以下电磁场知识点整理及题目均基于 马西奎 工程电磁场导论 北京 高等教育出版社, 2000. Print. 面向21世纪课程教材 Mian Xiang 21shi Ji Ke Cheng Jiao Cai = Textbook Series for 21st Century Eng. (第一版) 旨在为四川大学电气工程及其自动化专业的电磁场课程提供一个知识纲要性质的文本,以供课程平时学习及期末复习使用。考点及考试范围主要参考王仲老师的讲课内容及2024-2025学年期末考试题目,由于历年考试范围不同,其覆盖范围可能与实际考试范围有所出入。
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第四章 时变电磁场

一、知识归纳


1. 电磁感应定律

闭合回路内感应电动势 E\mathcal{E} 与流过此回路的磁通量随时间变化率 dΦmdt\frac{d\Phi_m}{dt} 成正比,有

E=dΦmdt=ddtSBdS\mathcal{E} = -\frac{d\Phi_m}{dt} = -\frac{d}{dt}\int_S \vec{B} \cdot d\vec{S}

一般感应电动势为感生与动生电动势叠加,有

E=SdBdtdS+l(v×B)dl\mathcal{E} = -\int_S \frac{dB}{dt} \cdot d\vec{S} + \oint_l (\vec{v} \times \vec{B}) \cdot d\vec{l}


2.

对给定导体回路,感应电动势IEI_感 \propto \mathcal{E}_感;若回路不闭合,仍有感应电动势,其大小仅与dΦmdt\frac{d\Phi_m}{dt} 有关,与回路材料无关。


3.

由变化的磁场产生的电场为感应电场,与空间有无回路、导体何种媒介中无关(区别于法拉第电磁感应对回路而言),且有

lEdl=SdBdtdS+l(v×B)dl\oint_l \vec{E}_感 \cdot d\vec{l} = -\int_S \frac{dB}{dt} \cdot d\vec{S} + \oint_l (\vec{v} \times \vec{B}) \cdot d\vec{l}

由于 lEdl=0\oint_l \vec{E}_源 \cdot d\vec{l} = 0,即由静电荷激发的电场旋度为0,从而对任意电磁场均有

lEdl=SdBdtdS+l(v×B)dl\oint_l \vec{E} \cdot d\vec{l} = -\int_S \frac{dB}{dt} \cdot d\vec{S} + \oint_l (\vec{v} \times \vec{B}) \cdot d\vec{l}

取其微分形式为

×E=Bt+×(v×B)\nabla \times \vec{E} = -\frac{\partial B}{\partial t} + \nabla \times (\vec{v} \times \vec{B})


4.

Maxwell 将电位移矢量D\vec{D}的变化率看作等效电流密度,称为位移电流密度。传导电流与位移电流之和,称为全电流。全电流是连续的,即

S(J+Jd)dS=0\oint_S (\vec{J}+\vec{J_d}) \cdot d\vec{S} = 0

从而有

SJddS=SJdS=dqdt=ddtSDdS=SdDdtdS\oint_S \vec{J_d} \cdot d\vec{S} = -\oint_S \vec{J} \cdot d\vec{S} = \frac{dq}{dt} = \frac{d}{dt} \oint_S \vec{D} \cdot d\vec{S}= \oint_S \frac{d\vec{D}}{dt} \cdot d\vec{S}

进而有

Jd=dDdt\vec{J_d} = \frac{d\vec{D}}{dt}

从而对于非恒定电流,有

lHdl=S(J+Dt)dS\oint_l \vec{H} \cdot d\vec{l} = \int_S (\vec{J}+\frac{\partial \vec{D}}{\partial t}) \cdot d\vec{S}

其微分形式为

×H=J+Jd\nabla \times \vec{H} = \vec{J} + \vec{J_d}

称为全电流定律。


5.

位移电流虽与传导电流一样能激发磁场,但位移电流不伴随电荷运动(只表示电场变化),同时不产生焦耳热。虽然在电介质中由于 Pt\frac{\partial \vec{P}}{\partial t} 项存在会产生热效应,但与焦耳热原理不同。


6. 电磁场基本方程组(Maxwell方程组)

积分形式:

{VDdS=QVBdS=0SEdl=ddtSBdSSHdl=SJdS+ddtSDdS\begin{cases} \displaystyle \oint_{\partial V} \mathbf{D} \cdot d\mathbf{S} = Q \\[2ex] \displaystyle \oint_{\partial V} \mathbf{B} \cdot d\mathbf{S} = 0 \\[2ex] \displaystyle \oint_{\partial S} \mathbf{E} \cdot d\mathbf{l} = -\dfrac{d}{dt} \int_S \mathbf{B} \cdot d\mathbf{S} \\[2ex] \displaystyle \oint_{\partial S} \mathbf{H} \cdot d\mathbf{l} = \int_S \mathbf{J} \cdot d\mathbf{S} + \frac{d}{dt} \int_S \mathbf{D} \cdot d\mathbf{S} \end{cases}

微分形式:

{D=ρB=0×E=Bt×H=J+Dt\begin{cases} \nabla \cdot \mathbf{D} = \rho \\ \nabla \cdot \mathbf{B} = 0 \\ \nabla \times \mathbf{E} = -\dfrac{\partial \mathbf{B}}{\partial t} \\ \nabla \times \mathbf{H} = \mathbf{J} + \dfrac{\partial \mathbf{D}}{\partial t} \end{cases}

及本构方程

{D=εEJ=γEB=μH\begin{cases} \vec{D}=\varepsilon \vec{E} \\ \vec{J} = \gamma \vec{E} \\ \vec{B} = \mu \vec{H} \end{cases}


7. 电磁场边界衔接条件

与电场+磁场一致,即

{D2nD1n=σE1t=E2t\begin{cases} D_{2n} - D_{1n} = \sigma \\ E_{1t} = E_{2t} \end{cases}

{H1tH2t=KB1n=B2n\begin{cases} H_{1t} - H_{2t} = K \\ B_{1n}=B_{2n} \end{cases}

同理当 σ=0\sigma=0K=0K=0 时,可得电磁场折射定律。


8.

在理想导体内,由于 γ\gamma \to \infty,故内部电场 E=0\vec{E}=0J=0\vec{J}=0,且时变磁场 H=0\vec{H}=0。此时可认为理想导体电流是沿导体表面流动形成的,表面也会由自由电荷积累形成面电荷。进而在理想导体及电介质界面有

{H2t=KB2n=B1n=0\begin{cases} H_{2t} = K \\ B_{2n} = B_{1n} = 0 \end{cases}

{D2n=σE1t=E2t=0\begin{cases} D_{2n}=\sigma \\ E_{1t}=E_{2t}=0 \end{cases}

这表明理想导体外侧介质中,磁力线平行于分界面而电力线垂直于分界面。


9.

引入矢量A\vec{A}使得B=×A\vec{B} = \nabla \times \vec{A},又由Bt=×E\frac{\partial \vec{B}}{\partial t} = - \nabla \times \vec{E}

×(E+At)=0\nabla \times (\vec{E} + \frac{\partial \vec{A}}{\partial t}) = 0

故而存在一个标量函数 φ\varphi,让 E+At=φ\vec{E} + \frac{\partial \vec{A}}{\partial t} = -\nabla \varphi,或写作

E=Atφ\vec{E} = -\frac{\partial \vec{A}}{\partial t} - \nabla \varphi

其中 A\vec{A} 称为矢量位,φ\varphi 称为标量位。合称动态位函数。


10.

将动态位函数及本构方程代入×H=J+Jd\nabla \times \vec{H} = \vec{J} + \vec{J_d} ,有

2Aμε2At2=μJ+(A+με2φt2)\nabla^2 \vec{A} - \mu \varepsilon \frac{\partial ^2 \vec{A}}{\partial t^2} = -\mu \vec{J} + \nabla(\nabla \cdot \vec{A} + \mu \varepsilon \frac{\partial ^2 \varphi}{\partial t^2})

2φ+t(A)=ρε\nabla^2 \varphi + \frac{\partial }{\partial t}(\nabla \cdot \vec{A})=-\frac{\rho}{\varepsilon}

规定

A=μεφt\nabla \cdot \vec{A} = -\mu \varepsilon \frac{\partial \varphi}{\partial t}

上式化简为方程组

{2Aμε2At2=μJ2φμε2φt2=ρε\begin{cases} \nabla^2 \vec{A} - \mu \varepsilon \frac{\partial ^2 \vec{A}}{\partial t^2} = -\mu \vec{J} \\ \nabla^2 \varphi - \mu \varepsilon \frac{\partial^2 \varphi}{\partial t^2}=-\frac{\rho}{\varepsilon} \end{cases}

称为 D’Alembert 方程。


11.

D’Alembert 方程的通解为

φ=f1(trv)v+f2(t+rv)vv=1ε0μ0\varphi = \frac{f_1(t - \frac{r}{v})}{v} + \frac{f_2(t + \frac{r}{v})}{v} \quad v=\frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \mu_0}}

其中 f1(trv)f_1(t - \frac{r}{v}) 表示入射波,与激发力源对应;f2(t+rv)f_2(t + \frac{r}{v}) 表示反射波。在电磁波传播过程中遇到障碍时产生。


12. 动态位的积分形式解

φ(r,t)=14πεVρ(r,t)dV(rr)2\varphi(\vec{r}, t) = \frac{1}{4\pi \varepsilon} \int_V \frac{\rho(\vec{r}', t') dV'}{\sqrt{(r - r')^2}}

A(r,t)=μ4πVJ(r,t)dV(rr)2\vec{A}(\vec{r}, t) = \frac{\mu}{4\pi} \int_V \frac{\vec{J}(\vec{r}', t') dV'}{\sqrt{(r - r')^2}}

说明在时刻,场中某点 rr 处的动态位及场量,由 t=t0t = t_0 时刻的激励源情况决定。这说明不同位置的变化总落后于激励源源,故称之为推迟位。电磁作用以速度 v=1ε0μ0v = \frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \mu_0}} 传播,在真空中约为 3×1083 \times 10^8 m/s,即为光速。


13. 电磁场能量

电磁场能量定域于场中,其体密度为电场与磁场能量密度之和。从而有

w=12(ED+BH)w = \frac{1}{2}(\mathbf{E}\cdot\mathbf{D} + \mathbf{B}\cdot\mathbf{H})

W=VwdV=V12(ED+BH)dVW = \int_V w \, dV = \int_V \frac{1}{2}(\mathbf{E}\cdot\mathbf{D} + \mathbf{B}\cdot\mathbf{H}) \, dV

考虑能量随时间的变化率,利用麦克斯韦方程组及矢量恒等式
(E×H)=H(×E)E(×H)\nabla\cdot(\mathbf{E}\times\mathbf{H}) = \mathbf{H}\cdot(\nabla\times\mathbf{E}) - \mathbf{E}\cdot(\nabla\times\mathbf{H}),可导出坡印廷定理:

Wt=ASdA+VEJdV-\frac{\partial W}{\partial t} = \oint_A \mathbf{S}\cdot d\mathbf{A} + \int_V \mathbf{E}\cdot\mathbf{J} \, dV

其中 S=E×H\mathbf{S} = \mathbf{E}\times\mathbf{H} 为坡印廷矢量,表示单位时间内通过垂直于能流方向的单位面积的电磁能,其方向即能流方向;VEJdV\int_V \mathbf{E}\cdot\mathbf{J} \, dV 为体积 VV 内的焦耳热损耗。

若存在电源局外场强 Ee\mathbf{E}_e,则总电场可写为 E+Ee\mathbf{E} + \mathbf{E}_e,电流密度 J\mathbf{J} 与场的关系需根据具体媒质确定(例如在导体中 J=σ(E+Ee)\mathbf{J} = \sigma(\mathbf{E}+\mathbf{E}_e))。代入坡印廷定理可得更一般的能量守恒关系:

Wt=ASdA+VEJdVVEeJdV-\frac{\partial W}{\partial t} = \oint_A \mathbf{S}\cdot d\mathbf{A} + \int_V \mathbf{E}\cdot\mathbf{J} \, dV - \int_V \mathbf{E}_e\cdot\mathbf{J} \, dV

或等价地

ASdA=WtVEJdV+VEeJdV \oint_A \mathbf{S}\cdot d\mathbf{A} = -\frac{\partial W}{\partial t} - \int_V \mathbf{E}\cdot\mathbf{J} \, dV + \int_V \mathbf{E}_e\cdot\mathbf{J} \, dV

此即电磁场中的能量守恒及转化定律(电磁能流定理/坡印廷定理)。其中 VEJdV\int_V \mathbf{E}\cdot\mathbf{J} \, dVVV 内导体焦耳热,VEeJdV\int_V \mathbf{E}_e\cdot\mathbf{J} \, dV 为电源提供的能量,ASdA\oint_A \mathbf{S}\cdot d\mathbf{A} 为闭合面 AA 向外输送的电磁能。

坡印廷矢量 S=E×H\mathbf{S} = \mathbf{E}\times\mathbf{H} 描述了电磁能的流动,其大小等于单位时间内通过垂直于能量传播方向的单位面积的电磁能,方向即能流方向。

对恒定场,由于场不随时间变化,Wt=0\frac{\partial W}{\partial t}=0。若无电源(Ee=0\mathbf{E}_e = 0),则坡印廷定理简化为

ASdA=VEJdV\oint_A \mathbf{S}\cdot d\mathbf{A} = -\int_V \mathbf{E}\cdot\mathbf{J} \, dV

负号表示流入闭合面的能流等于体积内的焦耳热损耗,说明导电媒质内的焦耳热是由外部流入的电磁能供给的。


14.

电磁能量的储存与传递都由电磁场完成,导体仅起引导电磁能流的作用,故而称为导波系统。


15. 正弦时变电磁场的复数形式

对于正弦时变电磁场,可将其写作相量形式(具体方式参见电路原理),由此可得到复数形式的Maxwell方程组。在正弦稳态下,场量随时间做简谐变化,可用复矢量表示,时间导数 t\frac{\partial}{\partial t} 对应于复数域中的乘以 jωj\omega

复数形式的Maxwell方程组为:

×H~=J~+jωD~\nabla \times \mathbf{\tilde{H}} = \mathbf{\tilde{J}} + j\omega \mathbf{\tilde{D}}

×E~=jωB~\nabla \times \mathbf{\tilde{E}} = -j\omega \mathbf{\tilde{B}}

D~=ρ~\nabla \cdot \mathbf{\tilde{D}} = \tilde{\rho}

B~=0\nabla \cdot \mathbf{\tilde{B}} = 0

对于线性各向同性媒质,本构关系为:

D~=εE~\mathbf{\tilde{D}} = \varepsilon \mathbf{\tilde{E}}

B~=μH~\mathbf{\tilde{B}} = \mu \mathbf{\tilde{H}}

J~=σE~\mathbf{\tilde{J}} = \sigma \mathbf{\tilde{E}}


16. Poynting 矢量复数形式

对于正弦时变电磁场,引入复矢量后,可定义复数形式的Poynting矢量:

S~=12E~×H~\tilde{\mathbf{S}} = \frac{1}{2} \tilde{\mathbf{E}} \times \tilde{\mathbf{H}}^*

其中 E~\tilde{\mathbf{E}}H~\tilde{\mathbf{H}} 为电场强度和磁场强度的复振幅(相量),H~\tilde{\mathbf{H}}^* 表示 H~\tilde{\mathbf{H}} 的共轭。复数Poynting矢量的实部表示有功功率密度(即平均能量流动的方向和大小),虚部表示无功功率密度(反映电场与磁场之间的能量交换)。

平均功率流密度(时间平均Poynting矢量)为:

Sav=Re[S~]=12Re[E~×H~]\mathbf{S}_{av} = \text{Re}[\tilde{\mathbf{S}}] = \frac{1}{2} \text{Re}[\tilde{\mathbf{E}} \times \tilde{\mathbf{H}}^*]

由此可导出复数形式的Poynting定理(复功率定理)。对于包含线性媒质的区域 VV,其边界为闭合面 AA,有 :

AS~dA=V12J~E~dV+jωV(12μH~212εE~2)dV-\oint_A \tilde{\mathbf{S}} \cdot d\mathbf{A} = \int_V \frac{1}{2} \mathbf{\tilde{J}}^* \cdot \tilde{\mathbf{E}} \, dV + j\omega \int_V \left( \frac{1}{2} \mu |\tilde{\mathbf{H}}|^2 - \frac{1}{2} \varepsilon |\tilde{\mathbf{E}}|^2 \right) dV

其中 J~\tilde{\mathbf{J}} 为传导电流密度复振幅,μ\mu 为磁导率,ε\varepsilon 为介电常数。

在无源区域(J~=0\tilde{\mathbf{J}} = 0),上式可简化为 [citation:5]:

AS~dA=P+jQ-\oint_A \tilde{\mathbf{S}} \cdot d\mathbf{A} = P + jQ

其中实部 PP 表示通过闭合面 AA 流入体积 VV 的平均功率(有功功率),对应于体积内的焦耳热损耗(P=I2RP = I^2 R);虚部 QQ 表示无功功率(Q=I2XQ = I^2 X),与体积内电磁场储能的时间变化率有关,其中 RRXX 可视为该体积的等效电阻和等效电抗 。


17. D’Alembert方程的复数形式及其解

对于正弦时变电磁场,在洛伦兹规范条件下,动态势(矢量磁位 A~\tilde{\mathbf{A}} 和标量电位 ψ~\tilde{\psi})满足非齐次亥姆霍兹方程(即复数形式的达朗贝尔方程):

2A~+β2A~=μJ~\nabla^2 \tilde{\mathbf{A}} + \beta^2 \tilde{\mathbf{A}} = -\mu \tilde{\mathbf{J}}

2ψ~+β2ψ~=ρ~ε\nabla^2 \tilde{\psi} + \beta^2 \tilde{\psi} = -\frac{\tilde{\rho}}{\varepsilon}

其中 β=ω/c=ωμε\beta = \omega / c = \omega \sqrt{\mu\varepsilon} 称为相位常数(波数),J~\tilde{\mathbf{J}}ρ~\tilde{\rho} 分别为电流密度和电荷密度的复振幅。

上述方程的解为推迟势(retarded potentials),考虑滞后效应后其复数形式为 :

ψ~(r)=14πεVρ~(r)ejβRRdV\tilde{\psi}(\mathbf{r}) = \frac{1}{4\pi\varepsilon} \int_V \frac{\tilde{\rho}(\mathbf{r}') e^{-j\beta R}}{R} dV'

A~(r)=μ4πVJ~(r)ejβRRdV \tilde{\mathbf{A}}(\mathbf{r}) = \frac{\mu}{4\pi} \int_V \frac{\tilde{\mathbf{J}}(\mathbf{r}') e^{-j\beta R}}{R} dV'

其中 R=rrR = |\mathbf{r} - \mathbf{r}'| 为场点到源点的距离,因子 ejβRe^{-j\beta R} 反映了电磁波传播过程中的相位滞后(推迟效应)。

求得势函数后,电磁场量可由下式计算:

B~=×A~\tilde{\mathbf{B}} = \nabla \times \tilde{\mathbf{A}}

E~=jωA~ψ~\tilde{\mathbf{E}} = -j\omega \tilde{\mathbf{A}} - \nabla \tilde{\psi}

βR1\beta R \ll 1(即 RλR \ll \lambda,其中 λ\lambda 为波长)时,有 ejβR1e^{-j\beta R} \approx 1,此时可忽略电磁波传播的推迟作用,认为场与源之间几乎同相变化。满足这一条件的区域称为似稳区(或近区),该条件 βR1\beta R \ll 1 称为似稳条件(或准静态条件)。


二、题型总结

第四章的题目以概念直接应用为主,下面以此举例

1、电磁感应定律

例 4.1.1(P160 T4-1-1)长直导线载有电流 i=Imsinωti = I_m \sin\omega t,在其附近有一矩形框,线框以速度 vv 远离导线的方向移动,求线框中感应电动势。

由毕-萨定理/由Ampere环路定律,有 B2πr=μ0ImsinωtB \cdot 2\pi r = \mu_0 I_m \sin\omega t

B=μ0i2πr\Rightarrow B = \frac{\mu_0 i}{2\pi r},从而 Φm=cc+aμ0i2πrbdr=μ0bi2πln(1+ac)\Phi_m = \int_c^{c+a} \frac{\mu_0 i}{2\pi r} \cdot b \cdot dr = \frac{\mu_0 b i}{2\pi} \ln\left(1+\frac{a}{c}\right)

Φmt=μ0b2πln(1+ac)Imωcosωt\frac{\partial \Phi_m}{\partial t} = \frac{\mu_0 b}{2\pi} \ln\left(1+\frac{a}{c}\right) I_m \omega \cos\omega t

l(v×B)dl=bv×μ0Imsinωt2π(1c1c+a)=μ0abvImsinωt2πc(c+a)\int_l (\vec{v} \times \vec{B}) \cdot d\vec{l} = bv \times \frac{\mu_0 I_m \sin\omega t}{2\pi} \left(\frac{1}{c} - \frac{1}{c+a}\right) = \frac{\mu_0 abv I_m \sin\omega t}{2\pi c(c+a)},方向沿顺时针

E=μ0b2πln(1+ac)Imωcosωt+μ0abv2πc(c+a)Imsinωt,方向沿顺时针\therefore \mathcal{E} = -\frac{\mu_0 b}{2\pi} \ln\left(1+\frac{a}{c}\right) I_m \omega \cos\omega t + \frac{\mu_0 abv}{2\pi c(c+a)} I_m \sin\omega t,方向沿顺时针


2、传导电流与位移电流

例 4.2.1(P151 T4-1-2)电场强度 E(t)=EmcosωtE(t) = E_m \cos\omega t V/m,ω=103\omega = 10^3 rad/s,计算下列各媒质中传导与位移电流密度幅值之比。(1)铜 γ=5.8×107\gamma = 5.8 \times 10^7 S/m,εr=1\varepsilon_r = 1;(2)聚苯乙烯 γ=1016\gamma = 10^{-16} S/m,εr=2.53\varepsilon_r = 2.53

(1)Jm=γEmJ_{m\text{传}} = \gamma E_mJm=εEmωJ_{m\text{位}} = \varepsilon E_m \omega,比值 JmJm=γEmεrEmω=γεrω=5.8×104\frac{J_{m\text{传}}}{J_{m\text{位}}} = \frac{\gamma E_m}{\varepsilon_r E_m \omega} = \frac{\gamma}{\varepsilon_r \omega} = 5.8 \times 10^4

(2)同理有 JmJm=γεrω=10162.53×103=3.95×1020\frac{J_{m\text{传}}}{J_{m\text{位}}} = \frac{\gamma}{\varepsilon_r \omega} = \frac{10^{-16}}{2.53 \times 10^3} = 3.95 \times 10^{-20}


3、全电流定律

例 4.3.1(P184 T4-3)由圆形极板构成平行板电容器,板间距离为 dd,板内充满有损媒质,导电率为 γ\gamma,介电常数为 ε\varepsilon,磁导率为 μ0\mu_0。当外加电压 u=Umsinωtu = U_m \sin\omega t 时,求极板间任一点位移电流密度及磁感应强度(不考虑变化磁场对电场的影响)

u=UmsinωtE=ud=UmdsinωtD=εE=εUmdsinωt\because u = U_m \sin\omega t \Rightarrow E = \frac{u}{d} = \frac{U_m}{d} \sin\omega t,D = \varepsilon E = \frac{\varepsilon U_m}{d} \sin\omega t

Jd=Dt=εUmωdcosωt,方向从正极板指向负极板\therefore J_d = \frac{\partial D}{\partial t} = \frac{\varepsilon U_m \omega}{d} \cos\omega t,方向从正极板指向负极板

由全电流定律,设某点到轴线距离为 rr,则有 H2πr=πr2εUmωdcosωt+γUmdπr2sinωtH \cdot 2\pi r = \pi r^2 \cdot \frac{\varepsilon U_m \omega}{d} \cos\omega t + \frac{\gamma U_m}{d} \pi r^2 \sin\omega t

H=εUmωr2dcosωt+γUmr2dsinωt\Rightarrow H = \frac{\varepsilon U_m \omega r}{2d} \cos\omega t + \frac{\gamma U_m r}{2d} \sin\omega t

B=μ0H=μ0Umr2d(εωcosωt+γsinωt)\therefore B = \mu_0 H = \frac{\mu_0 U_m r}{2d} (\varepsilon \omega \cos\omega t + \gamma \sin\omega t)


4、Maxwell方程组及衔接条件(理想介质)

例 4.4.1(P155 T4-2-1)证明下述场量满足Maxwell方程组:E=cos(yct)ez\vec{E} = \cos(y-ct)\vec{e}_zB=cos(yct)cex\vec{B} = \frac{\cos(y-ct)}{c}\vec{e}_x

×E=sin(yct)exBt=sin(yct)ex×E=Bt\because \nabla \times \vec{E} = -\sin(y-ct)\vec{e}_x,\frac{\partial \vec{B}}{\partial t} = \sin(y-ct)\vec{e}_x,\nabla \times \vec{E} = -\frac{\partial \vec{B}}{\partial t}

B=(cos(yct))x=0D=εE=0\nabla \cdot \vec{B} = \frac{\partial(\cos(y-ct))}{\partial x} = 0,\nabla \cdot \vec{D} = \varepsilon \nabla \cdot \vec{E} = 0

×H=1μ×B=1μsin(yct)cez\nabla \times \vec{H} = \frac{1}{\mu} \nabla \times \vec{B} = \frac{1}{\mu} \frac{\sin(y-ct)}{c}\vec{e}_zDt=εEt=cεsin(yct)ez\frac{\partial \vec{D}}{\partial t} = \varepsilon \frac{\partial \vec{E}}{\partial t} = c\varepsilon \sin(y-ct)\vec{e}_z

\because 理想介质中,γ=0\gamma = 0J=0\vec{J} = 0,且 c2=1μεc^2 = \frac{1}{\mu\varepsilon}×H=Dt\therefore \nabla \times \vec{H} = \frac{\partial \vec{D}}{\partial t}

从而Maxwell第一、二方程得证,亦即符合Maxwell方程组

P.S. Maxwell方程组中事实上只有Maxwell第一、二方程是独立的,若要证明场量满足Maxwell方程组,仅需验证前两个。

例 4.4.2(P156 T4-2-3)设 z=0z = 0 处为空气与理想导体分界面,z<0z \lt 0 一侧为理想导体,分界面处磁场强度为 H(x,y,z,t)=H0sinβxcos(ωtβy)ex\vec{H}(x,y,z,t) = H_0 \sin\beta x \cos(\omega t - \beta y)\vec{e}_x,求导体表面电流分布及分界面处 E\vec{E} 的切线分量。

由题意,×H=Dt=βH0sinβxsin(ωtβy)ez=ε0Et\nabla \times \vec{H} = \frac{\partial \vec{D}}{\partial t} = -\beta H_0 \sin\beta x \sin(\omega t - \beta y)\vec{e}_z = \varepsilon_0 \frac{\partial \vec{E}}{\partial t}

从而 E=βH0ε0ωsinβxcos(ωtβy)ez\vec{E} = \frac{\beta H_0}{\varepsilon_0 \omega} \sin\beta x \cos(\omega t - \beta y)\vec{e}_z,由此可知 Et=0E_t = 0

K=n×H\vec{K} = \vec{n} \times \vec{H},而 K=Hzt=H0sinβxcos(ωtβy)K = H_{zt} = H_0 \sin\beta x \cos(\omega t - \beta y)K=n×H=Key\vec{K} = \vec{n} \times \vec{H} = K\vec{e}_y

P.S. 注意理想导体分界面条件,依次带入衔接条件计算即可。


5、动态位及D’Alembert方程

例 4.5.1(P160 T4-3-1)在时变电磁场中,已知矢量位函数 A=Amsin(ωtβz)ex\vec{A} = A_m \sin(\omega t - \beta z)\vec{e}_x,其中 AmA_mβ\beta 均为常数,试求电场强度 E\vec{E} 及磁场强度 H\vec{H}

由动态位的D’Alembert方程有 2Aμε2At2=[β2Amsin(ωtβz)+μεAmω2sin(ωtβz)]ex\nabla^2 \vec{A} - \mu\varepsilon \frac{\partial^2 \vec{A}}{\partial t^2} = \left[\beta^2 A_m \sin(\omega t - \beta z) + \mu\varepsilon A_m \omega^2 \sin(\omega t - \beta z)\right]\vec{e}_x

J=[εAmω2sin(ωtβz)+β2μAmsin(ωtβz)]ex\vec{J} = \left[-\varepsilon A_m \omega^2 \sin(\omega t - \beta z) + \frac{\beta^2}{\mu} A_m \sin(\omega t - \beta z)\right]\vec{e}_x

A=0\because \nabla \cdot \vec{A} = 0,由Lorenz规范,有 μεφt=0\mu\varepsilon \frac{\partial \varphi}{\partial t} = 0,从而 φ=C(x,y,z)\varphi = C(x,y,z)

在时变电磁场中,不考虑静电场存在,从而有 φ=0\nabla \varphi = 0,故而

E=At=ωAmcos(ωtβz)ex\vec{E} = -\frac{\partial \vec{A}}{\partial t} = -\omega A_m \cos(\omega t - \beta z)\vec{e}_x

B=×A=βAmsin(ωtβz)ey\vec{B} = \nabla \times \vec{A} = -\beta A_m \sin(\omega t - \beta z)\vec{e}_yH=Bμ=βAmμsin(ωtβz)ey\therefore \vec{H} = \frac{\vec{B}}{\mu} = -\frac{\beta A_m}{\mu} \sin(\omega t - \beta z)\vec{e}_y

P.S. 本题特殊之处在于"在时变电磁场中,暂不考虑静电场存在",从而有 φ=0\nabla \varphi = 0


6、电磁能传输计算

例 4.6.1(P164 T4-4-2)圆柱形导线长为 ll,电阻为 RR,载有电流 II。Prove:电磁场通过表面输入导线功率 A(E×H)dA-\oint_A (\vec{E} \times \vec{H}) \cdot d\vec{A} 等于焦耳热功率 I2RI^2 R

依题意,取单位长导线,设其截面积为 SS,有 R=1γlSγ=lSRR = \frac{1}{\gamma} \cdot \frac{l}{S} \Rightarrow \gamma = \frac{l}{SR}

J=ISez\vec{J} = \frac{I}{S}\vec{e}_zE=1γJ=SRlJ\vec{E} = \frac{1}{\gamma}\vec{J} = \frac{SR}{l}\vec{J},又 H2πr=ISπr2H=Ir2SeϕH \cdot 2\pi r = \frac{I}{S} \cdot \pi r^2 \Rightarrow \vec{H} = \frac{Ir}{2S}\vec{e}_\phi

S=E×H=RIlIr2Seρ=I2Rr2Sleρ\therefore \vec{S} = \vec{E} \times \vec{H} = -\frac{RI}{l} \cdot \frac{Ir}{2S}\vec{e}_\rho = -\frac{I^2 R r}{2Sl}\vec{e}_\rho

从而在半径为 aa 处,有 S=πa2S = \pi a^2ASdA=I2Ra2Sl2πal=I2R-\oint_A \vec{S} \cdot d\vec{A} = \frac{I^2 R a}{2Sl} \cdot 2\pi a \cdot l = I^2 R,Q.E.D.

例 4.6.2(P164 T4-6)已知自由空间中电磁波两个场分量 Ex=1000cos(ωtβz)E_x = 1000\cos(\omega t - \beta z) V/m,Hy=2.65cos(ωtβz)H_y = 2.65\cos(\omega t - \beta z) A/m,式中 f=20f = 20 MHz,β=ωμ0ε0=0.42\beta = \omega\sqrt{\mu_0\varepsilon_0} = 0.42 rad/m,求

(1)瞬时Poynting矢量 (2)平均Poynting矢量 (3)流入图中平行六面体的瞬时功率

(1)S=E×H=2650cos2(ωtβz)ez\vec{S} = \vec{E} \times \vec{H} = 2650\cos^2(\omega t - \beta z)\vec{e}_z W/m2^2

(2)E˙=10002(βz)ex\because \dot{\vec{E}} = \frac{1000}{\sqrt{2}}\angle(-\beta z)\vec{e}_xH˙=2.652(βz)ey\dot{\vec{H}} = \frac{2.65}{\sqrt{2}}\angle(-\beta z)\vec{e}_y

S˙=E˙×H˙=265020ez=1325ez\dot{\vec{S}} = \dot{\vec{E}} \times \dot{\vec{H}}^* = \frac{2650}{2}\angle 0 \vec{e}_z = 1325\vec{e}_z

Sav=Re[S˙]=1325ez W/m2\therefore S_{av} = \text{Re}[\dot{\vec{S}}] = 1325\vec{e}_z \text{ W/m}^2

(3)P=(Sz=0Sz=1)S=2650[cos2(ωt)cos2(ωtβ)]×0.25=662.5[cos2(ωt)cos2(ωtβ)]P = (\vec{S}|_{z=0} - \vec{S}|_{z=1}) \cdot S_{\text{底}} = 2650[\cos^2(\omega t) - \cos^2(\omega t - \beta)] \times 0.25 = 662.5[\cos^2(\omega t) - \cos^2(\omega t - \beta)] W

P.S. 注意区分:瞬时功率 S=E×H\vec{S} = \vec{E} \times \vec{H},平均功率 Sav=Re(S˙)=Re(E˙×H˙)\vec{S}_{av} = \text{Re}(\dot{\vec{S}}) = \text{Re}(\dot{\vec{E}} \times \dot{\vec{H}}^*)

电阻 R=1I2Re[A(E×H)dA]R = -\frac{1}{I^2}\text{Re}\left[\oint_A (\vec{E} \times \vec{H}^*) \cdot d\vec{A}\right],电抗 X=1I2Im[A(E×H)dA]X = -\frac{1}{I^2}\text{Im}\left[\oint_A (\vec{E} \times \vec{H}^*) \cdot d\vec{A}\right]


7、综合题

例 4.7.1(P164 T4-8)同轴电缆内导体半径为 a=1a = 1 mm,外导体半径 b=4b = 4 mm,内外均为理想导体。内外导体间充满聚乙烯(εr=2.25\varepsilon_r = 2.25μr=1\mu_r = 1γ=0\gamma = 0),其中电场强度 E=100ρcos(108tβz)eρ\vec{E} = \frac{100}{\rho}\cos(10^8 t - \beta z)\vec{e}_\rho V/m

(1)说明 E\vec{E} 的表达式是否具有波动性 (2)求 β\beta (3)求 H\vec{H} (4)求导体表面电流线密度 (5)求沿轴线 0z10 \leq z \leq 1 m 区段内中的位移电流

(1)使式中 108tβz10^8 t - \beta z 项说明 E\vec{E} 为以速度 108β=v\frac{10^8}{\beta} = vzz 轴正向行进的波

(2)β108=1c=με=1.5μ0ε01=1.53×108\because \frac{\beta}{10^8} = \frac{1}{c} = \sqrt{\mu\varepsilon} = \frac{1.5\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}}{1} = \frac{1.5}{3 \times 10^8}β=0.5\therefore \beta = 0.5 rad/m

(续例4.7.1)

(3)×E=100βρsin(108tβz)eϕ=Bt\because \nabla \times \vec{E} = \frac{100\beta}{\rho}\sin(10^8 t - \beta z)\vec{e}_\phi = -\frac{\partial \vec{B}}{\partial t}B=100β108ρcos(108tβz)eϕ=5×107ρcos(108t0.5z)eϕ\therefore \vec{B} = \frac{100\beta}{10^8 \rho}\cos(10^8 t - \beta z)\vec{e}_\phi = \frac{5 \times 10^{-7}}{\rho}\cos(10^8 t - 0.5z)\vec{e}_\phi

H=Bμ0=5×107ρμ0cos(108t0.5z)eϕ\therefore \vec{H} = \frac{\vec{B}}{\mu_0} = \frac{5 \times 10^{-7}}{\rho\mu_0}\cos(10^8 t - 0.5z)\vec{e}_\phi

(4)由 K=n×Hρ=R1ρ=R2\vec{K} = \vec{n} \times \vec{H}|_{\rho=R_1}^{\rho=R_2},有 K=5×104μ0cos(108t0.5z)ez\vec{K} = \frac{5 \times 10^{-4}}{\mu_0}\cos(10^8 t - 0.5z)\vec{e}_z A/m

(5)JD=Dt=εEt=ε×1010ρsin(108tβz)eρ\vec{J}_D = \frac{\partial \vec{D}}{\partial t} = \varepsilon \frac{\partial \vec{E}}{\partial t} = -\frac{\varepsilon \times 10^{10}}{\rho}\sin(10^8 t - \beta z)\vec{e}_\rho A/m2^2

从而 iD=SJDdS=01ε×1010ρsin(108tβz)2πρdz=2πε×1010β[cos(108β)cos(108t)]i_D = \int_S \vec{J}_D \cdot d\vec{S} = \int_0^1 -\frac{\varepsilon \times 10^{10}}{\rho}\sin(10^8 t - \beta z) \cdot 2\pi\rho dz = \frac{-2\pi\varepsilon \times 10^{10}}{\beta}[\cos(10^8 - \beta) - \cos(10^8 t)]

例 4.7.2(P185 T4-13)在均匀非导电媒质(γ=0\gamma = 0)中,已知时变电磁场为

E=30πcos(ωt43y)ez\vec{E} = 30\pi\cos\left(\omega t - \frac{4}{3}y\right)\vec{e}_z V/m,H=10cos(ωt43y)ex\vec{H} = 10\cos\left(\omega t - \frac{4}{3}y\right)\vec{e}_x A/m,μr=1\mu_r = 1,求 ω\omegaεr\varepsilon_r

γ=0\because \gamma = 0J=γE=0\therefore \vec{J} = \gamma\vec{E} = 0×H=403sin(ωt43y)ez=Dt=ε0εrEt\therefore \nabla \times \vec{H} = \frac{40}{3}\sin\left(\omega t - \frac{4}{3}y\right)\vec{e}_z = \frac{\partial \vec{D}}{\partial t} = \varepsilon_0\varepsilon_r \frac{\partial \vec{E}}{\partial t}

=30πε0εrωsin(ωt43y)= -30\pi\varepsilon_0\varepsilon_r\omega\sin\left(\omega t - \frac{4}{3}y\right)

30πε0εrω=403\therefore 30\pi\varepsilon_0\varepsilon_r\omega = \frac{40}{3}

×E=40πsin(ωt43y)ex=Bt=μ0Ht\because \nabla \times \vec{E} = 40\pi\sin\left(\omega t - \frac{4}{3}y\right)\vec{e}_x = -\frac{\partial \vec{B}}{\partial t} = -\mu_0 \frac{\partial \vec{H}}{\partial t}

=μ0μr10ωsin(ωt43y)ex= -\mu_0\mu_r \cdot 10\omega\sin\left(\omega t - \frac{4}{3}y\right)\vec{e}_x10ωμ0μr=40π\therefore 10\omega\mu_0\mu_r = 40\piω=4πμ0\omega = \frac{4\pi}{\mu_0}

代入 30πε0εrω=40330\pi\varepsilon_0\varepsilon_r\omega = \frac{40}{3},有 εr=μ09π2ε0\varepsilon_r = \frac{\mu_0}{9\pi^2\varepsilon_0}