电磁场与电磁波课后习题及答案七章习题解答

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《电磁场与电磁波》习题解答 第七章 正弦电磁波

7.1 求证在无界理想介质内沿任意方向e n (e n 为单位矢量)传播的平面波可写成

j()

e n r t m βω⋅-=e E E 。

解 E m 为常矢量。在直角坐标中

故 则 而 故

可见,已知的()

n j e r t m e βω⋅-=E E 满足波动方程 故E 表示沿e n 方向传播的平面波。

7.2 试证明:任何椭圆极化波均可分解为两个旋向相反的圆极化波。 解 表征沿+z 方向传播的椭圆极化波的电场可表示为 式中取

显然,E 1和E 2分别表示沿+z 方向传播的左旋圆极化波和右旋圆极化波。 7.3 在自由空间中,已知电场3(,)10sin()V/m

y z t t z ωβ=-E e ,试求磁场强度

(,)z t H 。

解 以余弦为基准,重新写出已知的电场表示式

这是一个沿+z 方向传播的均匀平面波的电场,其初相角为90︒

-。与之相伴的磁场为 7.4 均匀平面波的磁场强度H 的振幅为1

A/m 3π,以相位常数30rad/m 在空气中沿z -e 方向传播。当t=0和z=

0时,若H 的取向为y -e

,试写出E 和H 的表示式,并求出波的频率和波长。

解 以余弦为基准,按题意先写出磁场表示式 与之相伴的电场为

由rad/m β=30得波长λ和频率f 分别为 则磁场和电场分别为

7.5 一个在空气中沿

y

e +方向传播的均匀平面波,其磁场强度的瞬时值表示式为

(1)求β和在3ms t =时,

z H =的位置;(2)写出E 的瞬时表示式。

解(1)

78

10πrad /m rad /m 0.105rad /m 31030β==⨯

==⨯

在t =3ms 时,欲使H z =0,则要求 若取n =0,解得y =899992.m 。

考虑到波长260m

π

λβ=

=,故

因此,t =3ms 时,H z =0的位置为

(2)电场的瞬时表示式为

7.6 在自由空间中,某一电磁波的波长为0.2m 。当该电磁波进入某理想介质后,波长变为0.09m 。设1r μ=,试求理想介质的相对介电常数r ε以及在该介质中的波速。

解 在自由空间,波的相速

80310m/s

p v c ==⨯,故波的频率为

在理想介质中,波长0.09m λ=,故波的相速为 而 故

7.7 海水的电导率4S/m γ=,相对介电常数81

r ε=。求频率为10kHz 、100kHz 、1MHz 、10MHz 、100MHz 、1GHz 的电磁波在海水中的波长、衰减系数和波阻抗。

解 先判定海水在各频率下的属性

可见,当7

10Hz f ≤时,满足1

γ

ωε>>,海水可视为良导体。此时

f =10kHz 时 f =100kHz 时 f =1MHz 时 f =10MHz 时

当f =100MHz 以上时,1γ

ωε

>>不再满足,海水属一般有损耗媒质。此时,

f =100MHz 时

f =1GHz 时

7.8 求证:电磁波在导电媒质内传播时场量的衰减约为55dB/λ。

证明 在一定频率范围内将该导电媒质视为良导体,此时 故场量的衰减因子为

即场量的振幅经过z =λ的距离后衰减到起始值的0.002。用分贝表示。

7.9 在自由空间中,一列平面波的相位常数00.524rad /m β=,当该平面波进入到理想电介质后,其相位常数变为 1.81rad /m β=。设1r μ=,求理想电介质的r ε和波在电介质中

的传播速度。

解 自由空间的相位常数

0β=

在理想电介质中,相位常数 1.81rad /s

β

==,故

电介质中的波速则为

7.10 在自由空间中,某均匀平面波的波长为12cm ;当该平面波进入到某无损耗媒质时,波长变为8cm ,且已知此时的||50V /m =E ,||0.1A /m =H 。求该均匀平面波的频率以及无损耗媒质的r μ、

r ε。

解 自由空间中,波的相速8310m/s

p v c ==⨯,故波的频率为

在无损耗媒质中,波的相速为 故

8

210=⨯ (1)

无损耗媒质中的波阻抗为

||50500||0.1

η=

===ΩΕH (2)

联解式(1)和式(2),得

7.11 一个频率为f =3GHz ,e y 方向极化的均匀平面波在

2.5r ε=,损耗正切

2tan 10γ

δωε-=

=的非磁性媒质中沿()e x +方向传播。求:(1)波的振幅衰减一半时,传播

的距离;(2)媒质的本征阻抗,波的波长和相速;(3)设在x =0处的

950sin(610)V /m

3y t π

π=⨯+E e ,写出H (x ,t )的表示式。

解 (1)29901810123 2.5

2310 2.51036r f γγγγωεπεεππ--====⨯⨯⨯⨯⨯⨯

该媒质在f =3GHz 时可视为弱导电媒质,故衰减常数为 由

12x e α-=

(2)对于弱导电媒质,本征阻抗为 而相位常数

故波长和相速分别为

(3)在x =0处, 故 则 故

7.12 有一线极化的均匀平面波在海水(80,1,4/r r S m

εμγ===)中沿+y 方向传播,

其磁场强度在y =0处为

(1)求衰减常数、相位常数、本征阻抗、相速、波长及透入深度;(2)求出H 的振幅为0.01A/m 时的位置;(3)写出E (y ,t )和H (y ,t )的表示式。

解 (1)10109044360.181080108010γπ

ωεπεπ-⨯===⨯⨯⨯

可见,在角频率10

10ωπ=时,海水为一般有损耗媒质,故

(2)由0.010.1y e α-=即

0.1y

e α-=得 (3)83.910(,)0.1sin(10300)A/m

3y x y t e t y π

ππ-=--H e

其复数形式为

故电场的复数表示式为 则

7.13 在自由空间(z <0)内沿+z 方向传播的均匀平面波,垂直入射到z =0处的导体平面上。导体的电导率61.7MS/m γ=,1r μ=。自由空间E 波的频率f =1.5MHz ,振幅为

1V/m ;在分界面(z =0)处,E 由下式给出 对于z >0的区域,求2(,)H z t 。

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