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
1π
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--====⨯⨯⨯⨯⨯⨯
故
而
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-=
得
(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 。