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电磁场理论(第五章)2013

* 5、初始和边界对电磁场影响的处理 时变电磁场问题通过Fourier变换转变为谐变电磁 场问题来求解。避免初始和边界条件确定的困难 但是无线电系统工作的初始和边界状态(条件) 并不因为采用不同的处理方法而消失,必然要对 系统的工作产生影响。 §6 均匀平面电磁波 1.电磁波的激发 源区 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 电磁场的六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: 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 方程的通解是 : 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 均匀平面电磁波的波阻抗为常数 均匀平面电磁波的电场和磁场振幅之比为介质 电磁特性参数决定的常数,其值为 这是一个很重要的物理量,它具有阻抗量纲, 称为波阻抗。 Z in R ③ 平面电磁波的能流密度矢量的方向为波 传播的方向,大小为平面电磁波能量密 度与波传播速度的积 * 4、平面电磁波的叠加 分解: * 4、平面电磁波的叠加 合成: * 合成电场矢量不仅与两列平面波的振幅有关,还 与两列平面波初始相位有关。与振幅有关是矢量 叠加运算必然结果,与两列平面波初始相位是波 动所特有的特点,称为干涉效应。 * * 特例: * 特例:一列平面波仅有x方向电场分量 另一列平面波有y方向电场分量 电场振幅相互垂直的两列平面波叠加没有干涉效应 * 结论: 频率相同、初相位固定、电场(或磁场) 振幅矢量具有平行分量的两列平面波在叠 加过程中有干涉效应。而频率相同、初相位固定、电场(或磁场)振幅矢量相互垂 直的两列平面波叠加没有干涉效应,但合 成电场矢量的振动方向将发生变化。 5、平面电磁波的极化 平面电磁波的电场矢量和磁场矢量与波传播方 向垂直。但电场或磁场矢量的方向一般随时间 而变。电(或磁)场矢量末端随时间变化的方 式称为电磁波的极化。 t0 t1 t2 t3 设z为平面电磁波的传播方向,在与z垂直的平面 上,平面电磁波的电(或磁)场矢量的瞬时值可 以分解表示为: 消除时间t 得到 这是一个典型的椭圆方程,表明电(磁)振 幅末端运动的轨迹在xoy平面为椭圆型曲线, 称为椭圆极化。 如果 ,X分量的相位超前Y分量,末端 的轨迹为右旋椭圆极化,反之为左旋椭圆极化波。 * 电磁波的极化在许多邻域中获得了广泛应用。 如在光学工程中利用材料对于不同极化波的传 播特性设计光学偏振片。在分析化学中利用某 些物质对于传播其中的电磁波具有改变极化方 向的特性来实现物质结构的分析。在雷达目标 探测的技术中,利用目标对电磁波散射过程中 改变极化的特性实现目标的识别。无线电技术 中,利用天线发射和接收电磁波的极化特性, 实现最佳无线电信号的发射和接收等等。 * ρ 2、电磁场能量的传播 玻印廷定理给出了时变电磁场能量传播 的一个新图像,电磁场能量通过电磁场 传播。这对于广播电视、无线通信和雷 达等应用领域是不难理解的。 恒定电流或低频交流电的情况下, 场量往往是通 过电流、电压及负载的阻抗等参数表现,表面上 给人造成能量是通过电荷在导线内传输的假象。 X X X X X X 电 源 E H I R 负载只需经过极短(t L/c,其中c为 光速)的时间就能得到能量的供应。 L 负 载 如能量真是通过电荷在导线内传输,常温下导 体中电荷运动速度约10-5m/s,电荷由电源端到 负载端所需时间约是场传播时间L/c 的亿万倍 §4 时变场唯一性定理 1、时变电磁场唯一性定理: * * 2、唯一性定理的证明 仍用反证方法,假设有两组解 应用玻印廷定理: 应用玻印廷定理: §5 时谐电磁场 问题一: 时变电磁场的初始状态无法确知! 1、时变电磁场求解的问题 唯一性定理: 电磁场的初始状态 区域边界电磁场状态 时变电磁场可解 * 问题二: 电磁场的边界状态无法准确表达 问题三: 介质特性参数一般是时间 频率 和空 间的函数, 时变电磁场方程非常复杂 ☆ 场满足的波动方程或势函数方程是以介质的 电磁特性参数为时不变情形

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