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电磁场与电磁波期末复习要点.doc

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电磁场与电磁波期末复习要点.doc

矢量分析在上的分量 , , (标量三重积), 标量函数的梯度 求矢量的散度 散度定理:矢量场的散度在体积V上的体积分等于在矢量场在限定该体积的闭合曲面S上的面积分,即,散度定理是矢量场中的体积分与闭合曲面积分之间的一个变换关系。 给定一矢量函数和两个点,求沿某一曲线积分, 积分与路径无关就是保守场。 如何判断一个矢量是否可以由一个标量函数的梯度表示或者由一个矢量函数的旋度表示?如果 ,则既可以由一个标量函数的梯度表示,也可以由一个矢量函数的旋度表示;如果,则该矢量可以由一个标量函数的梯度表示;如果,则该矢量可以由一个矢量函数的旋度表示。矢量的源分布为 . 证明和 证明:解 (1)对于任意闭合曲线为边界的任意曲面,由斯托克斯定理有 由于曲面是任意的,故有 (2)对于任意闭合曲面为边界的体积,由散度定理有 其中和如题1.27图所示。由斯托克斯定理,有 , 由题1.27图可知和是方向相反的同一回路,则有 所以得到 由于体积是任意的,故有 附:圆柱坐标系中:散度;旋度 球坐标系中: 散度 旋度 电磁场的基本规律 电荷守恒定律(电流连续性方程) 积分形式: 微分形式: 对于恒定电流场(恒定电流场是一个无散度的场) 电位移 麦克斯韦方程组 积分形式:微分形式:媒质的本构关系: , , 电磁场的边界条件 情况一:边界条件的一般形式情况二:两种媒质都不是理想导体的边界条件情况三:理想导体的边界条件静态电磁场及其边值问题的解 静电场的基本方程和边界条件 基本方程 积分形式 微分形式 《静电场是有源无旋场》 边界条件 标量电位满足的边界条件 一般情况 分界面上不存在自由面电荷 若第二种媒质为导体,达到静电平衡后导体内部的电场为0,导体表面上电位的边界条件 电场的能量 电场的能量密度 磁场的能量 磁场的能量密度 静态场的边值问题及解的唯一性定理:在场域V的边界面S上给定或的值,则泊松方程或拉普拉斯方程在场域V内具有唯一解. 镜像法:用位于场域边界外虚设的较为简单的镜像电荷来等效替代该边界上未知的较为复杂的电荷分布,在保持边界条件不变的情况下,将分界面移去,这样就把原来有分界面的非均匀媒质空间变换成无界的单一媒质空间来求解. 镜像法的理论依据:静电场解的唯一性定理. 应用镜像法的两个要点:(1)正确找出镜像电荷的个数、位置以及电荷量的大小和符号,以满足边界条件不变为其准则;(2)注意保持待求解的场域(称为有效区)内的电荷分布不变,即镜像电荷必须置于有效区之外. 对于非垂直相交的两导体平面构成的边界,若夹角为,则所有镜像电荷的数目为个 矢量磁位:根据恒定磁场的无散度特征()可以用一矢量的旋度来计算磁感应强度,,即为矢量磁位 标量磁位:在没有传导电流的区域()由于,可引入标量磁位使得 在恒定磁场分析中引入和的优点:在均匀、线性和各向同性的磁介质中,矢量磁位满足泊松方程或拉普拉斯方程(时);在均匀、线性和各向同性的磁介质中,标量磁位满足拉普拉斯方程 镜像法例题: 如题4.24()图所示,在的下半空间是介电常数为的介质,上半空间为空气,距离介质平面距为处有一点电荷,求:(1)和的两个半空间内的电位;(2)介质表面上的极化电荷密度,并证明表面上极化电荷总电量等于镜像电荷。 解 (1)在点电荷的电场作用下,介质分界面上出现极化电荷,利用镜像电荷替代介质分界面上的极化电荷。根据镜像法可知,镜像电荷分布为(如题4.24图()、()所示) ,位于 , 位于 上半空间内的电位由点电荷和镜像电荷共同产生,即下半空间内的电位由点电荷和镜像电荷共同产生,即 (2)由于分界面上无自由电荷分布,故极化电荷面密度为 极化电荷总电量为 时变电磁场 时谐电磁场= (★) 例题:(1)将下面的场矢量的瞬时值形式写为复数形式解:由于=根据式子★,可知电场强度的复矢量为(2)已知电场强度复矢量,其中和为实常数。写出电场强度的瞬时矢量。解:根据式★,可得电场强度的瞬时矢量= 坡印廷矢量:它表示单位时间内通过垂直于能量传输方向的单位面积的电磁能量,其方向就是就是电磁能量传输的方向 单位瓦特每平方米(描述电磁能量传输的物理量) 平均坡印廷矢量:在时谐电磁场中,一个周期T内的平均能量密度矢量(即平均坡印廷矢量)为,用复矢量来计算则为 关于坡印廷矢量的例题 第五章 均匀平面波在无界空间中的传播 理想介质中的均匀平面波的传播特点:(1)是一个横电磁波(TEM波)电场E和磁场H都在垂直于传播方向的横向平面内,且存在以下关系式或(2)在传播过程中,电场E和磁场H的振幅无衰减,波形不变化。(3)电场E和磁场H同相位是实数(4)波的相速只与媒质参数、有关,与频率无关,是非色散波(5)电场能量密度等于磁场能量密度 弱导电媒质(满足条件)此时 Np/m rad/m(2)良导体(满足)此时 电磁波的极化:波的极化表征在空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变化的特性,并用电场强度矢量的端点在空间描绘出的轨迹来描述. 极化的三种状态: 一般情况下,延z方向传播的均匀平面波的电场可表示为 直线极化 直线极化的条件: 极化角: 圆极化 圆极化的条件: 合成波电场强度的大小: 极化角: 当时,为左旋圆极化波;当时,为右旋圆极化波 椭圆极化 当和不满足上述条件时,就构成椭圆极化波。直线极化和 圆极化都可以看做椭圆极化的特例。 色散:在同一种导电媒质中,,不同频率的电磁波的电磁波的相速是不同的,这种现象称为色散。 例题: 均匀平面波的反射与透射 电磁波对分界面的垂直入射 (1)对理想导体平面的垂直入射: 媒质一为理想介质,媒质二为理想导体,则,即产生全反射,媒质一中的何成波为驻波。 合成波的特点:处为合成波电场的波节点和合成波磁场的波腹点;处为合成波电场的波的波腹点和合成波磁场的波节点;的驻波在时间上有的相移,在空间分布上错开。 (2)对理想介质分界面的垂直入射 反射系数和透射系数为实数,媒质一中的合成波中的电场为 合成波电场的最大值: 出现位置: 驻波系数(驻波比) 平面波对介质分界面的斜入射 (1)斯耐尔反射定律 斯耐尔折射定律, 式中,分别为介质1和介质2的折射率. (2)反射系数与透射系数a)垂直极化入射且 b)平行极化入射且 (3)全反射临界角 发生全反射的条件: 发生全反射时透射波沿分界面方向传播,透射波的振幅在垂直于分界面的方向上呈指数衰减,形成表面波。 (4)无反射布儒斯特角发生无反射的条件:在的条件下,当时平行极化波无反射。任意极化波以布儒斯特角入射到两种介质()分界面时,平行极化分量已全部透射了,反射波中只包含垂直极化分量。 例题: 导行电磁波 导行电磁波的三种模式 根据纵向场分量和存在与否,可将导波系统中的电磁波分为三种模式: (1)横电磁波(TEM):传播常数 相速度 波阻抗 (2)横磁波(TM):满足标量波动方程其传播条件(工作频率大于截止频率)传播常数 波导波长 相速度 波阻抗 (3)横电波(TE):满足标量波动方程其传播条件(工作频率大于截止频率)

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