西电电磁场大作业

1、 学 院：电子信息工程学院 姓 名： 学 号： 课题一： 1873年，英国物理学家麦克斯韦出版了巨著A Treatise on Electricity and Magnetism,集中总结了他的电磁场理论。提出了电磁场方程组，预言了电磁波的存在，指出了电磁波与光波的同一性。搜索此原文，精读并撰写学习体会。麦克斯韦于1873年正式出版了集电磁学理论之大成的巨著一一电磁通论（A Treatise on Electricity and Magnetism）。这是一部系统而完整的电磁学经典著作，又是一部极为优秀的电磁学教科书。书中汇总了他过去电磁学研究的心得和几篇论文的主要观点，全面系统地总结了前人有

2、关电磁现象的发现和研究成果，并给出其理论解释和数学表述，形成一套系统的，更具普遍性和预言能力的一般性理论，达到数理统一的高度。这部著重大意义，完全可以同牛顿的自然哲学的数学原理和达尔文的物种起源相提并论。麦克斯韦方程组在电磁学中的地位和牛顿定律在力学中的地位相当，堪称经典。其物理概念清新，数学结构优美，电磁时空对称，逻辑体系严密的特点令无数科学人啧啧称奇。且适用范围极广，不仅适用于高速微观领域，其理论更适用于电学，电磁学，光学等等。从麦克斯韦方程组的建立过程中，我可以领悟到，麦克斯韦的成功绝非偶然。他的严谨，刻苦，务实，坚毅，正是科研人员最需要的素质。我们也可以从他的科研方法上看到其蕴含的丰富

3、的物理思想。如麦克斯韦把电场、磁场、流速场类比，使法拉第的科学思想数学化，为建立电磁场理论过程跨出了重要的一步。麦克斯韦重视物理实验,善于运用数学工具分析物理问题,善于精确表述科学思想，善于从实验出发，经过敏锐的观察和思考，应用娴熟的数学技巧，经过慎密的分析和推理,大胆提出假设,建立新理论,并使其理论接受实验的检验从而形成系统、完整的理论。由此可见，寻找正确的适用于自己的方法，保持谦逊严谨的科研态度，务实勤奋的科研作风，才能在科研路上取得累累硕果。课题二：“场”的概念是哪位科学家首先提出？（1850，M. Faraday）,搜索资料详细叙述。“力线”和“场”概念的提出2000多年前,人们就发现

4、了带电体之间、磁石之间具有相互作用。对于这种现象，历代的科学家都提出了不同的看法和解释。有的认为是超距的瞬时作用，有的则认为是供助于中介空间的近距离作用。由于人们看到的只是物体之间的排斥和吸引，至于带电体和磁石周围究竟是什么，既看不见，也摸不着，只能是一种推测。在很长一段时间里,电磁相互作用的超距观点在物理学中占统治地位，不少学者都用超距的瞬时作用描述电磁现象。然而法拉第却与众不同，他不仅是超距作用的判逆者，而且在实验和理性思维相结合的基础上提出了“力线”和“场”的思想。1821年法拉第关于载流导线绕磁极转动的研究，使他认识到：磁力是圆形力，圆形力是简单的，且能用于电磁现象的解释。他还认为载流

5、导线周围必定存在着某种“张力”状态，这种张力是可以通过媒介传递的近距作用，这里已初步包含了“力线”和“场”概念的胚种。电磁感应现象的发现，使“力线”概念成了法拉第思想的核心.1831年11月24日，法拉第在向英国皇家学会宣读电磁感应的论文中首次使用“磁力线”这个词。他称磁力线是这样一些曲线，“它们能用铁屑描绘出来，或者对于它们来说,一根小磁针将构成一条切线。”以后他在实验中经常地、大量地用铁屑显示磁力线，并把它作为思考问题的工具.随着实验的进展,法拉第对磁力线的概念认识也逐步深入.1832年3月26日，他在日记中写到,与磁力线类似,在带电体之间有“电力线”。1837年他在研究介质如何影响电力时

6、发现，用一块绝缘材料隔开的两个导体板组成的电容器，比由真空隔开的电容器能够容纳更多的电荷量，而板间所夹的物质不同，电容器容纳的电量也不同。为了解释这种现象，他假设介质中的分子产生了某种极化状态，两金属板上的电荷是借助于板间电介质内相互邻近的极化分子的作用逐点传递过去的，他把介质分子的这种极化状态推广到真空中的以太粒子的形变上，这种形变是沿着曲线传播的,由此明确地引入了“电力线”的概念.上述工作使法拉第坚信,电和磁的作用不是没有中介地从一个物体传到另一个物体。他设想在磁体、载流导体、带电体的周围空间存在着某种由磁和电产生的像以太那样的连续介质，起着传递磁力和电力的媒介作用，这实际上是“场”概念的

7、萌芽。1845年他第一次使用了“磁场”这个词，两年后他又单独使用“场”这个词，这是物理学中第一次提出的作为近距作用的“场”的概念。法拉第不仅提出了场的物理概念，而且还深刻地提出了电磁作用传播的思想，指出电磁作用的传播是需要时间的，这与瞬时的超距作用观点是根本对立的。课题三：电磁场理论可用于产品的概念设计电磁场理论可用于产品的概念设计。比如，超导磁共振成像的均匀强磁场获得。搜索资料，阐述某一产品设计概念设计中，用到的电磁场理论基础知识。 微波炉是一种用微波加热食品的现代化烹调灶具。微波是一种电磁波。这种电磁波的能量不仅比通常的无线电波大得多，而且还很有"个性"，微波一碰到金属

8、就发生反射，金属根本没有办法吸收或传导它；微波可以穿过玻璃、陶瓷、塑料等绝缘材料，但不会消耗能量；而含有水分的食物，微波不但不能透过，其能量反而会被吸收。 从1992年11月开始实施了中日地震电磁波观测和研究项目,该电磁波观测资料真实完整地观测记录到丽江等29次近震电磁波异常的发展过程;对29个地震的特征作了对比观测研究,表明地震电磁波异常有3种发展类型,与之对应建立了3种地震电磁波预报规则;初步提出利用地震电磁波预报地震的模式;分析、讨论TOA电磁波监测系统的优越性,并在一定程度上对发展地震电磁波观测找到了有效的前兆信息观测方法和监测系统。这将对地震电磁波的观测和研究以及对地震短临预报起到一

9、定的推动作用。 课题四：编制程序绘制电偶极子的电场与电位3D和2D空间分布图。Matlab源程序如下电势分布模拟：q=1; d=2; e0=8.854187817*10.-12; x=-3:0.1:3; y=-3:0.1:3; x,y=meshgrid(x,y); z=q.*(1./sqrt(y-1).2+x.2)-1./sqrt(y+1).2+x.2)./(4*pi*e0); mesh(x,y,z);图像： 电场分布，源程序如下： q=1;d=2; e0=8.854187817*10.-12; x=-3:0.1:3; y=-3:0.1:3; x,y=meshgrid(x,y); z=q.*(

10、1./sqrt(y-1).2+x.2+0.01)-1./sqrt(y+1).2+x.2+0.01)./(4*pi*e0);contour(x,y,z); px,py=gradient(z); hold on streamslice(x,y,px,py,'k')图像：课题五：证明金属导体内的电荷总是迅速扩散到表面，弛豫时间？证明：将代入电流连续性方程，考虑到介质均匀，有 由于 则将其代入前式可得 eerr=ÑÑ=×Ñ=×Ñ 所以任意瞬间的电荷密度为 其中是时的电荷密度，式中具有时间

11、的量纲，称为导电介质的弛豫时间或时常数，它是电荷密度减少到其初始值的所需的时间，由上式可见电荷按指数规律减少，最终流至并分布于导体的外表面。课题七：求置于无限大接地平面导体上方距导体面h处的点电荷q的电位，绘制电位分布图；并求解、绘制无限大接地平面上感应电荷的分布图。 利用镜像法，可以将无限平面导体改换成一个镜像电荷，坐标是(0, 0, -h)，电量为-q，在z>0的任意点(x, y, z)，新系统的电势与原本系统的电势完全相同；而且满足边界条件导体的电位为零。在空间直角坐标系中，电位可表示为无线大平面导体的感应电荷密度(x,y)为代码：clearq=1;h=2;eps=1/(36*pi

12、)*10(-9);x=-3:0.1:3;y=-3:0.1:3;x,y=meshgrid(x,y);z=q.*(1./sqrt(y-h).2+x.2+0.01)-1./sqrt(y+h).2+x.2+0.01)./(4*pi*eps); rou=q*h./(x.2+y.2+h2).(3/2);figure(1);contour(x,y,z,100);px,py=gradient(z);streamslice(x,y,-px,-py,'k')axis(-3 3 0 3);xlabel('x');ylabel('y');grid ontitle(

13、9;电场/电位分布图')figure(2);contourf(x,y,rou);title('感应电荷分布图')课题八： 沿z向分布无限长线电荷等距置于x=0平面两侧，距离d，线密度分别为l ，-l，求解电位且绘制等位面方程。仿照点电荷的平面镜像法，可知线电荷的镜像电荷为-l，位于原电荷的对应点。以原点为参考点。得线电荷l电位为同理得镜像电荷-l𝜌电位任一点（x,y）的总电位用直角坐标表示为其等位面方程为m为常数，方程可化为该方程表示圆心在（x0,y0），半径为R0的一族圆每给定一个m（m>0），对应一个等位圆，此圆电位是现用MATLAB画出不同m

14、值时的等位圆图，设d=1，l=1.6×程序如下： X,Y=meshgrid(-1.5:0.01:1.5,-0.5:0.01:0.5);fi=1.6e-19/(4*pi*8.854e-12).*log(X+1).2+Y.2)./(X1).2+Y.2);m=sqrt(X+1).2+Y.2)./(X-1).2+Y.2);c,h=contour(X,Y,fi,'k'); clabel(c,h); hold on grid on xlabel('Y') ylabel('X') 运行结果：课题九横截面如图所示的导体长槽，上方有一块与槽相互绝缘的导体

15、盖板，截面尺寸为a×b=10×10cm，槽体的电位为零，盖板的电位为U0=100V，采用有限差分法求此区域内的电位并绘制等位线。clear；clc;hx=17;hy=11;v1=ones(hy,hx);v1(hy,:)=zeros(1,hx);for i=1:hy v1(i,1)=0; v1(i,hx)=0;end;v2=v1;maxt=1;t=0;k=0;while(maxt>1e-6)k=k+1;maxt=0;for i=2:hy-1 for j=2:hx-1 v2(i,j)=(v1(i,j+1)+v1(i+1,j)+v2(i-1,j)+v2(i,j-1)/4;t

16、=abs(v2(i,j)-v1(i,j);if (t>max) max=t;end;end;end;v1=v2;end;subplot(1,2,1)mesh(v2);axis tight;subplot(1,2,2)contour(v2,10);hold on x=1:1:hx;y=1:1:hy;xx,yy=meshgrid(x,y);gx,gy=gradient(v2,1,1);axis tight;plot (1,1,hx,hx,1,1,hy,hy,1,1, 'k');课题十： .设计计算机程序绘制无耗、无界、无源简单煤质中的均匀平面电磁波传播的三维分布图（动态、静态

17、均可）。源程序：clc;clear;close all;% 设定程序中所用参数e0 = 1e-9/(36*pi);%真空中的介电常数u0 = pi*4e-7;%真空的磁导率f = 3e8;%电磁波的频率w = 2*pi*f;%角频率beta = w*sqrt(u0*e0);%相位常数Z0 = sqrt(u0/e0); %理想介质的波阻抗phye = pi/4; % Ey 的初始相位。Ey_m = 50; % Ey 的幅值x = linspace(0,6,500);% x 轴t = 0;%设置 t 的初值，t的单位是 nsa_zero = zeros(1,length(x); %全零矩阵Ey =

18、 Ey_m*cos( w*t*1e-9 - beta*x + phye ); %电场 Ey 的表达式figure; %作图显示n = 1;%用来作为动画每一帧的变量y = 0:10;X,Y = meshgrid(x,y); %利用函数 meshgrid 将矢量映射成二维数组。for t = 1:0.05:400 Ey = Ey_m*cos( w*t*1e-9 - beta*X + phye ); surf(X,Y,Ey); %利用函数 surf 绘制Ey 曲面图。 shading interp; colormap(jet); xlabel('沿 x 轴方向传播'); ylabe

19、l('y轴'); zlabel('电场 Ey'); title('均匀平面电磁波电场 Ey的波阵面的传播'); M(n)=getframe; n = n+1; endmovie(M,10);仿真结果课题十一：设计计算机程序绘制良导体中均匀平面电磁波传播的三维分布图（动态、静态均可），以及场强随集肤深度的变化规律。代码：z=0:pi/30:6*pi;x=zeros(1, 181);y=zeros(1, 181);alpha=0.03;E0=0.5;H0=0.3;Ex=E0*exp(-alpha*z).*sin(z);Hy=H0*exp(-alpha

20、*z).*sin(z);figure(1);plot3(Ex, z, y,'r','LineWidth',2);hold on;x1=0.5*ones(1,21);y1=zeros(1,21);z1=0:20;plot3(x1,z1,y1,'b-','LineWidth',2);plot3(x, z, Hy,'b');x2=zeros(1,21);y2=0.3*ones(1,21);plot3(x2,z1,y2,'b-','LineWidth',2);grid on;set(gca,

21、'ydir','reverse','xaxislocation','top');xlabel('Ex(V/m)');zlabel('Hy(A/m)');ylabel('z(m)');legend('Ex', 'Hy');figure(2);delta=0:0.001:1;E=0.5*exp(-1./delta);plot(delta,E);xlabel('(m)');ylabel('E(V/m)');title('场强随集肤深度变化关系曲线')课题十二：编制计算机程序，动态演示电磁波的极化形式。对于均匀平面电磁波，当两个正交线极化波的振幅与初相角满足不同条件时，合成电磁波的电场强度矢量的模随时间变化的矢端轨迹。解