ππϕ待定系数由0=y 的边界条件确定。
在电位表示式，令0=y ，得：∑∞==1sin 0n a x n n C U π⎰-==a n n aUdx a x n U a n C 0)cos 1(0sin 02πππ 当n 为奇数时， πn U n C4=，当n 为偶数时，00=C 。
最后，电位的解为：a y n e n a x n n U πππϕ-∑∞==5,3,1sin 043、在两导体平板（0=z 和d z =）之间的空气中传输的电磁波，其电场强度矢量)cos()sin(0x x k t z dE y e E -=ωπ其中x k 为常数。
试求：（1）磁场强度矢量H 。
（2）两导体表面上的面电流密度s J 。
电磁场与电磁波例题集合
带电体位于真空，计算该带电圆柱内、外的电场强度。
z S1
L y
S
E dS
q
0
E dS
S
S1
EdS E dS 2πrLE
S1
x a
当 r < a 时，则电荷量q 为 q πr 2 L , 求
得电场强度为
r E er 2 0
当 r > a 时，则电荷量q 为 q πa 2 L , 求
功率损耗密度分别为
pl1 1E12 ,
2 pl 2 2 E2
两种特殊情况： 若 1 0 ， + U –
d1 d2
1= 0
E2 = 0
则 E2 0
we 2 0 pl 2 0
+ E1 U / d1 U –
d1 E1 = 0 d2 2 = 0
若 2 0， 则 E1 0
1E1 2 E2
边界垂直，求得 又
E1d1 E2d2 U
求出两种介质中的电场强度分别为 2 1 E1 U E2 U d1 2 d 2 1 d1 2 d 2 1
两种介质中电场储能密度分别为
1 we1 1 E12 , 2 1 2 we2 2 E2 2
2I H1 e π r ( 1 2 )
H2 I ( 1 2 ) I e e 2π r 2π r ( 1 2 )
B1 1H1
B2 2 H2
例1 计算无限长直导线与矩形线圈之间的互感。
设线圈与导线平行，周围介质为真空，如图所示。
q 4π 0 r l cos 2 q 4π 0 r
2
电磁场与电磁波经典例题
电磁场与电磁波
6
在无源（ 0, J 0）的自由空间中，已知时
时谐电磁场
变电磁场的磁场强度的复矢量为： j z H 2e eyA/m， 式中β为常数。试求： 1）磁场强度的瞬时表达式？ 2）电场强度的复矢量表达式、瞬时表达式？ 3）瞬时坡印廷矢量，平均坡印廷矢量？
电磁场与电磁波
电磁场与电磁波
小测3：时谐电磁场分析
5
时谐电磁场 Maxwell方程组的应用
已知理想介质（4 0 , 0）中均匀平面波电磁场的电场分量 瞬时表达式为： 5 E ( z , t ) 2 cos(6000 t - 4 10 z )e y V / m 试求： （ ）电场强度的复矢量？ 1 （2）伴随的磁场强度的瞬时表达式？复矢量？ （3）该电磁波的瞬时坡印廷矢量S？平均坡印廷矢量S av？
电磁场与电磁波
小测11参数为1 0 ,1 0 , 1 0，
且媒质1中的磁场强度为： 1 1 8 H1 ( z , t ) ey [ cos(15 10 t 5 z ) cos(15 108 t 5 z )] A/m； 2 6 z 0区域的媒质2参数为 2 5 0 ,2 20 0 , 2 0， 且媒质2中的电场强度为:E2 ( z , t ) ex 80 cos(15 108 t 50 z ) V/m。 1、请写出时域积分、微分形式的Maxwell方程组； 一般形式的边界条件。 2、用Maxwell方程组求解媒质1的电场强度， 媒质2的磁场强度,给出求解依据。 3、验证z 0的分界面电磁场满足边界条件。
小测3：电磁场与电磁波综合分析
7
电磁场与电磁波综合分析
已知理想介质（4 0 , 0）中均匀平面波的电场强度的 5 瞬时表达式为：E ( z , t ) 2 cos(6000 t - 4 10 z )ey V / m （ ）利用时域Maxwell方程组求解伴随的磁场强度H ( z, t )？ 1 （2）利用频域Maxwell方程组求解伴随的瞬时表达式H ( z, t )？ （3）利用均匀平面波的性质求解伴随的磁场强度H ( z, t )？ （4）求该电磁波的瞬时坡印廷矢量S？平均坡印廷矢量S av？