《电磁场与电磁波》必考复习题(2013年)

-1-电磁场与电磁波2013期末复习题一．填空题1．已知矢量2z2y2xzexyexeA，则A=zxyx222，A=2yez。2．矢量BA、垂直的条件为0BA。3．理想介质的电导率为0，理想导体的电导率为，欧姆定理的微分形式为EJ。4．静电场中电场强度E和电位φ的关系为E，此关系的理论依据为0E；若已知电位22z3xy2，在点（1,1,1）处电场强度E642zyxeee。5．恒定磁场中磁感应强度B和矢量磁位A的关系为AB；此关系的理论依据为0B。6．通过求解电位微分方程可获知静电场的分布特性。静电场电位泊松方程为/2，电位拉普拉斯方程为02。7．若电磁场两种媒质分界面上无自由电荷与表面电流，其DE、边界条件为：_021EEen_和021DDen；HB、边界条件为：021BBen和021HHen。8．空气与介质)4(2r的分界面为z=0的平面，已知空气中的电场强度为4e2eeEzyx1,则介质中的电场强度2Ezyxeee2。9.有一磁导率为µ半径为a的无限长导磁圆柱，其轴线处有-2-无限长的线电流I，柱外是空气（µ0），则柱内半径为1处磁感应强度1B=12Ie；柱外半径为2处磁感应强度2B=202Ie。10．已知恒定磁场磁感应强度为z4emyexeBzyx,则常数m=5。11．半径为a的孤立导体球，在空气中的电容为C0=a04；若其置于空气与介质（ε1）之间，球心位于分界面上，其等效电容为C1=a)(210。12．已知导体材料磁导率为μ，以该材料制成的长直导线单位长度的内自感为8。13．空间有两个载流线圈，相互平行放置时，互感最大；相互垂直放置时，互感最小。14．两夹角为n(n为整数)的导体平面间有一个点电荷q，则其镜像电荷个数为（2n-1）。15．空间电场强度和电位移分别为DE、，则电场能量密度we=DE21。16．空气中的电场强度)2cos(20kzteEx，则空间位移电流密度DJ=)/()2sin(4020mAkztex。17．在无源区内，电场强度E的波动方程为0222tEE或-3-022EE。18．频率为300MHz的均匀平面波在空气中传播，其波阻抗为）（120，波的传播速度为)/(1038sm，波长为)(1m，相位常数为)/(2mrad；当其进入对于理想介质(εr=4，μ≈μ0)，在该介质中的波阻抗为）（60，传播速度为)/(105.18sm，波长为)(5.0m，相位常数为)/(mrad。19．已知平面波电场为zjyxieeje(EE)0，其极化方式为右旋圆极化。20．已知空气中平面波)86(,zxjmeEezxEy，则该平面波波矢量k86zxee，角频率ω=)/(1039srad，对应磁场z,xH)/(6.08.0120)86(mAeeeEzxjzxm。21．海水的电导率σ=4S/m，相对介电常数81r。对于f=1GHz的电场，海水相当于一般导体（98）。22．导电媒质中，电磁波的相速随频率变化的现象称为色散。23．频率为f的均匀平面波在良导体（参数为、、）中传播，其衰减常数α=f，本征阻抗相位为4/，趋肤深度δ=f/1。24．均匀平面波从介质1向介质2垂直入射，反射系数Γ和透射系数τ的关系为1。-4-25．均匀平面波从空气向0,25.2r的理想介质表面垂直入射，反射系数Γ=2.0，在空气中合成波为行驻波，驻波比S=5.1。26．均匀平面波从理想介质向理想导体表面垂直入射，反射系数Γ=1，介质空间合成电磁波为驻波。27．均匀平面波从理想介质1向理想介质2斜入射，其入射角为θi,反射角为θr,折射角为θt，两区的相位常数分别为k1、k2，反射定律为ir，折射定律为21sinsinkkit。28．均匀平面波从稠密媒质(ε1)向稀疏媒质(ε2)以大于等于c12arcsin斜入射，在分界面产生全反射，该角称为临界角；平行极化波以b12arctan斜入射，在分界面产生全透射，该角称为布儒斯特角。29．TEM波的中文名称为横电磁波。30．电偶极子是指几何长度远小于波长、载有等幅同相电流的电流线，电偶极子的远区场是指1kr区域的场。二．简答题1.导电媒质和理想导体形成的边界，电流线为何总是垂直于边界？-5-答：由边界条件，电场的切向分量连续，而理想导体中的电场为零，故边界导体一侧的电场切向分量为0，从EJ可知电流线总是垂直于边界。2．写出恒定磁场中的安培环路定律并说明：磁场是否为保守场？答：恒定磁场中的安培环路定律为SCSdJldH因为电流密度不为零，所以磁场不是保守场。3．电容是如何定义的？写出计算双导体电容的基本步骤。答：单导体的电容为qC双导体的电容定义为UqC计算双导体电容的基本步骤：(1)选取合适的坐标系;(2)假设其中一个导体带电荷q，另一个导体带电荷q;(3)求导体间的电场；(4)由21ldEU计算两导体间的电压；(5)求电容UqC。4．叙述静态场解的惟一性定理，并简要说明其重要意义。-6-答：静态场解的惟一性定理:在场域V的边界面S上给定或n的值，则泊松方程或拉普拉斯方程在场域V中具有惟一值。惟一性定理的重要意义:给出了静态场边值问题具有惟一解的条件；为静态场边值问题的各种求解方法提供了理论依据；为求解结果的正确性提供了判据。5．什么是镜像法？其理论依据是什么？如何确定镜像电荷的分布？答：镜像法是用位于场域边界外虚设的较简单的镜像电荷分布来等效替代该边界上未知的较为复杂的电荷分布，从而将原含该边界的非均匀媒质空间变换成无限大单一均匀媒质的空间，使分析计算过程得以明显简化的一种间接求解法。镜像法的理论基础——解的惟一性定理。确定镜像电荷的两条原则：①像电荷必须位于所求解的场区域以外的空间中；②像电荷的个数、位置及电荷量的大小以满足所求解的场区域的边界条件来确定。6．分别写出麦克斯韦方程组的积分形式、微分形式并做简要说明。答：麦克斯韦方程组的积分形式：-7-自由电荷的代数和。合曲面包含的电位移的通量等于该闭—穿过任意闭合曲面的—。于磁感应强度的通量恒等—穿过任意闭合曲面的—通量变化率的负值。为周界的任一曲面的磁以该闭合曲线曲线的环量，等于穿过—电场强度沿任意闭合—。导电流与位移电流之和为周界的任一曲面的传以该闭合曲线曲线的环量，等于穿过—磁场强度沿任意闭合—VSSSCCSdVSdDSdBSdtBldESdtDJldH00麦克斯韦方程组的微分形式：—电荷产生电场。—线总是闭合曲线。—磁场是无散场，磁力—。—变化的磁场产生电场—场都能产生磁场。—传导电流和变化的电—DBtBEtDJH07．写出坡印廷定理的积分形式并简要说明其意义。答：坡印廷定理的积分形式VVSVVtdd)2121(ddd)(JEBHDESHE式中VVtd)2121(ddBHDE——在单位时间内体积V中所增加的电磁能量。VVdJE——单位时间内电场对体积V中的电流所作的功；对导电媒质，即为体积V内总的损耗功率。SSHEd)(——单位时间内通过曲面S进入体积V的电磁能量。物理意义：在单位时间内，通过曲面S进入体积V的电磁-8-能量等于体积V中所增加的电磁场能量与损耗的能量之和——能量守恒！。8．什么是波的极化？说明极化分类及判断规则。答：波的极化:在电磁波传播空间给定点处，电场强度矢量的端点随时间变化的轨迹，或者说是在空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变化的特性分为线极化、圆极化、椭圆极化三种。判断规则：根据两正交分量的振幅或/和两者初相角的相对大小来确定，如果或0xy，则为线极化；若xmymEE，且2/xy，则是圆极化波；其它情况是椭圆极化波。9．分别定性说明均匀平面波在理想介质中、导电媒质中的传播特性。答：理想介质中的均匀平面波的传播特点：电场、磁场与传播方向之间相互垂直，是横电磁波（TEM波）；无衰减，电场与磁场的振幅不变；波阻抗为实数，电场与磁场同相位；电磁波的相速与频率无关，无色散；电场能量密度等于磁场能量密度，能量的传输速度等于相速。导电媒质中均匀平面波的传播特点：●电场强度E、磁场强度H与波的传播方向相互垂直，是横-9-电磁波（TEM波）；●媒质的本征阻抗为复数，电场与磁场相位不同，磁场滞后于电场角；●在波的传播过程中，电场与磁场的振幅呈指数衰减；●电磁波的相速不仅与媒质参数有关，而且与频率有关（有色散）；●平均磁场能量密度大于平均电场能量密度。10．简要说明行波、驻波、行驻波之间的区别。答：行波的振幅不变，其驻波比为1；驻波的振幅最小值是零，其驻波比为无穷大；行驻波是行波与纯驻波的叠加，其振幅最小值非零，驻波比在1到无穷大之间。11．简要说明电偶极子远区场的特性。答：电偶极子远区场的特点：①远区场是横电磁波，电场、磁场和传播方向相互垂直；②远区电场和磁场的相位相同；③远区场电磁场振幅比等于媒质的本征阻抗，即HE④远区场是非均匀球面波，电磁场振幅与r/1成正比；⑤远区场具有方向性，按sinθ变化。-10-三、分析计算题1.电场中有一半径为a的圆柱体，已知圆柱体内、外的电位函数为-11-aaAacos02求：①圆柱体内、外的电场强度；②柱表面电荷密度。注：柱坐标中zeeez1解：①由E可得aaeaAeaEsin1cos102222②因为SnSDDe21，则cos201AEeaS2.同心球形电容器的内导体半径为a，外导体半径为b，其间填充介电常数为的均匀介质。已知内导体球均匀携带电荷q。求：①介质求内的电场强度E；②该球形电容器的电容。解：①由高斯定理qSdES，可得2244rqEqrErr所以24rqeEr②因为内外导体球壳间的电压为baqdrrqldEUba11442外内所以电容量)(4ababUqC-12-3.空气中有一磁导率为、半径为a的无限长导体圆柱，其轴向方向的电流强度为I，求圆柱内外的磁感应强度B和磁场强度H。解：由SCSdJldH，可得在圆柱体内时，22222aIHaIH在圆柱体外时，22IHIH所以aIeaaIeH222相应的磁感应强度为aIeaaIeB22024.矩形线圈长与宽分别为a、b，与电流为i的无线长直导线放置在同一平面上，最短距离为d，如图。①已知Ii，求长直导线产生的磁场及线圈与导线间的互感；②已知导线电流tIicos0，求导线产生的磁场及线圈中的感应电动势。解：①由SCSdJldH，可得22IHIH所以-13-2IeH因为磁链为dbdIaadISdBbddSln2200故互感是dbdaIMln20②与前面相似，可求得磁感应强度为tIeHBcos2