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时变电磁场

第四章 时变电磁场 4 时变电磁场 时变电磁场 随时间变化的电磁场称为时变电磁场。时变电磁场比静态电磁场要复杂得多,主要表现在: 时变电磁场之间相互激励而具有的波动特性,波动使时变电磁场的叠不仅要考虑矢量的方向,同时还要考虑波相位对叠加的影响;电磁场的大小和方向随时间而变化,将导致介质的极化和磁化特性随时而变,使介质呈现色散特性等。 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。 谐变电磁场问题最终为求非齐次 Helmholtz 方程在相应边界条件下的解,不再需要初始 条件。这是不难理解的,因为谐变电磁场意 味着自无穷远的过去到无穷远的未来随时间 作简谐变化,不存在场的初始状态。因为场 随时间变化的规律已由谐变(时谐或正弦) 所描述,因此只需要求场关于空间的分布。 1.电磁波的激发 当天线馈以随时间谐变的电流,谐变电流将在其周围激发出随时间简谐变化的磁场,谐变的磁场又将激发出谐变的电场。导线外部空间谐变电磁场相互激发并向外延伸传播,形成电磁波。 §4.10 均匀平面电磁波 2.平面电磁波方程 无源的介质空间中,电场和磁场通过如下关系 相联系,只需求解电场或磁场,电磁场的解即可 得到。比如电场满足的方程是: 考虑到在无源空间中 。电磁场的三个 分量不是完全独立的。所以在无源空间区域上电 磁场只有两个独立的变量。 3. 均匀平面电磁波特性 作为谐变电磁场方程解的特例,设电场仅为直 角坐标变量z的函数,其方程为 方程的通解是 第一项代表沿Z轴正向传播的电磁波 第二项代表沿Z轴负向传播的电磁波 只考虑沿Z的正向传播的波, 其相位等于常数的各点在空间描绘的曲面(称这曲面为等相位面)为平面,其方程为: 因此称为平面电磁波。又由于电场和磁场的振幅在传播过程中为常数,故称为均匀平面电磁波。 ① 均匀平面电磁波是横电磁波(TEM波) 均匀平面电磁波的电场、磁场、传播方向 相互垂直。波在传播方向上没有电磁场分 量,称为横电磁波 传播方向z 电场E 磁场H * 1)电磁感应定律 当穿过导电回路所限定的面积中的磁通发生变化时,在该导电回路中就要产生感应电动势及感应电流,这就是法拉第电磁感应定律。 负号表示感应电动势及其感应电流产生的磁场总是阻碍原磁场的变化。 §4.1 电磁感应定律 §4.1 电磁感应定律 ① 回路不变,磁场随时间变化 2)引起磁通变化的原因分为三类 称为感生电动势。 感生电动势 ② 回路切割磁力线,磁场不变 称为动生电动势。 动生电动势 §4.1 电磁感应定律 ③ 磁场随时间变化,回路切割磁力线 实验表明:感应电动势 与构成回路的材料性质无关(甚至可以是假想回路),只要与回路交链的磁通发生变化,回路中就有感应电动势。当回路是导体时,才有感应电流产生。也就是说没有感应电流,感应场强依然存在。 §4.1 电磁感应定律 §4.2 电磁场基本方程组 电磁场基本方程组 (Maxwell方程)为: §4.2 电磁场基本方程组 物理意义简述如下: 时变磁场将激发电场; 电流和时变电场都会激发磁场; (c) 穿过任一封闭面的电通量等于此面所包围的自由电荷电量; (d) 穿过任一封闭面的磁通量恒等于零。 §4.3 时变电磁场的势函数 两边求旋度 两边求旋度 波动方程 1 波动方程 2 时变电磁场的势函数 静态电磁场可通过位 (势)函数满足的方程 进行求解,并且可以 得到简化。时变电磁 场能否引入势函数, 通过势函数满足的方 程来求解,达到求解 时变电磁场的目的。 是一无散矢量场 引入势函数 将上式代入电磁感应 定律,得到 §4.3 时变电磁场的势函数 §4.3 时变电磁场的势函数 是一无旋矢量场,可以引入标量 函数的梯度表示,即 和 分别为电磁场的磁矢势和电标势。 必须指出的是,尽管磁感应强度在形式上只与磁矢势有关,不能据此认为磁感应强度由磁矢势决定而与电标势无关。因为在时变情形下,电磁场相互激发,而时变电场由磁矢势和电标势共同描述,使得时变磁场本质上与磁矢势和电标势都有联系。 §4.4 势函数的规范 根据矢量场的Helmholtz定理,确定区域上 的矢量函数只有在该矢量函数的散度和旋 度及其边界条件是确定的才能唯一确定。 根据磁矢势引入的定义,由关系式 是不能唯一确定磁矢势 。例如: 势函数的非唯一性源于其磁矢势散度的任 意性。因

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