现代通信系统与电磁波

电磁场与电磁波

教 案

: 课程: 电磁场与电磁波

第7章 非导电介质中的电磁波课时:6学时

武汉理工大学信息工程学院

教师：刘岚

1

内容

电磁场与电磁波

2

电磁场与电磁波

3

电磁场与电磁波

4

电磁场与电磁波

5

电磁场与电磁波

6

电磁场与电磁波

7

电磁场与电磁波

8

电磁场与电磁波

9

电磁场与电磁波

10

电磁场与电磁波

11

电磁场与电磁波

12

电磁场与电磁波

13

电磁场与电磁波

14

第一章

矢量分析

重点和难点

关于矢量的定义、运算规则等内容可让读者自学。应着重讲解梯度、散度、旋度的物理概念和数学表示，以及格林定理和亥姆霍兹定理。至于正交曲面坐标系一节可以略去。

考虑到高年级同学已学过物理学，讲解梯度、散度和旋度时，应结合电学中的电位、积分形式的高斯定律以及积分形式的安培环路定律等内容，阐述梯度、散度和旋度的物理概念。详细的数学推演可以从简，仅给出直角坐标系中的表达式即可。讲解无散场和无旋场时，也应以电学中介绍的静电场和恒定磁场的基本特性为例。

至于格林定理，证明可免，仅给出公式即可，但应介绍格林定理的用途。 前已指出，该教材的特色之一是以亥姆霍兹定理为依据逐一介绍电磁场，因此该定理应着重介绍。但是由于证明过程较繁，还要涉及? 函数，如果学时有限可以略去。由于亥姆霍兹定理严格地定量描述了自由空间中矢量场与其散度和旋度之间的关系，因此应该着重说明散度和旋度是产生矢量场的源，而且也是惟一的两个源。所以，散度和旋度是研究矢量场的首要问题。

此外，还应强调自由空间可以存在无散场或无旋场，但是不可能存在既无散又无旋的矢量场。这种既无散又无旋的矢量场只能存在于局部的无源区中。

重要公式

直角坐标系中的矢量表示：A?Axex?

系别：电气工程及其自动化 班级：电气122班 姓名：董晨辉 学号：2012190201

1

电磁场与电磁波

电磁场与电磁波

摘要：变化的磁场可以激发涡旋电场，变化的电场可以激发涡旋磁场；电场和磁场不是彼此孤立的，它们相互联系、相互激发组成一个统一的电磁场，电场和磁场已经成为一个不可分割的整体。麦克斯韦方程组系统而完整地概括了电磁场的基本规律，并预言了电磁波的存在。进一步将电场和磁场的所有规律综合起来，建立了完整的电磁场理论体系，便求解各种宏观电场问题，完善了电磁理论，确立了电荷，电流，电场与磁场之间的普遍联系。

2

关键词：麦克斯韦方程组；电磁波；积分；微分

正文：麦克斯韦是英国物理学家，在19世纪建立的描述电磁场的基本方程组。它含有四个方程，不仅分别描述了电场和磁场的行为，也描述了它们之间的关系。在其宏观电磁理论的建立过程中提出了关于位移电流和有旋电场的假说，建立了完整的电磁场理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象的内在联系及统一性，完成了物理学的又一次大综合。于1864年归纳总结出了麦克斯韦方程组，他的这一理论成果为现代无线电电子工业奠定了理论基础，物理学的发展。【1】

电磁场是分布在三维空间的矢量场，矢量分析是研

《电磁场与电磁波》答案(4)

一、判断题（每题2分，共20分）

说明：请在题右侧的括号中作出标记，正确打√，错误打×

1.在静电场中介质的极化强度完全是由外场的强度决定的。

[ ×]1

2.电介质在静电场中发生极化后，在介质的表面必定会出现束缚电荷。 [ √]2 3.两列频率和传播方向相同、振动方向彼此垂直的直线极化波，合成后的波也必为直线极化波。

4.在所有各向同性的电介质中，静电场的电位满足泊松方程

[ ×]3 [ ×]4 [ √]5

[ √]6 [ ×]7 [ ×]8 [ √]9 [ ×]10

?2????。 ?5.在静电场中导体内电场强度总是为零，而在恒定电场中一般导体内的电场强度不为零，只有理想导体内的电场强度为零。 6.理想媒质和损耗媒质中的均匀平面波都是TEM波。

7.对于静电场问题，保持场域内电荷分布不变而任意改变场域外的电荷分布，不会导致场域内的电场的改变。

8.位移电流是一种假设，因此它不能象真实电流一样产生磁效应。 9.静电场中所有导体都是等位体，恒定电场中一般导体不是等位体。 10.在恒定磁场中，磁介质的磁化强度总是与磁场强度方向一致。 二、选择题（每题2分，共20分） （请将你选择的标号填入题后的括号中）

《电磁场与电磁波》自测试题

???1.介电常数为?的均匀线性介质中，电荷的分布为?(r)，则空间任一点??E? ____________, ??D?

_____________。 2. ?/?； ?

1. 线电流I1与I2垂直穿过纸面，如图所示。已知I1?1A，试问

??l1?H.dl?__ _______；

I1??I2ll1?若??H.dl?0， 则I2?_____ ____。

l2. ?1； 1A

1. 镜像法是用等效的 代替原来场问题的边界，该方法的理论依据是___。 2. 镜像电荷； 唯一性定理

1. 在导电媒质中， 电磁波的相速随频率改变的现象称为_____________， 这样的媒质又称为_________ 。 2. 色散； 色散媒质

1. 已知自由空间一均匀平面波， 其磁场强度为H?eyH0cos(?t??x)， 则电场强度的方向为__________， 能流密度的方向为__________。 2. ez； ?ex

1. 传输线的工作状态有________ ____、_______ _____、____________三种，其中________ ____状态不传递电磁能量。

2. 行波

第一章 矢量分析

前言： 场（标量场、矢量场）概念； % 了解

§1矢量概念 % 1、矢量、标量概念； 2.、单位矢量定义； %理解概念

§2矢量运算 % 1、矢量加减法； 2、两矢量的标量积；3、两矢量的矢量积； %电磁场基础，需熟练计算

§3矢量微分元 % 1、3种坐标系下线元、面元和体积元及广义坐标系下表示； %熟练掌握

§5标量场梯度 % 1、梯度和方向导数 %电磁场基础，需熟练计算

§6矢量场散度----通量、散度概念和物理意义；熟练利用高斯定理计算（不要求验证）；

§7矢量场旋度----环量、旋度概念和物理意义；熟练利用斯托克斯定理计算（不要求验证）；

§8重要矢量恒等式—两个零恒等式（矢矢标、标矢矢）和拉普拉斯表达式； %综合计算

第二章 电磁学基本理论

§1电场基本物理量-----1、掌握库仑定律和

《电磁场与电磁波》试题（13）

一、填空题（每题8分，共40分）

1、 真空中静电场高斯定理的内容是：__________________________________________

_______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________。 2、 等位面的两个重要性质是：①_____________________________________________,

②____________________________________________________________________。 3、 真空中的静电场是__________场和__________场；而恒定磁场是____________场和

__________场。

_。位移电流密度Jd?__________4、 传导电流密度J?___________。

电场能量密度We＝___________。磁场能量密度Wm＝___________。 5

一、 单项选择题

1．两个矢量的矢量积（叉乘）满足以下运算规律（ B ）

A. 交换律 A?B??B?A B. 分配率 A?(B?C)?A?B?A?C C. 结合率 D. 以上均不满足 2. 下面不是矢量的是（ C ）

A. 标量的梯度 B. 矢量的旋度 C. 矢量的散度 D. 两个矢量的叉乘 3. 下面表述正确的为（ B ）

A. 矢量场的散度结果为一矢量场 B. 标量场的梯度结果为一矢量(具有方向性，最值方向) C. 矢量场的旋度结果为一标量场 D. 标量场的梯度结果为一标量 4. 矢量场的散度在直角坐标下的表示形式为（ D ）

?Ay?Ax?A?A?A?A??A． B．ex?ey?zez?x?y?z?x?y?z

C．

?Ax?Ay?Az?A?A?Aex?ey?ez D． ???x?y?z?y?z ?x5. 散度定理的表达式为（ A ）体积分化为面积

第1章 矢量分析

例1.1 求标量场??(x?y)2?z通过点M(1, 0, 1)的等值面方程。

解：点M的坐标是x0?1,y0?0,z0?1，则该点的标量场值为

??(x0?y0)2?z0?0。其等值面方程为 ：

??(x?y)2?z?0 或 z?(x?y)2

??2?2?例1.2 求矢量场A?axxy?ayxy?azzy2的矢量线方程。

解： 矢量线应满足的微分方程为 ：

dy?dx???xy2x2y从而有 ?

dxdz?2?2?yz?xy?z?c1x解之即得矢量方程?2，c1和c2是积分常数。 2?x?y?c2dxdydz ??222xyxyyz

例1.3 求函数??xy2?z2?xyz在点（1，1，2）处沿方向角

?? 解：由于

???x?3,???4,???3的方向导数。

??1,

M?(1,1,2)?y2?yzM?(1,1,2)

???y???zM?(1,1,2)?2xy?xz?2z?xyM?(1,1,2)?0,

M?(1,1,2)M?(1,1,2)?3,

cos??所

.引言

电与磁的对偶性是指电场与磁场之间的一种对称关系，它们之间虽然用来描述这两种场的有关物理量概念不同，但是在一定条件下，可以用相同的数学模型来描述。我们在研究电磁

场的过程中会发现，电与磁经常是成对出现的，电场与磁场的分析方法也有相当的一致性例如，在静电场中，为了简化电场的计算而引入标量电位，在恒定磁场中，也仿照静电场，可以在无源区引入标量磁位，并将静电场标量电位的解的形式直接套出来，因为它们均满足拉普拉斯方程，因此解的形式也必完全相同这样做的理论依据是二重性原理，所谓二重性原理就是如果描述两种不同物理现象的方程具有相同的数学形式它们的解答也必取相同的数学形式。在求解电磁场问题时，如果能将电场与磁场的方程完全对应起来，即电场和磁场所满足的方程在形式上完全一样，则在相同的条件下，解的数学形式也必然相同这时若电场或磁场的解式已知，则很方便地得到另一场量的解式

在早期的研究中，人们认识电与磁都是从单方面进行研究的，既是分立的。然而，随着电流磁效应的发现后，认识到电流与磁场之间存在着相互联系，再接着法拉第的电磁感应定律又揭示了变化的磁通与感应电动势之间的联系。综合上两种现象，存在着“磁生电，电生磁”这种初步的对称。直到后来在麦克斯韦综合前人的理论的