電磁場與電磁波第四版課后思考題答案第四版全謝處方饒克謹高等教育出版社_第1頁
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文檔簡介

10P?.....10P?2.1點電荷的嚴格定義是什么?點電荷是電荷分布的一種極限情況,可將它看做一個體積很小而電荷密度很的帶電小球的極限。當帶電體的尺寸遠小于觀察點至帶電體的距離時,帶電體的形狀及其在的電荷分布已無關緊要。就可將帶電體所帶電荷看成集中在帶電體的中心上。即將帶電體抽離為一個幾何點模型,稱為點電荷。2.2研究宏觀電磁場時,用到哪幾電荷的分布模型?有哪幾種電分布模型?他們是何定義的常用的電荷分布模型有體電荷、面電荷、線電荷和點電荷;常用的電流分布模型有體電流模型、面電流模型和線電流模型,他們是根據電荷和電流的密度分布來定義的。2,3點電荷的電場強度隨距離變的規律是么?電偶極子的電場強度又如呢?點電荷的電場強度與距離的平方成反比;電偶極子的電場強度與距離r的立方成反比。2.4簡?E和所表征的靜電場特?空任意一點電場強度的散度與該處的電荷密度有關靜電荷是靜電場的通量源。表明靜電場是無旋場。2.5表述高斯定律,并說在什么條下可應用高斯定律求解給定電分布的電場強度。高斯定律過一個任意閉合曲面的電通量等于該面所包圍的所有電量的代數和除以與閉合面外的電荷無關,場(電)分布具有某些對稱性時,可應用高斯定律求解給定電荷分0布的電場強度。2.6簡述和所表征的靜電特性。0明穿過任意閉合面的磁感應強度的通量等于磁力線是無關尾的閉合線,0

表明恒定磁場是有旋場,恒定電流是產生恒定磁場的漩渦源2.7表述安培環路定理,并說明什么條件可用該定律求解給定的電流分的磁感應強度。安培環路定理:磁感應強度沿任何閉合回路的線積分等于穿過這個環路所有電流的代數倍,即如果電路分布存在某種對稱性,則可用該定理求解給定電流分布的磁感應強度。0C2.8簡述電場與電介質相互作用發生的現。在電場的作用下出現電介質的極化現象,而極化電荷又產生附加電場2.9極化強度的如何定義的?極電荷密度極化強度又什么關系?單位體積的點偶極矩的矢量和稱為極化強度P與極化電荷密度的關系為極化電荷面的密度sp

p

?P

極化強度P與2.10電位移矢量是如何定義?在國際位制中它的單位是什電位移矢量定義為

單位是庫倫/平方米(C/m2.11簡述磁場與磁介質相互作的物理現?word可編輯.

00SMMH.....00SMMH在磁場與磁介質相互作用時,外磁場使磁介質中的分子磁矩沿外磁場取向,磁介質被磁化,被磁化的介質要產生附加磁場,從而使原來的磁場分布發生變化,磁介質中的磁感應強度可看做真空中傳導電流產生的磁感應強度B和磁化電流產生的磁感應強度B’的疊加,即B2.12磁化強度是如何定義的?化電流密與磁化強度又什么關?單位體積內分子磁矩的矢量和稱為磁化強度;磁化電流體密度與磁化強度:磁化電流面密度與磁化強度:M

J2.13磁場強度是如何定義的?國際單位中它的單位是什么?磁場強度定義為:國際單位之中,單位是安培/(A/m)2,14你理解均勻媒質與非均勻質,線性質與非線性媒質,各同性與各向異性媒的含義么均勻媒質是指介電常數或磁介質磁導率處處相等不是空間坐標的函數非均勻媒質是指介電常數或磁介質的磁導率是空間坐標的標量函數,線性媒質(H)的方向無關量,各向異性媒質是指

D)和(H)

的方向相同。2.15什么是時變電磁場?隨時間變化的電荷和電流產生的電場和磁場也隨時間變化,而且電場和磁場相互關聯,密布可分,時變的電場產生磁場,時變的磁場產生電場,統稱為時變電磁場。2.16試從產生的原因,存在區域以及起的效應等方面比較導電流和位移電流(1)傳導電流是電荷的定向運動,而位移電流的本質是變化著的電場。(2)傳導的電流只能存在于導體中,而位移電流可以存在于真空,導體,電介質中。(3)傳導電流通過導體時會產生焦耳熱,而位移電流不會產生焦耳熱。2.17寫出微分形式、積分形的麥克斯方程組,并簡要闡述物理意義。)磁場強度沿任意閉合曲線的環量于穿過以該閉合曲線為周界的任意曲面的S傳導電流與位移電流之和;電場強度沿任意閉合線的環量于穿過以該閉合曲線為周界的任意一曲面的磁通量變化率的負值穿過任意閉合曲面的磁感應強度的通量恒等于0

V過任意閉合曲面的電位移的通量等于該閉合曲面所包圍的自由電荷的代數和。微分形式:時變磁場不僅由傳導電流產生,也由位移電流產生。位移電流代表電位移的變化率,因此該式揭示的是時變電場產生時變磁場時變磁場產生時變電場磁通永遠是連續的,磁場是無散度場任意一點若存在正電荷體密度,則該點發出電位移線,若存在負電荷體密度則電位移線匯聚于該點。2.18麥克斯韋方程組的4個方程是相互獨立的么?試簡要解釋word可編輯.

上的邊界條件為:.....上的邊界條件為:不是相互獨立的其中表明時變磁場不僅由傳導電流產生也是有移電流產生,它揭示的是時變電場產生時變磁場。表明時變磁場產生時變電場,電場和磁場是相互關聯的,但當場量不隨時間變化時,電場和磁場又是各自存在的。2.19電流連續性方程能由麥斯韋方程導出嗎?如果能,試導出,如果不能,明原因。HJ?J?D?

2.20什么是電磁場的邊界條件你能說出理想導體表的邊界條嗎?把電磁場矢量E,D,B,H在同媒質分界面上各自滿足的關系稱為電磁場的邊界條件,理想導體表面?D?B?E0?H3.1電位是如何定義的?中的負號意義是什?由靜電場基本方程即E試中的標量函數

和矢量恒等式知場強度可表示為標量函數的梯度,稱為靜電場的電位函數簡稱電位式中負號表示場強放向與該點電位梯度的方向相反。3.2如果空間某一點的電為零,則點的電位為零,這種說話正嗎?什么?不正確,因為電場強度大小是該點電位的變化率3.4求解電位函數的泊松方程或普拉斯方時,邊界條件有何意義?答邊界條件起到給方程定解作用。邊界條件起到給方程定解得作用。3.5電容是如何定義的?寫出計電容的基步驟。兩導體系統的電容為任一導體上的總電荷與兩導體之間的電位差之比,其基本計算步驟1根導體的幾何形狀,選取合適坐標系2、假定兩導體上分別電荷q和q。3、據假定電荷求E、由21

?求得電位差。5求出比值

3.8什么叫廣義坐標和廣力?你了虛位移的含義嗎?廣義坐標是指系統中各帶電導體的形狀尺寸和位置的一組獨立幾何量而企圖改變某一廣義坐標的力就,就為對印該坐標的廣義力,廣義坐標發生的位移,稱為虛位移3.9恒定電場基本方程的分形式所征的恒定電場性質是什么?恒定電場是保守場,恒定電流是閉合曲線3.10恒定電場和靜電場比擬的論根據是么?靜電比擬的條件是什么?理論依據是唯一性定理,靜電比擬的條件是兩種場的電位都是拉普拉斯方程的解且邊界條件相同word可編輯.

S)2.....S)23.12何定義電感會計算平行雙線,同的電感?在恒定磁場中把穿過回路的磁通量與回路中的電流的比值稱為電感系數,簡稱電感。3.13寫出用磁場矢量B表示的計算磁場能量公式。H?Bv3.14在保持磁接不變的條件下如何計算場力?若是保持電流變,又如何計算磁力?兩種件下得到的結是相同的嗎?兩種情況下求出的磁場力是相同的3.15什么是靜態場的邊值問?用文字述第一類、第二類及三類邊值問題。靜態場的邊值型問題是指已知場量在場域邊界上的值,求場域內的均勻分布問題第一類邊值問已知位函數在場域邊界面S上各點的值,即給定邊界面S上各點的法向導數值,即給定

S

S)第二類邊值問題:已知位函數在場域2。第三類邊值問題:已知一部分邊界面上位函數的值,而在另一部分邊界上已知位函數的法向導數值,即給定

S

S)

和3.16用文字敘述靜態場解的一性定理并簡要說明它的重要義。惟一性定理:在場域V的邊界面上給定的值,則泊松方程或拉普拉斯方程在場域內有惟一解。意義:(1)它指出了靜場邊值問題具有惟一解得條件。在邊界面S上的任一點只需給定的值,而不能同時給定兩者的值;(2)為靜態場值問題的各種求解方法提供了理論依據,為求解結果的正確性提供了判據。3.17什么是鏡像法?其理論據的是什?鏡像法是間接求解邊值問題的一種方法,它是用假想的簡單電荷分布來等效代替分界面上復雜的電荷分布對電位的貢獻。不再求解泊松方程,只需求像電荷和邊界內給定電荷共同產生的電位,從而使求解簡化。理論依據是唯一性定理和疊加原理。3.18如何正確確定鏡像電荷分布?(1)所有鏡像電必須位于所求場域以外的空間中;(2)鏡像電荷的個數,位置及電荷量的大小以滿足場域邊界面上的邊界條件來確定。3.19什么是分離變量法?在么條件下對求解位函數的拉普斯方程有用?分離變量法是求解邊值問題的一種經典方法。它是把待求的位函數表示為幾個未知函數的乘積,該未知函數僅是一個坐標變量函數,通過分離變量,把原偏微分方程化為幾個常微分方程并求解最后代入邊界條件求定解。3.20在直角坐標系的分離變法中,分常數可以是虛數嗎?什么?不可以,k若為虛數為無意義的解。word可編輯.

.....4.1在時變電磁場中是如何引入態位和的?A唯一的因何在?根據麥克斯韋方引入矢量位和標量位得A不唯一的原因在于確定一個矢量場需同時規定該矢量場的散度和旋度,只規定了A的旋度,沒有規定A的散度4.2什么是洛侖茲條件?何要引入侖茲條件?在洛侖茲條件下,A和滿足什么方程?稱為洛侖茲條件,引入洛侖茲條件不僅可得到唯一的A和,同時還可使問題的Aεμ2求解得以簡化。在洛侖茲條件下,A和滿足的方程24.3坡印廷矢量是如何定義的?的物理意?坡印廷矢量其方向表示能量的流動方向小表示單位時間內穿過與能量流動方向相垂直的單位面積的能量4.4什么是坡印廷定理?它的物意義是什?坡印廷定理表明體積V內電磁能量隨時間變化的增長率等于場體積內的電荷電流所做的總功率之和,等于單位時間內穿過閉合面進入體積V內的電磁能流。4.5什么是時變電磁場的唯一性理?它有重要意義時變電磁場的唯一性定理:在以閉合曲面為邊界的有界區域V內,如果給定t=0時刻的電場強度和磁場強度H的初始值,并且在大于或等于0時,給定邊界面S上的電場強度E的切向分量或磁場強度的切向分量,那么,在t大于時,區域V內的電磁場由麥克斯韋方程唯一地確定。它指出了獲得唯一解所必須滿足的條件,為電磁場問題的求解提供了理論依據。4.6什么是時諧電磁場?研究時電磁場有意義以一定角頻率隨時間作時諧變化的電磁場稱為時諧電磁場。時諧電磁場,在工程上,有很大的應用,而且任意時變場在一定的條件下都可以通過傅里葉分析法展開為不同頻率的時諧場的疊加,所以對時諧場的研究有重要意義。4.8時諧電磁場的復矢量是真實矢量場嗎引入復矢量的意義何在?復矢量并不是真實的場矢量,真實的場矢量是與之相應的瞬時矢量。引入復矢量的意義在于在頻率相同的時諧場中可很容易看出瞬時矢量場的空間分布。4.11試寫出復數形式的麥克斯韋方程組。它與瞬時形式的麥克斯韋方程組有何區別?JjB

兩者對照形式的麥克斯韋方程組沒有與時間相關項

4.12復介電常數的虛部描述了質的什么性?如果不用復介電數,如何表示介質耗損?word可編輯.

4.13如何解釋數形式的坡印廷定理的各項的物理意義4.13如何解釋數形式的坡印廷定理的各項的物理意義2它描述了電介質的極化存在的極化損耗,可用損耗角正切

tan

來表征電介質的損耗特性復數形式坡印廷定理為:)?dsωv-W式中WHWH分別是單位體積內的磁損耗電2

)損耗和焦耳熱損耗的平均值,式子右端兩項分別表示體積V內的有功功率和無功率,左端的面積是穿過閉合面S的復功率什么均平波平波均平波何區?均勻平面波指電磁場的場矢量只沿它的傳播方向變化,與波傳播方向垂直的無限大平面內,電場強度E和場強度H的向、振幅和位都不變(?等相面是平面的波是平面波,在等相面上振幅不相等。均勻平面波是平面波的一種特殊情況。5.2波數是樣義?與長什么系在2π的空空間距離內所包含的波長數,稱為波數,通常用k表。k=2π/λ5.3什么是質本阻?由間中征抗值多?電場的振幅與磁場的振幅之比有阻抗的量綱故稱為波阻抗通常用η表示由于η的值與媒質參數有關,因此又稱為媒質的本征阻抗。自由空間中本征阻抗值120π(約377)歐。5.4電磁波相是何義?由空中速值為少電磁波的等相位面在空間中的移動速度稱為相位速度稱相速在自由空間中相速的值為3x10米秒。5.5在理想質均平波相是否頻有?在理想介質中,均勻平面波的相速與頻率無關,但與介質參數有關。5.6在理想質,勻面有些特?(1)電場E磁場傳播方向之互相垂直,是橫電波TEM波。)電場與磁場的振幅不變波抗為實數電場與磁場同相位電磁波的相速與頻率無關)電場能量密度等于磁場能量密度。5.7在導電質,勻面的速與率否關在導電媒質中均平面波的相與頻率有關同一種導電煤質中不同頻率的電磁波的相速是不同的。5.8在導電質均平波電與磁是同位不相同5.9在導電質,勻面具哪些點(1)電場E、磁H與播方向e之間互相垂直,是橫電波TEM波。(2)電和磁場的振幅成指數衰減)阻抗為復數,電場和磁場不同相位)磁波的相速和頻率有關。(5)平均磁場能量密度大平均電場能量密度。5.10趨深是何義?和減數何系表征電磁波的趨膚程度定義為電磁波幅值衰減為表面值的1/e(0.386)時電磁波所傳播的距離。趨膚深度δ=1/α,α為減常數。5.11什是導?和通體何同良導體指σ/(ω1的質良導體中傳電流起主要作用位移電流的影響很小,可以忽略。5.12什是的化什是極、極和圓極?word可編輯.

.....由于電磁波的分量振幅和相位不一定相同此在空間任意一點上成電場矢量E的大小和方向會隨時間變化這現叫電磁波的極化電場強度矢量端點軌跡為直線時稱為直線極化波,為圓時稱為圓極化波,為橢圓時稱為橢圓極化波兩個相直線化疊,什情下分是線極波圓化、圓極波電場的x分量和y分相位相同或相差π時為直線極化波的x分量y分振幅相等、相位相同或相差/2時為極波;電場的兩個分量振幅和相位都不相等時,合成波為橢圓極化波。5.14知圓化是旋是旋何義如判圓化是左還是旋以左手大拇指朝向波的傳播方向余四指的轉向與電場E的點方向一致為左旋極化波以手大拇指朝向波的傳播方向余四指的轉向與電場E的端方向一致則為右旋極化波;5.15什是速它相有區?包絡波上任一恒定相位點的推進速度無描述由多頻率成分組成的信號在色散媒質中的傳播速度。(這個對不對啊==)5.16什是的散何正色?謂常散電磁波相速隨頻率改變色現象。速著頻率升高而減小ν<ν,即群速小于相速,稱為正常色散。,即相速隨著頻率升高而增加,此時ν>ν,即群速大于于相速,稱為反常色散。5.17什是拉旋效?生原是么5.18直極波否磁等子中播6.1試述反系和射數定,他之存什關?反射波電場振幅E與射波電振幅E的值為分界面上反射系數用??示透波電場振幅與射波電場振幅E的值為分界面上透射系數,用τ表示1+??=。6.2什么是波它行有區別合成波在空間中沒有移動,只是在原來的位置震動,這種波稱為駐波。行波在傳播過程中,合成波沿波傳播方向移動;駐波不發出電磁波能量的傳輸,行波發生。你對不)6.3什么情下射數于0什情下射數于0?η>η時,射系數Γ>0,η<η時,反射系數Γ<06.4均勻平波理導表垂入射,想體面合波什特?eq\o\ac(○,1)場強度按正弦規律變化,磁場強度按余弦規律變化;eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,)合波為駐波,

為電場波節點,

為電場波腹點磁波節點是電的波腹點場的波腹點是電場的波節點。eq\o\ac(○,3)E和駐波在空間錯開λ,時間上錯開π/2的移。eq\o\ac(○,4)波不發生能量傳輸。6.5均勻平波直射兩理媒質界,在么況,分面的成電為最值在么況,界上合波場最值當Γ>0η>η時,word可編輯.

處合波電場振幅最大=E(1+Γ)

.....處合成波電場振幅最小,|E(z)|=EΓ);當,即η<η時

,合成波電場振幅最大,=E(1-Γ),

處,合成波電場振幅最小,=EΓ);6.6一個右極波直射兩媒質界上其射是么化?6.7試述駐比定,和射數之有關?駐波比是成波電場強度的最大值與最小值之比。6.8什么是阻?么況波抗等媒的征抗定義平面波的波阻抗為Z=E/H,質中傳輸TEM(橫電磁波的時候波阻抗等于媒質的本征阻抗(網上找的)6.9什么是位配件Ksin??=ksin??sin??稱分界面上的相位匹配條件。6.10什是射律折定?反射定(斯耐爾反射定律射角等于入射角??=??折定(斯耐爾折射定律6.11什是射面什是直化射?么平極入射?在斜入射的條件下入射波的波矢量與分界面法線矢量構成的平面稱為入射平面入波電場垂直于入射平面則為直極化波若入射波電場平行于入射平面稱為平行極化波。6.12什是反現?什情下發全射象如計算反的界?透射波完全平行于分界面傳播稱為全反射。當????2且入射角不小于

時發生全反射。臨界角為上邊那個式==6.13發全射透媒中否在磁?特是么存在仍分界面方向傳播但幅沿垂直于分界面的方向上按指數規律衰減此透射波主要存在于分界面附近,稱這種波為表面波。6.14什是透現?么況會生透現?何算布斯角當平面波從媒質1入到媒質2時若反射系數等于0則電磁功率全部透射到媒質2,稱為全透射。入射角為布儒斯特角時發生全透射。布儒斯特角:6.15什是面?什情下勻面透媒分面會成表波沿分界面方向傳播振幅沿垂直界面的方向上指數衰減要存在于分界面附近的波叫表面波。均勻平面波透過媒質發生全反射時,即入射角不小于臨界角

時,會稱為表面波。圓極波布斯角射兩非性質界上,其射和射分是什極波6.17平極波入到想體面時理導外的成波有么點word可編輯.

.....eq\o\ac(○,1)成波沿平行于分界面的方向傳播,其相速為導體表面的方向呈駐波狀態,而且合成波磁場在

eq\o\ac(○,2)合成波的振幅在垂直于處達到最大值。eq\o\ac(○,3)成波是非均勻平面波eq\o\ac(○,4)波的傳播方向上不存在磁場分量存電場分量稱這種電磁波為橫磁波,簡稱TM波。6.18垂極波入到想體面時理導外的成波有么點eq\o\ac(○,1)成波沿平行于分界面的方向傳播,其相速為導體表面的方向呈駐波狀態而合成波電場在

eq\o\ac(○,2)合成波的振幅在垂直于處為0eq\o\ac(○,3)成波是非均勻平面波eq\o\ac(○,4)波的傳播方向上不存在電場分量但存在場分量故這種電磁波為橫電波簡稱TE波。7.1什么是波統什是勻波系?導波系統:引導電磁波沿一定方向傳播的裝置。7.2寫出均導系中縱場量與向分的系7.3寫出矩波中向分H滿足方和界件zz邊界條件:7.4沿均勻導播波哪種本形?橫電波,又稱TEM波無E分和H分量橫磁波又稱TM波,包含非零E分量,H=0;橫電波又稱TE波,含非零的H的分E。7.5波阻抗定是么平面波的波阻抗為(上的)7.6試述均導系中TEM波TM波和TE波傳播性寫出矩形導波和TE波截波、止率相常數波波、速、阻和播件7.8矩形波中波否在散?word可編輯.

.....7.9試說明什單體空或充電質波管能播TEM波?假如在波導內存在TEM波由磁場只有橫向分量則磁力線應在橫向平面內閉合這時要求波導內存在縱向的傳導電流或位移電流是因是單導體波導其內沒有縱向傳導電流。又因為TEM波向電場E=0所以也沒有縱向的位移電流。7.10波可有個上截頻?導截頻取于么因?什么波的模矩波、柱波和軸波的模是么式相的截波各什?主模是波導眾多傳輸模式中截止頻率最低的模式形導TE模??=2a柱形波導

模,??=3.41a同軸波導TEM模:??>(a+b。7.12什是式并矩波中模簡和柱波中模式并何同由于相同的m、n組,TM模TE模的截止波數k相同,這種情況叫模式簡并。圓柱波導中存在模式的雙重簡并,其一,不同模式具有相同的截止波長,因TE模TM模在模式簡并現象,這種簡并稱為E-H簡并,這和矩形波導中的模式簡并相同。其二,從TE波和波的分量表示式可知,當≠0,對于同一個TM模TE模有兩個場結構,它們與坐標的系分別為sinm和cos,種簡并稱為極化簡并,是圓柱形波導中特有的。7.13試出形導的模三坐截上場及壁流分。7.14何分參?寫均傳線電電方。分別出知端壓電和知端壓流件均勻輸上電電分布傳輸特阻的義什?入抗定是么分別出端路終開路??/4??/2及Z=Z(負阻等特阻)無均勻輸的入抗L0傳輸線特征阻抗的定義輸線上行波電壓與行波電流之比輸線任意點的電壓與電流的比值定義為該點沿像負載方向看去的輸入阻抗端短路(??)=jZtan??開路:Z(??)=jZcotβ????/4。??/2=Z負載阻抗等于特征阻抗):Z(??)=Z。7.17什是射數什是波數行系?傳輸線上某點的反射波電壓與入射波電壓之比定義為該點的反射系數線電(電流最大值與電(電流)最小值之比為電(電)駐波系數系定義為駐波系數的倒數7.18傳線幾工狀?應條是么有么點傳輸線有三種工作狀態:eq\o\ac(○,1)行波態,條件:傳輸線上無反射波出現,只存在入射波,即

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