电磁场与电磁波:第四章时变电磁场精选文档.ppt
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1、电磁场与电磁波课件:第四章时变电磁场1本讲稿第一页,共四十八页4.1 波动方程波动方程 在无源空间中,设媒质是线性、各向同性且无损耗的均匀媒质,则有在无源空间中,设媒质是线性、各向同性且无损耗的均匀媒质,则有 无源区的波动方程无源区的波动方程 波动方程波动方程 二二阶矢量微分方程,阶矢量微分方程,揭示电磁场的波动性。揭示电磁场的波动性。麦克斯韦方程麦克斯韦方程 一阶矢量微分方程组,描述电场与磁场一阶矢量微分方程组,描述电场与磁场 间的相互作用关系。间的相互作用关系。麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 波动方程。波动方程。问题的提出问题的提出电磁波动方程电磁波动方程2本讲稿第二页,共四十八页同理可得同
2、理可得 推证推证 问题问题 若为有源空间,结果如何?若为有源空间,结果如何?若为导电媒质,结果如何?若为导电媒质,结果如何?3本讲稿第三页,共四十八页4.2 电磁场的位函数电磁场的位函数 讨论内容讨论内容 位函数的性质位函数的性质 位函数的定义位函数的定义 位函数的规范条件位函数的规范条件 位函数的微分方程位函数的微分方程4本讲稿第四页,共四十八页引入位函数来描述时变电磁场,使一些问题的分析得到简化。引入位函数来描述时变电磁场,使一些问题的分析得到简化。引入位函数的意义引入位函数的意义 位函数的定义位函数的定义5本讲稿第五页,共四十八页 位函数的不确定性位函数的不确定性 满满足足下下列列变变换
3、换关关系系的的两两组组位位函函数数 和和 能能描描述述同同一一个个电磁场问题。电磁场问题。即即也就是说,对一给定的电磁场可用不同的位函数来描述。也就是说,对一给定的电磁场可用不同的位函数来描述。不同位函数之间的上述变换称为规范变换。不同位函数之间的上述变换称为规范变换。原因:未规定原因:未规定 的散度。的散度。为任意可微函数为任意可微函数6本讲稿第六页,共四十八页除了利用洛仑兹条件外,另一种常用的是库仑条件,即除了利用洛仑兹条件外,另一种常用的是库仑条件,即 在电磁理论中,通常采用洛仑兹条件,即在电磁理论中,通常采用洛仑兹条件,即 位函数的规范条件位函数的规范条件 造成位函数的不确定性的原因就
4、是没有规定造成位函数的不确定性的原因就是没有规定 的散度。利用位的散度。利用位函数的不确定性,可通过规定函数的不确定性,可通过规定 的散度使位函数满足的方程得以简的散度使位函数满足的方程得以简化。化。7本讲稿第七页,共四十八页 位函数的微分方程位函数的微分方程8本讲稿第八页,共四十八页同样同样9本讲稿第九页,共四十八页 说明说明 若应用库仑条件,位函数满足什么样的方程若应用库仑条件,位函数满足什么样的方程?具有什么特点具有什么特点?问题问题 应用洛仑兹条件的特点:应用洛仑兹条件的特点:位函数满足的方程在形式上是对称位函数满足的方程在形式上是对称 的,且比较简单,易求解;的,且比较简单,易求解;
5、解的物理意义非常清楚,明确地解的物理意义非常清楚,明确地 反映出电磁场具有有限的传递速度;反映出电磁场具有有限的传递速度;矢量位只决定于矢量位只决定于J,标,标 量位只决定于量位只决定于,这对求解方程特别有利。只需解出这对求解方程特别有利。只需解出A,无需,无需 解出解出 就可得到待求的电场和磁场。就可得到待求的电场和磁场。电磁位函数只是简化时变电磁场分析求解的一种辅助函数,应电磁位函数只是简化时变电磁场分析求解的一种辅助函数,应 用不同的规范条件,矢量位用不同的规范条件,矢量位A和标量位和标量位 的解也不相同,但最终的解也不相同,但最终 得到的电磁场矢量是相同的。得到的电磁场矢量是相同的。1
6、0本讲稿第十页,共四十八页4.3 电磁能量守恒定律电磁能量守恒定律 讨论内容讨论内容 坡印廷定理坡印廷定理 电磁能量及守恒关系电磁能量及守恒关系 坡印廷矢量坡印廷矢量11本讲稿第十一页,共四十八页 进入体积进入体积V的能量体积的能量体积V内增加的能量体积内增加的能量体积V内损耗的能量内损耗的能量电场能量密度电场能量密度:磁场能量密度磁场能量密度:电磁能量密度电磁能量密度:空间区域空间区域V中的电磁能量中的电磁能量:特点特点:当场随时间变化时,空间各点的电磁场能量密度也要随:当场随时间变化时,空间各点的电磁场能量密度也要随 时间改变,从而引起电磁能量流动。时间改变,从而引起电磁能量流动。电磁能量
7、守恒关系:电磁能量守恒关系:电磁能量及守恒关系电磁能量及守恒关系12本讲稿第十二页,共四十八页 其中其中:单位时间内体积单位时间内体积V 中所增加中所增加 的电磁能量的电磁能量 单位时间内电场对体积单位时间内电场对体积V中的电流所做的功;中的电流所做的功;在导电媒质中,即为体积在导电媒质中,即为体积V内总的损耗功率内总的损耗功率 通过曲面通过曲面S 进入体积进入体积V 的电磁功率的电磁功率 表征电磁能量守恒关系的定理表征电磁能量守恒关系的定理积分形式:积分形式:坡坡印廷定理印廷定理微分形式:微分形式:13本讲稿第十三页,共四十八页在线性和各向同性的媒质中,当参数都不随时间变化时,则有在线性和各
8、向同性的媒质中,当参数都不随时间变化时,则有将以上两式相减,得到将以上两式相减,得到由由 推证推证14本讲稿第十四页,共四十八页即可得到坡印廷定理的微分形式即可得到坡印廷定理的微分形式再利用矢量恒等式再利用矢量恒等式:在在任任意意闭闭曲曲面面S 所所包包围围的的体体积积V上上,对对上上式式两两端端积积分分,并并应应用用散散度度定定理理,即可得到坡印廷定理的积分形式即可得到坡印廷定理的积分形式 物理意义:物理意义:单位时间内,通过曲面单位时间内,通过曲面S 进入体积进入体积V的电磁能量等于的电磁能量等于 体积体积V 中所增加的电磁场能量与损耗的能量之和。中所增加的电磁场能量与损耗的能量之和。15
9、本讲稿第十五页,共四十八页 定义:定义:(W/m2)物理意义物理意义:的方向的方向 电磁能量传输的方向电磁能量传输的方向 的大小的大小 通过垂直于能量传输方通过垂直于能量传输方 向的单位面积的电磁功率向的单位面积的电磁功率 描述时变电磁场中电磁能量传输的一个重要物理量描述时变电磁场中电磁能量传输的一个重要物理量 坡印廷矢量(电磁能流密度矢量)坡印廷矢量(电磁能流密度矢量)16本讲稿第十六页,共四十八页 例例4.3.1 同轴线的内导体半径为同轴线的内导体半径为a、外导体的内半径为、外导体的内半径为b,其间填充,其间填充均匀的理想介质。设内外导体间的电压为均匀的理想介质。设内外导体间的电压为U,导
10、体中流过的电流为,导体中流过的电流为I。(1)在导体为理想导体的情况下,计算同轴线中传输的功率;()在导体为理想导体的情况下,计算同轴线中传输的功率;(2)当导体的电导率当导体的电导率为有限值时,计算通过内导体表面进入每单位长度内为有限值时,计算通过内导体表面进入每单位长度内导体的功率。导体的功率。同轴线同轴线17本讲稿第十七页,共四十八页 解:解:(1)在内外导体为理想导体的情况下,电场和磁场只存在于内外)在内外导体为理想导体的情况下,电场和磁场只存在于内外导体之间的理想介质中,内外导体表面的电场无切向分量,只有电场的径向导体之间的理想介质中,内外导体表面的电场无切向分量,只有电场的径向分量
11、。利用高斯定理和安培环路定理,容易求得内外导体之间的电场和磁场分量。利用高斯定理和安培环路定理,容易求得内外导体之间的电场和磁场分别为分别为内外导体之间任意横截面上的坡印廷矢量内外导体之间任意横截面上的坡印廷矢量18本讲稿第十八页,共四十八页电磁能量在内外导体之间的介质中沿轴方向流动,即由电源流向负载,电磁能量在内外导体之间的介质中沿轴方向流动,即由电源流向负载,如图所示。如图所示。穿过任意横截面的功率为穿过任意横截面的功率为同轴线中的电场、磁场和坡印廷矢量同轴线中的电场、磁场和坡印廷矢量(理想导体情况)(理想导体情况)19本讲稿第十九页,共四十八页 (2)当导体的电导率)当导体的电导率为有限
12、值时,导体内部存在沿电流方向的为有限值时,导体内部存在沿电流方向的电场电场内内根据边界条件,在内导体表面上电场的切向分量连续,即根据边界条件,在内导体表面上电场的切向分量连续,即因此,在内导体表面外侧的电场为因此,在内导体表面外侧的电场为内磁场则仍为磁场则仍为内导体表面外侧的坡印廷矢量为内导体表面外侧的坡印廷矢量为同轴线中的电场、磁场和坡印廷矢量同轴线中的电场、磁场和坡印廷矢量(非理想导体情况)(非理想导体情况)20本讲稿第二十页,共四十八页式中式中 是单位长度内导体的电阻。由此可见,进入内导体中是单位长度内导体的电阻。由此可见,进入内导体中功率等于这段导体的焦耳损耗功率。功率等于这段导体的焦
13、耳损耗功率。由此可见,内导体表面外侧由此可见,内导体表面外侧的坡印廷矢量既有轴向分量,的坡印廷矢量既有轴向分量,也有径向分量,如图所示。也有径向分量,如图所示。进进入每单位长度内导体的功率为入每单位长度内导体的功率为 以上分析表明电磁能量是由电磁场传输的,导体仅起着定向引导电以上分析表明电磁能量是由电磁场传输的,导体仅起着定向引导电磁能流的作用。当导体的电导率为有限值时,进入导体中的功率全部被磁能流的作用。当导体的电导率为有限值时,进入导体中的功率全部被导体所吸收,成为导体中的焦耳热损耗功率。导体所吸收,成为导体中的焦耳热损耗功率。同轴线中的电场、磁场和坡印廷矢量同轴线中的电场、磁场和坡印廷矢
14、量(非理想导体情况)(非理想导体情况)21本讲稿第二十一页,共四十八页4.4 惟一性定理惟一性定理 在以闭曲面在以闭曲面S为边界的有界区域为边界的有界区域V 内,内,如果给定如果给定t0 时刻的电场强度和磁场强度时刻的电场强度和磁场强度的初始值,并且在的初始值,并且在 t 0 时,给定边界面时,给定边界面S上的电场强度的切向分量或磁场强度的切向分量,那么,在上的电场强度的切向分量或磁场强度的切向分量,那么,在 t 0 时,区域时,区域V 内的电磁场由麦克斯韦方程惟一地确定。内的电磁场由麦克斯韦方程惟一地确定。惟一性定理的表述惟一性定理的表述 在分析有界区域的时变电磁场问题时,常常需要在给定的初
15、始条件和边界在分析有界区域的时变电磁场问题时,常常需要在给定的初始条件和边界条件下,求解麦克斯韦方程。那么,在什么定解条件下,有界区域中的麦克斯条件下,求解麦克斯韦方程。那么,在什么定解条件下,有界区域中的麦克斯韦方程的解才是惟一的呢?这就是麦克斯韦方程的解的惟一问题。韦方程的解才是惟一的呢?这就是麦克斯韦方程的解的惟一问题。惟一性问题惟一性问题22本讲稿第二十二页,共四十八页 惟一性定理指出了获得惟一解所必须满足的条件,为电磁场惟一性定理指出了获得惟一解所必须满足的条件,为电磁场 问题的求解提供了理论依据,具有非常重要的意义和广泛的问题的求解提供了理论依据,具有非常重要的意义和广泛的 应用。
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- 电磁场 电磁波 第四 变电 磁场 精选 文档
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