电磁场与电磁波课后习题及答案六章习题解答

1、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之中，如题图所示。滑片的位置由确定，轨道终端接有电阻，试求电流i. 解 穿过导体回路abcda的磁通为 故感应电流为 一根半径为a的长圆柱形介质棒放入均匀磁场中与z轴平行。设棒以角速度绕轴作等速旋转，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 故介质棒内的极化强度为 极化电荷体密度为 极化电荷面密度为 则介质体积内和表面上同单位长度的极化电荷分别为 平行双线传输线与一矩形回路共面，如题图所示。设、，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

2、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 式中 故 则 l，分别通过以直流电源供应电压U和时变电源供应 有一个环形线圈，导线的长度为0电压U（t）。讨论这两种情况下导线内的电场强度E。 解 设导线材料的电导率为，横截面积为S，则导线的电阻为 而环形线圈的电感为L，故电压方程为 当U=U时，电流i也为直流，。故 0 此时导线内的切向电场为 当U=U（t）时，故 即 求解此微分方程就可得到。 l。设外加电压为，试，长为b 一圆柱形电容器，内导体半径为a，外导体内半径为计算电容器极板间的总位移电流，证明它等于电容器的传导电流。 解 当外加电压的频率不是很高时，圆柱

3、形电容器两极板间的电场分布与外加直流电压 ，即时的电场分布可视为相同（准静态电场） 故电容器两极板间的位移电流密度为 则 l的圆柱形电容器的电容。式中，是长为 流过电容器的传导电流为 可见 由麦克斯韦方程组出发，导出点电荷的电场强度公式和泊松方程。 解 点电荷q产生的电场满足麦克斯韦方程 和 由得 据散度定理，上式即为 利用球对称性，得 故得点电荷的电场表示式 由于，可取，则得 即得泊松方程 试将麦克斯方程的微分形式写成八个标量方程：（1）在直角坐标中；（2）在圆柱坐标中；（3）在球坐标中。 解 （1）在直角坐标中 （2）在圆柱坐标中 （3）在球坐标系中 已知在空气中，求和。 E代入直角坐标中

4、的波方程，可求得。 提示：将E应满足波动方程电场 解 将已知的代入方程，得 式中 故得 则 由 得 将上式对时间t积分，得 已知自由空间中球面波的电场为 Hk。和求 EkE相，代入波动方程来确定也可以直接由麦克斯韦方程求与 解 可以和前题一样将H。而此磁场又要产生与之相伴的电场，同样据麦克斯韦方程求得。将两个电场比伴的磁场较，即可确定k的值。两种方法本质上是一样的。 由 得 t积分，得 将上式对时间 （1） 将式（1）代入 得 t积分，得 将上式对时间 （2） 将已知的 与式（2）比较，可得 E分量应略去，且，即含项的 r 将代入式（1），得 EB表示麦克斯韦方程。试推导在线性、无损耗、各向同

5、性的非均匀媒质中用 和 解 注意到非均匀媒质的参数是空间坐标的函数，因此 而 因此，麦克斯韦第一方程 变为 又 故麦克斯韦第四方程变为 EB表示的麦克斯韦方程组为和 则在非均匀媒质中，用 写出在空气和的理想磁介质之间分界面上的边界条件。 解 空气和理想导体分界面的边界条件为 根据电磁对偶原理，采用以下对偶形式 即可得到空气和理想磁介质分界面上的边界条件 J为表面磁流密度。 式中，ms 提出推导的详细步骤。 解 如题图所示，设第2区为理想导体（）。在分界面上取闭合路径。对该闭合路径应用麦克斯韦第一方程可得 （1） 因为为有限值，故上式中 而(1)式中的另一项 N为闭合路径所围面积的单位矢量取（其

6、指向与闭合路径的为闭合路径所包围的传导电流。绕行方向成右手螺旋关系），则有 因 故式（1）可表示为 （2） 应用矢量运算公式，式（2）变为 故得 （3） 由于理想导体的电导率，故必有，故式（3）变为 在由理想导电壁（）限定的区域内存在一个由以下各式表示的电磁场： 这个电磁场满足的边界条件如何？导电壁上的电流密度的值如何？ 解 如题图所示，应用理想导体的边界条件可以得出 x=0处，在 x=a处，在 EH。和磁场的法向分量上述结果表明，在理想导体的表面，不存在电场的切向分量 xyx=0的表面上，电流密度为另外，在 x=a的表面上，电流密度则为 在 海水的电导率，在频率f=1GHz时的相对介电常数。

7、如果把海水视为一等效的电介质，H的微分方程。对于良导体，例如铜，比较在f=1GHz时的位移电流和传导电流的幅度。写出H的微分方程。 可以看出，即使在微波频率下，良导体中的位移电流也是可以忽略的。写出H的微分方程为对于海水， 解 即把海水视为等效介电常数为的电介质。代入给定的参数，得 对于铜，传导电流的幅度为，位移电流的幅度。故位移电流与传导电流的幅度之比为 H的微分方程可见，即使在微波频率下，铜中的位移电流也是可以忽略不计的。故对于铜，为 计算题中的能流密度矢量和平均能流密度矢量。 解 瞬时能流密度矢量为 为求平均能流密度矢量，先将电磁场各个分量写成复数形式 故平均能流密度矢量为 JEH的波动

8、方程。的无损耗媒质中 写出存在电荷和J时，麦克斯韦方程组为 存在外加源和解 （1） （2） （3） （4） 对式（1）两边取旋度，得 而 故 （5） 将式（2）和式（3）代入式（5），得 H的波动方程，是二阶非齐次方程。这就是 同样，对式（2）两边取旋度，得 即 （6） 将式（1）和式（4）代入式（6），得 E满足的波动方程。 此即对于正弦时变场，可采用复数形式的麦克斯韦方程表示 （7） （8） （9） （10） 对式（7）两边取旋度，得 利用矢量恒等式 得 （11） 将式（8）和式（9）代入式（11），得 H满足的微分方程，称为非齐次亥姆霍兹方程。此即 同样，对式（8）两边取旋度，得 即 （

9、12） 将式（7）和式（10）代入式（12），得 E满足的微分方程，亦称非齐次亥姆霍兹方程。 此即A在应用电磁位时，如果不采用洛伦兹条件，而采用所谓的库仑规范，令，试导出 和所满足的微分方程。 A的关系式 解 将电磁矢量位 和电磁标量位的关系式 代入麦克斯韦第一方程 得 利用矢量恒等式 得 1）（ 又由 得 即（ 2） 按库仑规范，令，将其代入式（1）和式（2）得（ 3）（ 4）A 和所满足的微分方程。）就是采用库仑规范时，电磁场式（3）和式（4 设电场强度和磁场强度分别为 证明其坡印廷矢量的平均值为 解 坡印廷矢量的瞬时值为 故平均坡印廷矢量为 A ，可以引入一个矢量位 证明在无源空间（）和标量位，定义为m 和的微分方程。试推导m 解 无源空间的麦克斯韦方程组为（1） （） 2（ 3）（ 4） D 可表示为一个矢量的旋度，故令）据矢量恒等式和式（4，知（ ）5 ）代入式（将式（51，得） 即（ ） 6 根据矢量恒等式和式（，知可表示为一个标量的梯度，故令6）（ ）7 将式（）代入式（）2，得7）和式（5 （） 8 而 故式（8）变为 （9）