五、时变电磁场

本文详细探讨了时变电磁场的波动方程,从旋度运算推导出发,阐述了电场和磁场的波动性质。同时介绍了势函数的概念,包括磁矢势和电标势,以及它们在简化问题中的作用。此外,还讲解了坡印廷矢量在能量传输中的角色,以及电磁场能量的计算。最后,讨论了谐变电磁场的特点,如介质的频率依赖性,以及波动方程和色散现象。

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第五章 时变电磁场

一、时变电磁场的波动方程

1.波动方程的推导

思路:都是对旋度再求一次旋度

电场波动方程
image-20220418233526271 $$ \nabla\times\nabla\times E=-\frac{\partial}{\partial t}(\nabla \times B)\\ \quad\quad\quad\quad\quad\quad=-\frac{\partial}{\partial t}\nabla \times(\mu H) $$ 再由 $$ \nabla\times\nabla\times E=\nabla(\nabla\cdot E )-\nabla^2E $$ 可得: $$ \nabla(\nabla\cdot E )-\nabla^2E=-\mu\frac{\partial}{\partial t}(J+\frac{\partial D}{\partial t}) $$ 带入 $$ \nabla\cdot E=\frac{\rho}{\varepsilon}\\D=\frac{\partial E}{\partial t} $$ 得到最后的波动方程: $$ \nabla^2E(r,t)-\varepsilon\mu\frac{\partial^2E(r,t)}{\partial t^2}=\mu\frac{\partial J(r,t)}{\partial t}+\nabla (\frac{\rho(r,t)}{\varepsilon}) $$
磁场波动方程
image-20220418233832093 $$ \nabla^2H(r,t)-\varepsilon\mu\frac{\partial^2H(r,t)}{\partial t^2}=-\nabla \times J(r,t) $$ 注意: $$ v=\frac{1}{\sqrt{\varepsilon\mu}} $$

2.时变电磁场的势函数

目的:为了减少变量,方便求解

磁矢势电标量

引入:
B(r,t)=∇×A(r,t) B(r,t)=\nabla \times A(r,t) B(r,t)=×A(r,t)
代入电磁感应式子:
∇×[E(r,t)+∂A(r,t)∂t]=0 \nabla \times[E(r,t)+\frac{\partial A(r,t)}{\partial t}]=0 ×[E(r,t)+tA(r,t)]=0
(9)式中为无旋矢量场,可表示为变量函数的梯度
E(r,t)+∂A(r,t)∂t=−∇ϕ(r,t)E(r,t)=−∂A(r,t)∂t−∇ϕ(r,t) E(r,t)+\frac{\partial A(r,t)}{\partial t}=-\nabla \phi(r,t)\\ E(r,t)=-\frac{\partial A(r,t)}{\partial t}-\nabla \phi(r,t) E(r,t)+tA(r,t)=ϕ(r,t)E(r,t)=tA(r,t)ϕ(r,t)

A(r,t)为磁矢势ϕ(r,t)为电标势 A(r,t)为磁矢势\quad\quad\quad\quad \phi(r,t)为电标势 A(r,t)ϕ(r,t)

时变电场由磁矢势和电标势共同描述

势函数规范及其方程
  1. Coulomb规范:得到泊松方程

    有旋无散场

∇⋅A(r,t)=0 \nabla \cdot A (r,t)=0 A(r,t)=0

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  1. Lorentz规范:得到达朗贝尔方程

∇⋅A(r,t)+εμ∂ϕ(r,t)∂t=0 \nabla \cdot A (r,t)+\varepsilon\mu\frac{\partial\phi(r,t)}{\partial t}=0 A(r,t)+εμtϕ(r,t)=0

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注意:不同的规范可以通过变换实现相互的转换

推迟势

上述波动方程的解为推迟势

二、 时变电磁场的能量

1.坡印廷矢量

表明:电磁场能量通过电磁场传播

能流密度

S=en⃗lim⁡Δs→0ΔwΔS S=\vec{e_n}\lim_{\Delta s\rightarrow0}\frac{\Delta w}{\Delta S} S=enΔs0limΔSΔw

坡印廷矢量(电磁场能量流密度矢量)

​ 方向 —— 电磁能量传输的方向
S⃗(r,t)=E⃗×H⃗ \vec{S}(r,t)=\vec{E}\times\vec{H} S(r,t)=E×H

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电磁场能量密度
w(r,t)=12[μH2+εE2] w(r,t)=\frac{1}{2}[\mu H^2+\varepsilon E^2] w(r,t)=21[μH2+εE2]

坡印廷定理:闭合空间V内,电磁场能量守恒和转化的关系式。

单位时间内通过界面S进入V内的电磁场能量=单位时间内闭合区域V内电磁场能量的增量 +区域V内场对电荷系统所作的功
KaTeX parse error: Undefined control sequence: \ at position 34: …S(r,t) \cdot ds\̲ ̲=\iiint_{v}[\ve…


例1 双导线能量传输系统

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E⃗=−Udy⃗H⃗=Iax⃗(利用安培环路定理) \vec E =-\frac{U}{d}\vec y\\ \quad\quad\quad\vec H=\frac{I}{a}\vec x \quad\quad\quad (利用安培环路定理) E=dUyH=aIx()


【例2】同轴传输线内导线半径为a,外导线半径为b,两导线间为均匀绝缘介质 (如图)。导线载有电流I,两导线间的电压为U
(1)电场和磁场的计算
(2)能流密度矢量的计算
(3)传输功率的计算

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三、唯一性定理

唯一性定理,表述如下:如果在闭合区域V 内,
①t=n 时刻的电磁场已知(初始条件).
② t>n  的任何时刻,电场或磁场在区域边界上的切向分量已知,或部分边界上电场和其余边界上的磁场切向分量已知(边界条件).
则在t>=n 区域V 内存在唯一电磁场。

证明:反证法

假设有两组解 : image-20220419084928318

image-20220419084943153 image-20220419085016835

image-20220419084855995

得出磁场能量减小。

四、谐变电磁场

什么是谐变电磁场?

随时间作简谐变化(同一频率)的电磁场称为谐变电磁场

为什么讨论和研究谐变电磁场?

(1)初始条件在任意时变情形下难以获取,而在谐变情形下,场量随时间作简谐变化 ,不存在场的初始状态。

(2)任意时变情形下,介质电磁参数特性复杂,难以推导出波动方程,求解困难。而在谐变情形下,电磁参数是常数。

1.介质的特性参数

εμ是与时间无关的,但是与频率有关 \varepsilon\quad\mu 是与时间无关的,但是与频率有关 εμ

对于谐变电磁场,线性均匀各向同性介质的极化强度P(r,t)、磁化强度M(r,t)和传导电流密度J(r,t)也是谐变量

2.谐变电磁场的复数表示

电场可表示为:

瞬时表达式:

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复向量表达式
E⃗(r)=Re(e⃗xEx(r⃗)ejϕxejwt)+Re(e⃗yEy(r⃗)ejϕyejwt)+Re(e⃗zEz(r⃗)ejϕzejwt) \vec E(r)=Re(\vec e_x E_x(\vec r)e^{j\phi_x}e^{jwt})+Re(\vec e_y E_y(\vec r)e^{j\phi_y}e^{jwt})+Re(\vec e_z E_z(\vec r)e^{j\phi_z}e^{jwt}) E(r)=Re(exEx(r)ejϕxejwt)+Re(eyEy(r)ejϕyejwt)+Re(ezEz(r)ejϕzejwt)
为了书写和表达方便,约定不写出
ejwt e^{jwt} ejwt
和圆点“ .”

eg4.5.1
做法:
(1)将正余弦函数变为余弦函数一次项,积化和差
(2)写成复指数形式
(3)将e^jwt项省去

image-20220419090937940

image-20220419090954424

3.谐变电磁场的麦克斯韦方程组

image-20220419091433716

image-20220419091618544

4.能量

谐变电磁场的坡印廷矢量

瞬时值

image-20220419092023532

平均坡印廷矢量

image-20220419092902091

eg2

image-20220419093227854

image-20220419093233003

5.谐变电磁场的波动方程

在谐变电磁场中,介质的特性参数 为常数,场量满足的波动方程为

image-20220419095857188

image-20220419103208829

image-20220419103213853

波数

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6.色散

​ 由于介质特性参数是频率的函数,不同频率的谐变电磁场在介质中传播速度v不同,波长也不相同。这一现象称为介质的色散,具有色散特性的介质称为色散介质。

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波数

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6.色散

​ 由于介质特性参数是频率的函数,不同频率的谐变电磁场在介质中传播速度v不同,波长也不相同。这一现象称为介质的色散,具有色散特性的介质称为色散介质。

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