电磁场与电磁波

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范文一:电磁场与电磁波》

《电磁场与电磁波》试题2 一、填空题(每小题1分,共10分)



1.在均匀各向同性线性媒质中,设媒质的介电常数为,则电位移矢量D和电场E满足的

方程为: 。

2.设线性各向同性的均匀媒质中电位为,媒质的介电常数为,电荷体密度为V,电位所满足的方程为 。

3.时变电磁场中,坡印廷矢量的数学表达式为。 4.在理想导体的表面,电场强度的 分量等于零。

ArdS

5.表达式S

A称为矢量场(r)穿过闭合曲面S的 。

6.电磁波从一种媒质入射到理想导体表面时,电磁波将发生 。 7.静电场是保守场,故电场强度沿任一条闭合路径的积分等于。 8.如果两个不等于零的矢量的点积等于零,则此两个矢量必然相互 。 9.对横电磁波而言,在波的传播方向上电场、磁场分量为。

10.由恒定电流产生的磁场称为恒定磁场,恒定磁场是 场,因此,它可用磁矢位函数的旋度来表示。

二、 简述题 (每小题5分,共20分)

11.试简述磁通连续性原理,并写出其数学表达式。

答:磁通连续性原理是指:磁感应强度沿任一闭合曲面的积分等于零,或者是从闭合曲面S穿出去的通量等于由S外流入S内的通量。 (3分)



其数学表达式为:BdS0 (2分)

S

12.简述亥姆霍兹定理,并说明其意义。

12.答:当一个矢量场的两类源(标量源和矢量源)在空间的分布确定时,该矢量场就唯一地确定了,这一规律称为亥姆霍兹定理。 (3分)

亥姆霍兹定理告诉我们,研究任意一个矢量场(如电场、磁场等),需要从散度和旋度两个方面去研究,或者是从矢量场的通量和环量两个方面去研究。 (2分)

BEdldS

tS

13.已知麦克斯韦第二方程为C

,试说明其物理意义,并写出方程的微

分形式。13.答:其物理意义:随时间变化的磁场可以产生电场。 (3分)

B

方程的微分形式:E 14.什么是电磁波的极化?极化分为哪三种?

t

14.答:电磁波的电场强度矢量的方向随时间变化所描绘的轨迹称为极化。(2分)

极化可以分为:线极化、圆极化、椭圆极化。(3分)四、应用题 (每小题10分,共30分)

19.设点电荷位于金属直角劈上方,如图1所示,求 (1) 画出镜像电荷所在的位置

(2) 直角劈内任意一点(x,y,z)处的电位表达式

解:(1)镜像电荷所在的位置如图19-1所示。 (注:画对一个镜像得2分,三个全对得5分)

q

q

q

19-1

(2)如图19-2所示任一点(x,y,z)处的电位为

q4

图19-2



1111

 (3分)

rr3r41r2

r1

x12x12x1

2

y2z

2

2

其中,

r2r3r4

y2z

2

2

2

y2z

2

x12y2z

2

2

20.设时变电磁场的电场强度和磁场强度分别为:



EE0cos(te)



HH0cos(tm)

(1) 写出电场强度和磁场强度的复数表达式

1

SavE0H0cos(em)

2证明其坡印廷矢量的平均值为:解:(1)电场强度的复数表

达式

j

EE0ee (3分)

电场强度的复数表达式

j

HH0em (2分)

1

(2)根据 SavReEH

2

*

得 (2分)

j()11emSavReE0H0eE0H0cos(em) (3分)

22



《电磁场与电磁波》试题3

一、填空题(每小题 1 分,共 10 分)

1.静电场中,在给定的边界条件下,拉普拉斯方程或 方程的解是唯一的,这一定理

称为唯一性定理。

2.在自由空间中电磁波的传播速度为m/s。

3.磁感应强度沿任一曲面S的积分称为穿过曲面S的 。 4.麦克斯韦方程是经典

5.在无源区域中,变化的电场产生磁场,变化的磁场产生 ,使电磁场以波的形式

传播出去,即电磁波。

6.在导电媒质中,电磁波的传播速度随频率变化的现象称为 。 7.电磁场在两种不同媒质分界面上满足的方程称为 8.两个相互靠近、又相互绝缘的任意形状的

9.电介质中的束缚电荷在外加电场作用下,完全脱离分子的内部束缚力时,我们把这种现

象称为 。

10.所谓分离变量法,就是将一个 二、简述题 (每小题 5分,共 20 分)

DHJ

t,试说明其物理意义,并写出方程的积分形11.已知麦克斯韦第一方程为

D

式。11.答:它表明时变场中的磁场是由传导电流J和位移电流共同产生(3分)。

t

该方程的积分形式为



Hdl

C

DJtdS (2分)

S

12.试简述什么是均匀平面波。 12. 答:与传播方向垂直的平面称为横向平面;(1分)

电磁场E和H的分量都在横向平面中,则称这种波称为平面波;(2分) 在其横向平面中场值的大小和方向都不变的平面波为均匀平面波。(2分)

13.试简述静电场的性质,并写出静电场的两个基本方程。13.答:静电场为无旋场,故沿任何闭合路径的积分为零;或指出静电场为有势场、保守场 静电场的两个基本方程积分形



式:DdSq

S



Edl0 或微分形式

l

E0

D

14.试写出泊松方程的表达式,并说明其意义。 14.答:

V/ (3分)

2

它表示求解区域的电位分布仅决定于当地的电荷分布。(2分) 五、综合题 (10 分)

21.设沿z方向传播的均匀平面电磁波垂直入射到理想导体,如图2所示,该电磁波为沿

x方向的线极化,设电场强度幅度为E0,传播常数为。

(1) 试写出均匀平面电磁波入射波电场的表达式; (2) 求出反射系数。

1.

由题意:

ˆxE0ejz (5分) Ee

解:

(2)设反射系数为R,

ˆxRE0ejzEre

(2分)

由导体表面z0处总电场切向分量为零可得:

1R0

故反射系数 R1 (3分)

《电磁场与电磁波》试题(4)

一、填空题(每小题 1 分,共 10 分) 

ˆxeˆyeˆzAe

1.矢量的大小为 。

2.由相对于观察者静止的,且其电量不随时间变化的电荷所产生的电场称为 。 3.若电磁波的电场强度矢量的方向随时间变化所描绘的轨迹是直线,则波称为。 4.从矢量场的整体而言,无散场的

5.在无源区域中,变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场,使电磁场以的形式传

播出去,即电磁波。

6.随时间变化的电磁场称为 场。

7.从场角度来讲,电流是电流密度矢量场的。

8.一个微小电流环,设其半径为a、电流为I,则磁偶极矩矢量的大小为 。 9.电介质中的束缚电荷在外加作用下,完全脱离分子的内部束缚力时,我们把这种

现象称为击穿。

10.法拉第电磁感应定律的微分形式为 二、简述题 (每小题 5分,共 20 分)

11.简述恒定磁场的性质,并写出其两个基本方程。11.答:恒定磁场是连续的场或无散场,

即磁感应强度沿任一闭合曲面的积分等于零。产生恒定磁场的源是矢量源。

(3分)两个基本方程:

S



BdS0

C



HdlI

12.试写出在理想导体表面电位所满足的边界条件。12.答:设理想导体内部电位为2,空气媒质中电位为1。由于理想导体表面电场的切向分量等于零,或者说电场垂直于理想导体表面,因此有1(2分)

13.试简述静电平衡状态下带电导体的性质。13.答:静电平衡状态下,带电导体是等位体,导体表面为等位面;导体内部电场强度等于零,在导体表面只有电场的法向分量。(3分) 14.什么是色散?色散将对信号产生什么影响?14.答:在导电媒质中,电磁波的传播速度

随频率变化的现象称为色散。色散将使信号产生失真,从而影响通信质量。 《电磁场与电磁波》试题(5)

一、填空题(每小题 1 分,共 10 分)

1.静电场中,在给定的边界条件下,拉普拉斯方程或泊松方程的解是唯一的,这一定理称为 。

2.变化的磁场激发,是变压器和感应电动机的工作原理。 3.从矢量场的整体而言,无旋场的 4. 方程是经典电磁理论的核心。

5.如果两个不等于零的矢量的点乘等于零,则此两个矢量必然相互。 6.在导电媒质中,电磁波的传播速度随 变化的现象称为色散。 7.电场强度矢量的方向随时间变化所描绘的

8.两个相互靠近、又相互 的任意形状的导体可以构成电容器。

9.电介质中的束缚电荷在外加电场作用下,完全种现象称为击穿。

10.所谓分离变量法,就是将一个多变量函数表示成几个 函数乘积的方法。 二、简述题 (每小题 5分,共 20 分)

11.简述高斯通量定理,并写出其积分形式和微分形式的表达式。答:高斯通量定理是指从封闭面发出的总电通量数值上等于包含在该封闭面内的净正电荷。其积分形式和微分形式的表达式分别为:DdV

V

S

2

(3分)0

S

1n

S



V

VdV DV

12.试简述电磁场在空间是如何传播的?12.答:变化的电场产生磁场;变化的磁场产生电

场;使电磁场以波的形式传播出去,即为电磁波。 13.试简述何谓边界条件。

14.已知麦克斯韦第三方程为S



BdS0

,试说明其物理意义,并写出其微分形式。14.答:

其物理意义为:穿过闭合曲面的磁通量为零,可以理解为:穿过一个封闭面S的磁通量等于

离开这个封闭面的磁通量,换句话说,磁通线永远是连续的.其微分形式为:B0 《电磁场与电磁波》试题(6) 一、填空题(每小题 1 分,共 10 分)

1.如果一个矢量场的旋度等于零,则称此矢量场为 。2.电磁波的相速就是 传播的速度。

3.实际上就是能量守恒定律在电磁问题中的具体表现。 4.在导电媒质中,电磁波的传播 随频率变化的现象称为色散。 5.一个标量场的性质,完全可以由它的 来表征。 6.由恒定电流所产生的磁场称为 。

7。 8.如果两个不等于零的矢量相互平行,则它们的叉积必等于 。 9.对平面电磁波而言,其电场和磁场均

10.亥姆霍兹定理告诉我们,研究任何一个矢量场应该从矢量的 两个角度

去研究。

二、简述题 (每小题 5分,共 20 分)



11.任一矢量场为A(r),写出其穿过闭合曲面S的通量表达式,并讨论之。11答:穿过闭



合曲面S的通量表达式 AdS 通量表示在单位时间内流体从闭合曲面内流出曲面S

S

的正流量与从闭合曲面S外流入内部的负流量的代数和,即净流量。 当0,表示流出多于流入,说明此时在S内有正源;当0则表示流入多于流出,此时在S内有负源;当0则表示流入等于流出,此时在S内无源。

12.什么是静电场?并说明静电场的性质。12.答:对于观察者静止且量值不随时间变化的电荷产生的电场称为静电场。静电场是无旋场。

13.试解释什么是TEM波。13.答:与传播方向垂直的平面称为横向平面;若电磁场分量都

在横向平面中,则称这种波称为平面波;(2分)也称为横电磁波即TEM波。 14.试写出理想导体表面电场所满足的边界条件。14.答:理想导体表面电场所满足的边界

条件:电场的切向分量为零;Et0 法向分量满足:En/0 其中,为导体表面电荷密度。 《电磁场与电磁波》试题(7)

一、填空题 (每小题 1 分,共 10 分)

1.如果一个矢量场的散度等于零,则称此矢量场为 。 2.所谓群速就是包络或者是 传播的速度。

3.坡印廷定理,实际上就是 定律在电磁问题中的具体表现。 4.在理想导体的内部,电场强度。

A5.矢量场(r)在闭合曲线C上环量的表达式为: 。

6.设电偶极子的电量为q,正、负电荷的距离为d,则电偶极矩矢量的大小可表示

为 。

7.静电场是保守场,故电场强度从P1到P2的积分值与 无关。

8.如果两个不等于零的矢量的叉积等于零,则此两个矢量必然相互 9.对平面电磁波而言,其电场、磁场和波的 三者符合右手螺旋关系。 10.所谓矢量线,乃是这样一些曲线,在曲线上的每一点上,该点的切线方向与矢量场的方

向 。

二、简述题 (每小题 5分,共 20 分)

11.什么是恒定磁场?它具有什么性质?11.答:恒定电流所产生的不随时间变化的磁场称



为恒定磁场;它具有无散、有旋特性 B0 HJ

12.试简述法拉第电磁感应定律,并写出其数学表达式。12.答:当穿过线圈所包围面积S的磁通发生变化时,线圈回路C中将会感应一个电动势;感应电动势在闭合回路中引起感

应电流的方向是使它所产生的磁场阻止回路中磁通的变化;

dEdlC

dt

S



BdS 14.高斯通量定理的微分形式为D,试写出其积分

形式,并说明其意义。14.高斯通量定理的微分形式为D,试写出其积分形式,并

说明其意义。答:DdS

S

V

VdVQ它表明从封闭面发出的总电通量数值上等于包含

在该封闭面内的净正电荷。 《电磁场与电磁波》试题(8) 一、填空题(每小题 1 分,共 10 分)

v1.已知电荷体密度为,其运动速度为,则电流密度的表达式为: 。

2.设线性各向同性的均匀媒质中电位为,媒质的介电常数为,电荷体密度为零,电位

所满足的方程为 。

3.时变电磁场中,平均坡印廷矢量的表达式为 。 4.时变电磁场中,变化的电场可以产生 5.位移电流的表达式为 。 6.两相距很近的等值异性的点电荷称为

7.恒定磁场是

8.如果两个不等于零的矢量的叉积等于零,则此两个矢量必然相互 。 9.对平面电磁波而言,其电场、磁场和波的

10.由恒定电流产生的磁场称为恒定磁场,恒定磁场是连续的场,因此,它可用磁矢位函数

的 来表示。

二、简述题 (每小题 5分,共 20 分)



Hdl

DJtdS

S,试说明其物理意义,并写出方程

11.已知麦克斯韦第一方程为C

D

的微分形式。11.答:它表明时变场中的磁场是由传导电流J和位移电流共同产生

t

D

该方程的积分形式为 HJ

t



u《电磁场与电磁波》试题(9) 1.对于某一标量和某一矢量A: 

(u)= 0 ;(A)=0

2.对于某一标量u,它的梯度用哈密顿算子表示为 graduu ;在直角坐标系下表示为 uex

uxey

uyez

uz



3.写出安培力定律表达式F

4



l1

l2

d1



1

(2d2r)



|r|

2

;dB

4



Idlr

|r|

2

写出毕奥-沙伐定律表达式

.真空中磁场的两个基本方程的积分形式为BdS0

s

H

c

dlI

5.分析静电矢量场时,对于各向同性的线性介质,两个基本场变量之间的关系为.DE;介质的本构方程

二.判断题(共20分,每小题2分)(×,√,√,√,√,×,√,√,×,√ )

正确的在括号中打“√”,错误的打“×”。

1.电磁场是具有确定物理意义的矢量场,但这些矢量场在一定的区域内并不具有一定的分布

规律。( )

2.矢量场在闭合路径上的环流和在闭合面上的通量都是标量。( )

3.按统一规则绘制出的力线可以确定矢量场中各点矢量的方向,还可以根据力线的疏密判别出各处矢量的大小及变化趋势。( ) 4.从任意闭合面穿出的恒定电流为零。( )

5.在无界真空中,如果电荷分布状态已确定,则他们的电场分布就可以确定。( ) 6.一根微小的永久磁针周围的磁场分布与微小电流环周围的磁场分布是不同的。( ) 7.电场强度是“场”变量,它表示电场对带电质点产生作用的能力。( ) 8.导体或介质所受到的静电力可以由能量的空间变化率计算得出。( )

9. 静电场空间中,任意导体单位表面所受力等于该导体单位表面的电荷量与该点的电场强度的乘积。( )

10.无自由电流区域的磁场边值问题和无自由电荷区域的静电场边值问题完全相似,求解方法也相同。( )

三.简答题(共30分,每小题5分)

3.当电流恒定时,写出电流连续性方程的积分形式和微分形式。3.JdS0;J0

s

4.写出真空中静电场的两个基本方程的积分形式和微分形式。DdSq,D;

s

Edl0,E

l

0

5.写出静电场空间中,在不同的导电媒质交界面上的边界条件。



1

J

1n

J

2n

1

n





2

2

n

;E1tE

2t

即

1

2

《电磁场与电磁波》试题(10) 一、填空题(共20分,每小题4分)



3.对于矢量A,写出:

高斯定理.Ad

AdS;

s

斯托克斯定理 Adl

C

rotAdS

S

4. 电场的两个基本方程的微分形式为D 和 E0 5.分析恒定磁场时,在无界真空中,两个基本场变量之间的关系为

B(r)0H(r) ,通常称它为真空的磁特性方程或本构关系

二.判断题(共20分,每小题2分) (√,√,×,√,√,×,√,×,√,×

正确的在括号中打“√”,错误的打“×”。

1.描绘物理状态空间分布的标量函数和矢量函数,在时间为一定值的情况下,它们是唯一的。( )

2.标量场的梯度运算和矢量场的旋度运算都是矢量。( )

3.梯度的方向是等值面的切线方向。( )

4.恒定电流场是一个无散度场。( )

5.一般说来,电场和磁场是共存于同一空间的,但在静止和恒定的情况下,电场和磁场可以独立进行分析。( )

6.静电场和恒定磁场都是矢量场,在本质上也是相同的。( )

7.研究物质空间内的电场时,仅用电场强度一个场变量不能完全反映物质内发生的静电现象。( )

8.泊松方程和拉普拉斯方程都适用于有源区域。( )

9.静电场的边值问题,在每一类的边界条件下,泊松方程或拉普拉斯方程的解都是唯一的。( )

10.物质被磁化问题和磁化物质产生的宏观磁效应问题是不相关的两方面问题。( )《电磁场与电磁波》试题(13)

一、填空题(每题8分,共40分)

1、 真空中静电场高斯定理的内容是:__________________________________________

_______________________________________________________________________

______________________________________________________________________。

2、 等位面的两个重要性质是:①_____________________________________________,

②____________________________________________________________________。

3、 真空中的静电场是__________场和__________场;而恒定磁场是____________场和

__________场。传导电流密度J___________。位移电流密度

Jd___________。电场能量密度W=___________。磁场能量密度W= em

4、 沿Z轴传播的平面电磁波的三角函数式:E_____________________,

H_________________________________;其波速V=__________________________,

波阻抗η=__________________,相位常数β=_______________________。

范文二:电磁场与电磁波

8413 班复习资料

第一部分 基本概念

1. 什么是场、矢量场、标量场、静态场、时变场? 场是遍及一个被界定的或无限扩展的空间内的,能够产生某种物理效应的特殊物质, 场 是具有能量。 (P1) 这种只有数值大小的物理量称为标量,该场成为标量场。 (P1) 不仅需要知道它的数值大小,还要知道它的方向,这样才能完全确定它,这样的物理量 称为矢量,该场称为矢量场。 (P1) 静态场是指电磁场中的源量和场量都不随时间变化的场。 (P109) 静态场的分类:静电场、恒定电场、恒定磁场。 (P109) 时变场是指电磁场中的源量和场量随时间变化的场。 2. 电场、电场强度的定义? 存在于电荷周围的能对其他带电体产生作用力的特殊物质称为电场。 (P34)

  F 用 E 表示: E = lim qt  0 q t

电场强度的定义: 单位正试验电荷在电场中某点处受到的作用力, 即为该点的电场强度, (P35)

电位差的定义?电场与电位的关系? 静电场内单位正电荷由 P 点移到 A 点外力所做的功, 称为 A 和 P 之间的电位差, 用φAP 表示:  AP =   E  dl  

P A



start

end

  E  dl (P40)

电场和电场强度的负梯度关系: E 3. 磁场、磁感应强度的定义?

  (P41)

存在与载流回路或永久磁铁周围空间,且能对运动电荷施力的特殊物质,称为磁场。 (P44)

     F  aυ 受到的磁场力的大小和方向定义。 B = lim (P44) qt  0 qυ t

4. 麦克斯韦方程组的物理含义?

描述磁场特性的物理量称为磁感应强度, 用 B 表示。 它可以由运动的试验电荷在磁场中

全电流定律表明磁场不仅由传导电流产生, 也能由变化的电场, 即位移电流产生。 (P57) 法拉第电磁感应定律说明变化的磁场产生电场。 即电场不仅由电荷源产生, 也可由时变 的磁场产生。 (P59) 真空中电场的高斯定律表明, 穿过任何闭合曲面的电通量等于该闭合曲面所包围的净电 荷。 (P66) 磁场的高斯定律表明, 通过任何闭合曲面的磁感应强度矢量 B 的通量恒为零。 有多少磁 场线穿入闭合曲面,就有多少磁场线从闭合曲面穿出,磁场线总是连续的,他不会在闭合曲 面内累积或中断,故称磁通连续性原理。 (P69)

第一部分 基本概念 第 1 页 共 5 页

(www.wenku1.com)8413 班复习资料

全电流定律

法拉第电磁感应定律

电场的高斯定律 磁场的高斯定律

     D      H  dl  J   d S    l S  c t        B   E  dl    d S   l S   t     D  d S    V  dV  

S V

 

   D   H = Jc  t    B   E=  t

   D =V

 



S

    BdS  0

    B =0

P.S.

正弦电磁场:

  j ; t

自由空间: J C 、 V 等于 0; 静态场:电场、磁场分开。 5. 处于静态场中的导体会发生什么现象?有何特点? 静电平衡;具有以下特点: (P80) 1) 2) 3) 4) 6. 导体为等位体; 导体内部电场为零; 导体表面的电场处处与导体表面垂直,切向电场为零 Et

 

0;

感应电荷只分布在导体表面上,导体内部感应电荷为零 V  0 。

导体在恒定电场中发生什么现象?有何特点?静电场与恒定电场有何不同? 传导现象; J C



    E ;静电场和恒定电场源不同,前者是电荷,后者是恒定电流(外

部电源) ,场也不同,前者是有散有旋场,后者是无散无旋场。 7. 什么是电介质的极化,极化后介质中 E 如何变化?

这种在外电场作用下, 电介质中出现有序排列的电偶极子, 表面上出现束缚电荷的现象, 称为电介质的极化。 (P85)

       D = 0 r E = E = 0 E  P  当产生极化时, E 

P.S. 8. P90 上例 3-1

什么是磁介质的磁化?磁化后介质中 B 如何变化?

在外磁场作用下, 物质中的原子磁矩都将收到一个扭矩作用, 所有原子磁矩都趋于和外 磁场方向一致排列,彼此不再抵消,结果对外产生磁效应,影响磁场分布,这种现象称为物 质的磁化,在外磁场作用下能产生磁化的物质称为磁介质。 (P91)

第一部分 基本概念 第 2 页 共 5 页

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           B =0 r H = H =0 H  0 M   当产生极化时, B 

9. 静态场中的位函数满足的方程: 有源区(泊松方程) :  2  

V ;无源区(拉普拉斯方程) :  2  0 

 

有源区:  2 A    J c ;无源区:  2 A  0

 

 

 2m  0 (只能在无源区使用)

10. 什么是对偶原理、唯一性定理、叠加原理? 如果描述两种物理现象的方程具有相同的数学形式, 并具有对应的边界条件, 那么他们 解的数学形式也将是相同的,这就是对偶原理。 (P114) 唯一性定理:在给定边界条件下泊松方程或拉普拉斯方程的解是唯一的。 (P118) 叠加原理:若φ1 和φ2 分别满足拉普拉斯方程,则φ1 和φ2 的线性组合φ=aφ1+bφ2 也 必然满足拉普拉斯方程。 (P117) 11. 镜象法的理论依据?解题思路。 理论依据是唯一性定理。 (P120) 注意以下四点: (P120) 1) 镜像电荷位于待求场域边界之外;

2) 将有边界的不均匀

空间处理为无限大均匀空间, 该均匀空间中媒质特性与待求场域 中一致; 3) 4) 实际电荷 (或电流) 和镜像电荷 (或电流) 共同作用保持原边界上的边界条件不变; 待求场域中的场只与待求场域中的源和边界条件有关,而与边界条件外的无关。

12. 分离变量法的原理是什么? 唯一性定理和叠加原理。 13. 均匀平面波的定义及特点。 波阵面为平面的电磁波称为平面电磁波, 如果在平面波阵面上, 每点的电场强度 E 均相 同,磁场强度 H 也相同,这种电磁波称为均匀平面电磁波。 (P190) 特点:均匀平面波的电场和磁场均无传播方向的分量,只有与传播方向垂直的分量。 即 对传播方向而言,电场和磁场只有横向分量,没有纵向分量,这种电磁波称为横电磁波, 简 写为 TEM 波。 (P192) 14. 什么是理想介质、有耗介质?均匀平面波在这两种媒质中传播的特点。 理想介质:  =0 ;有耗介质: 

 0。

在有耗媒质中传播的电磁波发生能量损耗, 导致波的幅值随传播距离增大而下降, 同时 波的相位也发生变化,导致整个传输波的波形发生畸变。 (P200) 15. 什么是电磁波的极化,特点,如何分类及判断? 波的极化是指空间某点电场强度矢量 E 的端点随时间变化的轨迹。 若某点的电场强度矢

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量随时间沿直线振荡时, 称为线极化波; 若某点的电场强度矢量的端点随时间沿圆周运动时 时,称为圆极化波;若电场强度矢量的端点沿椭圆运动,称为椭圆极化波。 值 圆极化波 椭圆极化波 线极化波

Ex、 Ey Ex  Ey

任意 任意

   x   y

2

任意 0 或π

P.S. 先判断相位,再判断电场的幅值。

16. 坡印亭定理、坡印廷矢量的含义? 坡印廷定理表明了电磁能流与电磁场量间的关系,数学表达式为:

         1 2 1 2  E   H dV  E  H  d S  J    S V c  EdV t V  2 2 

(P197)

   2 2 称为坡印廷矢量, 单位瓦特/米 (W/m ) 。 (P198) E  H 表示穿出单位面积的功率流密度,

17. 什么是相速p?色散现象?色散媒质?趋肤效应? 等相位面运动的速度,称为相速,用p 表示。 (P194)在有耗媒质中,不同频率的波以 不同的相速传播的现象称为色散现象,有耗媒质称为色散媒质。 (P203)在高频条件下,导 体中的电流绝大部分集中在导体表面附近,这种现象称为趋肤效应。 (P205) 18. 什么是垂直入射、斜入射、入射面的定义? 当入射波的传播方向与分界面的法线平行时,这种入射方式称为垂直入射。 (P210)当 电磁波

的入射方向与分界面的法线有一定夹角时这种入射方式称为斜入射。 (P225)由均匀 平面波的入射方向与分界面法线所构成的平面,称之为入射面。 (P226) 19. 驻波、纯驻波、反射系数、折射系数的定义? 这种波节点和波腹点位置固定的波称为驻波,波节点处值为零的驻波称为纯驻波。 (P212)称为反射系数,即分界面上反射波电场强度与入射波电场强度之比;称为透射 系数或折射系数,即分界面上透射波电场强度与入射波电场强度之比。 (P216) 20. 全折射现象、全反射现象的定义和发生条件? 如果入射角为某个角度时,恰好使θt=90°,此时介质 2 中没有透射波,这种现象称为 全反射。当入射波以某一角度入射时,入射波在分界面出全部透射于第二种媒质中,不发生 反射,这种现象称为全透射。 (P232)

全反射的条件:① 1   2 ;②

   c  arcsin

1 2

2 1

全折射的条件:① 入射波是平行极化波;②    B  arctan 21. 什么是电磁辐射?辐射产生的条件和影响辐射强弱的因素?

电磁能量脱离波源的束缚,向空间传播的现象称为电磁辐射。 (P277)

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辐射产生的条件:① 时变源存在;② 波源电路开放。 (P277) 影响辐射强弱的因素:① 源电路的尺寸与辐射波的波长相比拟时,辐射较明显;② 源 电路越开放,辐射越强。 (P277) 22. 时变位满足的方程是什么?为什么时变位也叫滞后位?     2 A 2  A      J c t 2 达朗贝尔方程或亥姆霍兹方程 (P280) 2     2   2   V t  某时刻 t 在控件距离时变源 R 处观察到的矢量磁位 A 和标量电位φ,是由(t-R/υ) 时刻的电流和电荷产生的。 这个滞后效应是由于电磁波的传播速度有限引起的, 因此 A 和φ 统称为滞后位。 (P281) 23. 什么是基本振子?辐射源的方向性及其他参数的含义? 一段通有高频电流的直导线,当导线长度远小于波长(l/λ

 E ,  F  ,  =     射的方向性,用归一化方向性函数 F ,  表示。定义: Emax

P0 ,  P ,  E

在 R 为某一常数的球面上, 场量只是θ的函数, 这种场量随空间方向变化的特征称为辐

方向性系数 D 的定义:① 当天线在其最大辐射方向上产生的场强与理想点源天线产生 的场强相同时,点源天线辐射功率与该天线辐射功率之比。 D

MAX

 E0

② 在相同的辐射功率下,天线产

生的最大辐射强度 Emax 与点源天线在同一点产生的 辐射强度 E

2 0 之比。

2 EMAX D 2 E0

2

(P285)

P =P0

半功率波瓣宽度是辐射功率等于最大方向辐射功率一般时两个方向之间的夹角。 (P285) 24. 天线阵的定义?影响天线阵辐射的因素、方向图乘积原理是什么? 这种由若干个辐射单元以各种形式(如直线、圆环、三角和平面等)在空间排列组合成 的天线系统叫天线阵。 (P294) 影响天线阵辐射的因素:① 振元数目;② 振元排列方式; ③振元间距; ④每个振元 的馈电电流的大小和相位。 (P294) 天线阵辐射的方向性函数由单元的方向性函数与阵因子的乘积而得, 该特性称为方向乘 积原理。 (P295) P.S.二元阵是由相隔一定距离的两个特性完全相同的辐射元组成。 分为纵向二元阵和横 向二元阵。

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第二部分 计算公式与方法

1. 矢量加、减、乘(P3-P5) 点乘(标量积) :一个矢量在另一个矢量方向上的投影与另一个模的乘积,结果是一个 标量。 A  B

 A B cos 

叉积(矢量积) :两矢量 A 和 B 的矢量积,其结果仍是一个矢量,用矢量 C 表示,矢量 C 的大小为 A 和 B 组成的平行四边形的面积,方向垂直于矢量 A 和 B 构成的平面,并且 A, B 和 C 三者符合右手螺旋法则。 C 

A  B  A B sin   aC

ax

叉乘计算公式: C 

ay Ay By

az Az Bz

A  B  Ax Bx

两矢量正交的条件: A B  0  A、B正交;平行的条件 A B  0  A、B平行 2. 标量场的梯度——矢量(P17)

定义一个矢量, 其大小为标量场函数在 P 点的方向导数的最大值, 其方向就是取得最大 方向的方向导数的方向,这个矢量称为场函数在该点的梯度,用 grad 表示。 数学表达式为: grad = 3.

d a n   dn

矢量场的散度——标量(P27) 该点的通量密度称为该点的散度,用 divF 表示,即 divF =

V  0

lim

 

S

F  dS V

 F

高斯定理:某一矢量的散度的体积分等于该矢量穿过该体积封闭表面的总通量,

V

  FdV    F  dS

S

4.

矢量场的旋度——矢量(P25) 定义一个新矢量, 其大小为 P 点最大的环量密度, 其方向为获得最大环量密度的面元的

法线方向,该矢量称为 P 点的旋度,用 rotF ,即 rotF =  F = 5. 电场的计算:

1 an   l F  dl S  S lim

1

 l dl  q    S dS a 点电荷: E= 2 R ,推广: 4 R   dV  V

q

2

对于对称的场:高斯定律: D  dS =Q 通过电位: E=   负梯度 , = 应用边界条件 D1n

,D  E

3

q 4 R

电位 

4

 D2 n   S,E1t 

E2t

第二部分 计算方法与公式 第 1 页 共 5 页

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6.

磁场的计算:

1

毕奥萨法尔定律: dB 

 Idl  a R 4 R 2

线电流(直接积分得到) :B  面电流(面电流分布: J S  体电流(体电流分布: J 

 Idl  a R 4  R 2

dI  aI ) :B  dl 4

 

JS  aR dS R2 J  aR dV R2

dI  aI ) :B  dS 4

l

2

对称分布:全电流定律:

 

H  dl =  J C 

S

D  dS t

P.S.圆环形成的磁场不能用全电流定律,只能用毕奥萨法尔定律。

3 4

边界条件: B1n

 B2 n,n  H1  H 2   J S

(不考) H =  m,B    A

7.

静态场的解:

1

求解场量方程(求解拉普拉斯方程或者泊松方程)

2 分离变量法:三角函数(sin、cos)有无穷多个零点,双曲正弦(sinh)有一个零 点,双曲余弦(cosh)偏导数有一个零点。

(P137 例 4-6) x 方向有两个零点,因此 X(x)应为三角函数形式,又因为 X(0)=0,所以 X(x)应选取正 弦函数。对应的 Y(y)函数为双曲函数,且 Y(0)=0,于是 Y(y)的形式为双曲正弦函数。 (P138 例 4-7) y 方向有两个零点,所以 Y(y)应该是三角函数形式,Y(0)=0,所以 Y(y)选择正 弦。X 方向分解成两个叠加。 (P165 习题 4-15) y 方向有两个零点,Y(0)=0,所以 Y(y)选择正弦。X 方向上 X(0)的偏导数为 0, X(x)应选择双曲余弦函数。 (P165 习题 4-16) y 方向有两个零点,Y(0)=0,所以 Y(y)选择正弦。X 方向上 X→∞时电位为 0,X(x) 应选择 e

 km y

(P165 习题 4-15) y 方向有两个零点,Y(0)=0,所以 Y(y)选择正弦。X 方向上 X(x)关于 x 轴对称(偶 函数) ,应该选择双曲余弦函数。 (奇函数应该选择双曲正弦)

3

镜象法:满足两个条件:  2 =0  S =f

A.

第二部分 计算方法与公式 第 2 页 共 5 页

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B.

C.

D.

E.

F.(先算内再算外)

G.

8.

场、路公式(U、I 为假设)

 U   E  dl R   I   E  dS    Q   E  dS  C   U   E  dl      B  dS L    I I  

9. 时变场计算

典型例题: (P170 例 5-1)

一维波动方程:

 2E  2E   z 2 t 2

A.在均匀无限大无耗媒质中: 

Ex  E0  e  jkz 或Ex  E0 cos t  kz 

k    

 相位常数,也叫波速:

v

 2  f 

c

vp 

 相速(等相位面的传播速度) :

k

   v 

 r r

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

  本质阻抗:

Ex  Hy

r   120  r

1 Re  E  H*    2

坡印廷矢量: S =E  H ;平均坡印廷

矢量: S av =

B.在有耗媒质中: (σ≠0)   

   j 复介电常数: 

, 

 , 式中: 为传播常数, 为衰减系数, 为相位常数,k 为复波数     j   jk ,

相速: v p

  

c

 r r

高阻耗媒质(良导体)

  100 : 

  

 



2

 j  e 4 

 1

趋肤深度 

2



C.垂直入射  反射系数  =

2  1 2  1

2 2 2  1

折射系数 = 若 Ei

 Ei 0 e  jk1z a x,k1   11  Ei 0 e jk1z a x,k1   11  Ei 0 e  jk2 z a x,k2   2 2

则反射波: E r 折射波: Et 

Ⅱ若为理想导体(  = ) ,

 1,  0

D.斜入射(分平行极化波和垂直极化波讨论)

第二部分 计算方法与公式 第 4 页 共 5 页

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全反射 ki sin  i

 kt sin  t 

sin  t ki   sin  i kt

i i vt  t  t vi

t  90 ,  c  arcsin

1 2

条件:密介质→疏介质 1   2 , i c 全折射: 

0

2 1

条件:平行极化波,    B  arctan E.辐射 电偶极子:远区场: E =j

Il e  jkR Il e  jkR  sin ,H  j sin  2 R 2 R

   cos  cos     jkR   I 0e 2   ,H  j I 0 e  半波振子: E =j  2 R  sin  2 R     

 jkR

    cos  2 cos       sin       

P.S.习题 8-5;例 8-4

第二部分 计算方法与公式 第 5 页 共 5 页

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拉梅系数: h1,h2,h3

h1

直角坐标系 柱坐标系 球坐标系

h2

h3

x 1 r 1 R 1

 y 1  r   R

z 1 z 1   R sin 

     = h u au1  h u au2  h u au3 1 1 2 2 3 3    1     Fu1  h2 h3   Fu 2  h1h3   Fu 3  h1h2  div F    F   h1h2 h3  u1 u2 u3    h1au1 h2 au 2 h3 au 3        F  1  h1h2 h3 u1 u2 u3  h1 Fu1 h2 Fu 2 h3 Fu 3    2  1    h2 h3      h1h3      h1h2            h h h  u h  u  u h  u  u h  u 1 2 3  1  1 1  2  2 2  3  3 3  

附录 第 1 页 共 1 页

范文三:电磁场与电磁波

电磁场与电磁波实验问卷答案

一、频谱特性测量演示实验问卷

1.ESPI 测试接收机所测频率范围为: 9KHz—3GHz

2.ESPI 测试接收机的RF输入端口 最大射频信号: 30dbm, 最大直流: 50v

3.是否直观的观测到电磁波的存在?(回答是/否) 否

4.演示实验可以测到的空间信号有哪些,频段分别为:

广播:531K~1602KHz GSM900:上行:890~915 MHz 下行:935~960 MHz

GSM1800:上行:1710~1755 MHz 下行:1805~1850 MHz WCDMA:上行:1920~1980MHz 下行:2110~2170MHz CDMA2000:上行:1920~1980MHz 下行:2110~2170MHz TD-SCDMA:2010~2025MHz

5.课堂演示的模拟电视和数字电视频谱图:如何判断是模拟还是数字电视?

模拟信号以残留边带调幅方式频分复用传输,有明确的载波频率,不同频道的图像有不同的载波频率。 模拟信号频谱为:每8MHz带宽即一个频道内,能量集中分布在图像载频上,在该载频附近有一个跳动的峰,为彩色副载波所在,再远一点(在8MHz内)还有一个峰,为伴音副载波的峰。

数字信号:一个数字频道的已调信号像一个抬高了的噪声平台, 均匀地平铺于整个带宽之内, 它的能量是均匀分布在整个限定带宽内的。

6.课堂演示GSM900上下行频谱图,CDMA下行频谱图,3G下行频谱图:

GSM900上行:

GSM900下行:

CDMA下行频谱图:

3G下行频谱图:

7.该频谱仪能检测的频谱范围,是否能观察到WIFI、电磁炉、蓝牙等频谱?(请分别说明,并指出其频率)

可以 该频谱仪能检测的频谱范围为9KHz—3GHz 所以,能够观察到: WIFI:2.4G

电磁炉:20KHz—30KHz

蓝牙:

2.4G

二、频谱特性测量演示实验问卷

1.矢量网络分析仪所测频段: 300KHz—3GHz

2.端口最大射频信号: 10DBM

3.矢量网络分析仪为何要校准:

首先,仪器的硬件电路需要校正,即消除仪器分析的系统误差;其次是参考面的改变,分析仪的测量精度很大程度上受分析仪外部附件的影响,测试的组成部分如连接电缆和适配器幅度和相位的变化会掩盖被测件的真实响应,必须通过用户校准去除这些附件的影响。

4.默认校准和用户校准的区别:

默认校准通过网络分析仪的套包的一系列校准标准来完成,对系统误差进行校准;用户校准时校准标准由用户制定,由用户定义的标准来完成,用于对参考面等进行精确校准。

5.使用矢量网络分析仪的注意事项 :

检查电源: 分析仪加电前,必须确认供电电源插座的保护地线已经可靠接地。

供电电源要求: 为防止或减少由于多台设备通过电源产生的相互干扰,特别是大功率设备产生的尖峰脉冲干扰可能造成分析仪硬件的毁坏,最好用220V交流稳压电源为分析仪供电。

电源线的选择: 使用随机携带的电源线,更换电源线时,最好使用同类型的电源线。

静电防护:接触器件、附件和进行测试连接时,佩戴防静电手腕带,将手腕带与桌垫相连接,桌垫和地之间串联1MΩ电阻

6.用户二端口校准的方法:

(1)将探头的输入输出短接;

(2)按cal键,则屏幕右边有显示;

(3)按F1 键,则可见显示屏幕右边第二栏由default变为measuring后变为created;

(4)按F6 键,则完成校准,此时可看幅频特性增益值为0db左右。

范文四:电磁场与电磁波报告

一、电磁场与电磁波的应用

人们对电磁理论的研究经过了漫长的过程。早期磁现象曾被认为是与电现象独立无关的,电学和磁学是两门平行的学科。电磁场现象的研究发现是从十六世纪下半叶英国人吉尔伯特实验展开的,在研究过程中它采用的方法比较原始,无法完全解释出电磁场的现象原理。电磁场的近代研究要追溯到18 世纪,由法国物理学家库伦以及英国物理学家卡文迪许展开研究分析,他们的主要贡献是发明了用测量仪器对电磁场现象做定量的规律,从而促使电磁场的发展得到了质的飞越。坚信自然力可以相互转化的奥斯特发现了电流磁效应,之后安培提出安培定则和分子电流假说。受到奥斯特试验现象鼓舞的法拉第于1831年首次发现电磁感应现象,奠定了电磁学的基础。在这之后,经典电磁学集大成者、英国天才物理学家麦克斯韦在法拉第的电磁研究基础上,进一步探讨了电与磁之间的互相影响作用关系,说明了电磁场的涵义,与此同时,他还总结分析除了电磁现象的规律,发表了位移电流的相关概念,并总结提出了麦克斯韦方程组,实现了物理史上的第二次综合。

现代电子技术如通讯、广播、电视、导航、雷达、遥感、测控、电子对抗、电子仪器和测量系统,都离不开电磁波的发射、控制、传播和接收;从家用电器、工业自动化到地质勘探,从电力、交通等工业、农业到医疗等国民经济领域,几乎全部涉及到电磁场理论的应用。并且电磁学一直是新兴科学的孕育点。 电磁场在科学技术中的应用,主要有两类:一类是利用电磁场的变化将其他信号转换为电信号,进而达到转化信息或者自动控制的目的;另一类是利用电磁场对电荷或者电流的作用来控制其运动,使平衡、加速、偏转或转动,以达到预定的目的。接下来将介绍电磁场的在人们生活中的应用的一种--磁悬浮列车。

电磁悬浮技术(electromagnetic levitation)简称EML技术。它的主要原理是利用高频电磁场在金属表面产生的涡流来实现对金属的悬浮体。磁悬浮技术的系统,是由转子、传感器、控制器和执行器4部分组成,其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。假设在参考位置上,转子受到一个向下的扰动,就会偏离其参考位置,这时传感器检测出转子偏离参考点的位移,作为控制器的微处理器将检测的位移变换成控制信号,然后功率放大器将这一控制信号转换成控制电流,控制电流在执行磁铁中产生磁力,从而驱动转子返回到原来平衡位置。因此,不论转子受到向下或向上的扰动,转子始终能处于稳定的平衡状态。

目前在磁悬浮技术,国内外研究的热点为磁悬浮轴承和磁悬浮列车。与传统铁路相比磁悬浮列车具有运行速度快;无有害的废气,有利于环境保护;无需车轮,不存在轮轨摩擦而产生的轮对磨损,减少了维护工作量和经营成本等优点。

磁悬浮列车主要由悬浮系统、推进系统和导向系统三大部分组成。尽管可以使用与磁力无关的推进系统,但在目前的绝大部分设计中,这三部分的功能均由磁力来完成。根据不同的分类标准,磁悬浮列车可以分为不同的种类,按磁悬浮列车所采用的电磁铁种类可以分为常导磁吸式和超导排斥型两大类。

常导磁吸式磁悬浮列车利用装在车辆两侧转向架上的常导电磁铁(悬浮电磁铁)和铺设在线路导轨上的磁铁,在磁场作用下产生的吸引力使车辆浮起。车辆和轨面之间的间隙与吸引力的大小成反比。为了保证这种悬浮的可靠性和列车运行的平稳,使直线电机有较高的功率,必须精确地控制电磁铁中的电流,使磁场保持稳定的强度和悬浮力,使车体与导轨之间保持大约10 mm的间隙。通常采用测量间隙用的气隙传感器来进行系统的反馈控制。这种悬浮方式不需要设置专用的着地支撑装置和辅助的着地车轮,对控制系统的要求也可以稍低一些。这种磁悬浮列车的运行速度通常在300~ 500 km /h 范围内,适合于城际及市郊的交通运输。常导磁吸式磁悬浮列车的导向系统与悬浮系统类似,是在车辆侧面安装一组专门用于导向的电磁铁。车体与导向轨侧面之间保持一定间隙。当车辆左右偏移时,车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用,使车辆恢复到正常位置。控制系统通过对导向磁铁中的电流进行控制来保持这一侧向间隙,从而达到控制列车运行方向的目的。

超导排斥型磁悬浮列车在车辆底部安装超导磁体(放在液态氦储存槽内),在轨道两侧铺设一系列铝环线圈。列车运行时给车上线圈(超导磁体)通电流,产生强磁场,地上线圈(铝环)与之相切割,在铝环内产生感应电流。感应电流产生的磁场与车辆上超导磁体的磁场方向相反,两个磁场产生排斥力。当排斥力大于车辆重量时车辆就浮起来。因此,超导排斥型磁悬浮列车就是利用置于车辆上的超导磁体与铺设在轨道上的无源线

圈之间的相对运动来产生悬浮力将车体抬起来的,其悬浮间隙大小一般在100 mm左右。这种磁悬浮列车低速时并不悬浮,当速度达到100 km /h 时才悬浮起来,它的最高运行速度可以达到1 000 km /h ,当然其建造技术和成本要比常导磁吸式磁悬浮列车高得多。超导排斥型磁悬浮列车的导向系统可以采用以下 3 种方式构成: ①在车辆上安装机械导向装置实现列车导向。这种装置通常采用车辆上的侧向导向辅助轮,使之与导向轨侧面相互作用(滚动摩擦)以产生复原力,这个力与列车沿曲线运行时产生的侧向力相平衡,从而使列车沿着导向轨中心线运行。②在车辆上安装专用的导向超导磁铁,使之与导向轨侧向的地面线圈和金属带产生磁斥力,该力与列车的侧向作用力相平衡,使列车保持正确的运行方向。这种导向方式避免了机械摩擦,只要控制侧向地面导向线圈中的电流,就可以使列车保持一定的侧向间隙。③利用磁力进行导引的“零磁通量”导向系铺设“8” 字形的封闭线圈。当列车上设置的超导磁体位于该线圈的对称中心线上时,线圈内的磁场为零;而当列车产生侧向位移时,“8”字形的线圈内磁场为零,并产生一个反作用力以平衡列车的侧向力,使列车回到线路中心线的位置。

在推进系统方面,关键的技术是把旋转电机展开成直线电机。它的基本构成和作用原理与普通旋转电机类似,展开以后,其传动方式也就由旋转运动变为直线运动。常导磁吸式磁悬浮采用短定子异步直线电机。在车上安装三相电枢绕组,轨道上安装感应轨。采用车上供电方式。这种方式结构比较简单,容易维护,造价低,适用于中低速的城市运输及近郊运输以及作为短程旅游线系统;主要缺点是功率偏低,不利于高速运行。其中TR 型快速动车和上海引进的Transrapid 06号磁悬浮列车,以及日本的 HSST型磁悬浮列车都采用这种形式。超导排斥式磁悬浮采用长定子同步直线电机。其超导电磁体安装在车辆上,在轨道沿线设置无源闭合线圈或非磁性金属板。作为磁浮装置的超导电磁线圈的采用,为直线同步电机的激磁线圈处于超导状态提供了方便条件。它们可以共存于同一个冷却系统,或者同一线圈同时起到悬浮、导向和推进的作用。高速长定子同步直线电机牵引系统的构成相对复杂。地面牵引系统,供电一个区间(长约30km)区间又分成许多段(约300-1000 m),每段只有列车通过时供电,各段切换由触点真空开关完成。为使列车在段间不冲动,需两组逆变器轮流供电,其特点为大功率、高压、大电流。动力在地面的优势有路轨电机的功率强以及车辆的设计简化、重量轻。适用于高速和超高速磁悬浮铁路。日本和加拿大决定发展这种磁悬浮系统。

随着电子元件的集成化以及控制理论和转子动力学的发展,经过多年的研究工作,国内外对该项技术的研究都取得了很大的进展。但是不论是在理论还是在产品化的过程中,该项技术都存在很多的难题,其中磁悬浮列车的技术难题是悬浮与推进以及一套复杂的控制系统,它的实现需要运用电子技术、电磁器件、直线电机、机械结构、计算机、材料以及系统分析等方面的高技术成果,需要攻关的是组成系统的技术和实现工程化。除了上述技术问题外,磁悬浮列车还面临着安全(如磁悬浮的辐射问题)和资金等方面的困难,所以尽管磁悬浮列车相对于传统铁路具有很大的优势,其大规模应用还需要很长的时间来实现。

二、电磁学实验

物理学是一门实验的科学,离开了物理实验,物理学就不能得到发展,例如物理学的两朵乌云(迈克耳逊-莫雷实验与“以太”说矛盾和黑体辐射与“紫外灾难”)都是由于实验结果与理论分析的冲突,分别促使了相对论和量子理论的诞生。对于物理学分支的电磁学,实验的作用不容忽视。电磁学从发展至今,为了验证理论的正确性,物理科学家完成了很多经典实验。

1. 赫兹电磁波证实实验

自麦克斯韦预言电磁波存在之后,第一个验证电磁波存在的科学家是赫兹。赫兹在柏林大学随赫尔姆霍兹学物理时,受赫尔姆霍兹之鼓励研究麦克斯韦电磁理论,当时德国物理界深信韦伯的电力与磁力可瞬时传送的理论。因此赫兹就决定以实验来证实韦伯与麦克斯韦理论谁的正确。

依照麦克斯韦理论,电扰动能辐射电磁波。赫兹根据电容器经由电火花隙会产生振荡原理,设计了一套电磁波发生器,赫兹将一感应线圈的两端接于产生器二铜棒上。当感应线圈的电流突然中断时,其感应高电压使电火花隙之间产生火花。瞬间后,电荷便经由电火花隙在锌板间振荡,频率高达数百万周。由麦克斯韦理论,此火花应产生电磁波,于是赫兹设计了一简单的检波器来探测此电磁波。他将一小段导线弯成圆形,线的两端点间留有小电火花隙。因电磁波应在此小线圈上产生感应电压,而使电火花隙产生火花。

所以他坐在一暗室内,检波器距振荡器10米远,结果他发现检波器的电火花隙间确有小火花产生。赫兹在暗室远端的墙壁上覆有可反射电波的锌板,入射波与反射波重叠应产生驻波,他也以检波器在距振荡器不同距离处侦测加以证实。赫兹先求出振荡器的频率,又以检波器量得驻波的波长,二者乘积即电磁波的传播速度。正如麦克斯韦预测的一样。电磁波传播的速度等于光速。赫兹实验的装置图如下图所示:

图一图二

图一用来产生电磁波,图二用于探测电磁波,在图二中套在杆CD上的套子可以调节其长短,用来改变此杆的固有频率。当偶极子振荡并发射电磁波时,由于电磁感应,杆CD会产生电磁受迫振荡,在空隙中也就有火花发生。当这铜杆的固有频率等于振荡偶极子的振荡频率时,形成共振,火花更强。所以,这铜杆称为谐振器。

1888年,赫兹的实验成功了,而麦克斯韦理论也因此获得了无上的光彩。赫兹在实验时曾指出,电磁波可以被反射、折射和如同可见光、热波一样的被偏振。由他的振荡器所发出的电磁波是平面偏振波,其电场平行于振荡器的导线,而磁场垂直于电场,且两者均垂直传播方向。

2. 法拉第电磁感应实验

奥斯特发现电流磁效应之后,很多科学家想证实其逆效应,即磁是否可以产生电,但是他们都坚持稳态条件不变,没有得到正确是实验结果,最终坚持不懈法拉第发现在线圈中的电流刚接通或者断开时,另一个线圈中产生了电流,从而发现了电磁感应定律。

法拉第把两个线圈绕在一个铁环上,线圈A接直流电源,线圈B接电流表。他发现,当线圈A的电路接通或断开的瞬间,线圈B中产生瞬时电流。法拉第发现,铁环并不是必须的。拿走铁环,再做这个实验,上述现象仍然发生,只是线圈B中的电流弱些。为了透彻研究电磁感应现象,法拉第做了许多实验,最终认识到感应现象的暂态性,提出只有在变化时,静止导线中电流才能在另一根静止导线中感应出电流;而导线中的稳恒电统不可能在另一根静止导线中感应出电流的。1831年11月24日,法拉第向皇家学会提交的一个报告中,把这种现象定名为“电磁感应现象”,并概括了可以产生感应电流的五种类型:变化的电流、变化的磁场、运动的恒定电流、运动的磁铁、在磁场中运动的导体。

法拉第之所以能够取得这一卓越成就,

是同他关于各种自然力的统一和转化的思想密切相关的。正是这种对于自然界各种现象普遍联系的坚强信

念,支持着法拉第始终不渝地为从实验上证实磁向电的转化而探索不已。这一发现进一步揭示了电与磁的内在联系,为建立完整的电磁理论奠定了坚实的基础。法拉第所用实验装置如下图所示:

图三

3. 库仑扭秤实验

1785年, 库仑利用自己的有关扭力方面的知识, 设计制作了一台精密的扭秤, 进行了测定电力作用的实验。他在一个玻璃圆缸上端装一银质悬丝, 悬丝下挂一横杆, 杆的一端为木质小球A, 另一端是一配平用的小球B 。圆缸上有3 60 个刻度, 悬丝自由放松时, 横杆上的小木球指到0。他先使另一相同小球C 带电, 然后使它与杆端小球A 接触后分开, 以便两小球均带同种等量电荷, 互相排斥。当达到平衡时, 在这一位置上扭力的大小与静电排斥力是相等的。库仑分别使小球相距36 个刻度、18 个刻度和8.5 个刻度, 大体上按缩短一半的比例来观测, 结果悬丝分别扭转了36个刻度144 个刻度和575.5 个刻度。这表明间距比为1 : 0.5: 0.25, 而转角比为1 : 4 : 16。最后一个数据由于漏电的缘故而有些偏差。从这样的实验中, 库仑得出了“带 同类电的两球之间的排斥力, 与两球中心之间距离的平方成反比”的结论。

接着库仑又研究了两个异种电荷之间的吸引力, 在这种情况下扭秤方法遇到了麻烦。因为,当小木球A 上的电荷在扭力为零的位置同固定电荷C 的位置之间运动时, 扭力的大小与两球之间的距离呈线性规律变化, 而电荷之间的吸引力则与距离的平方关系呈反比变化, 两者之间即使能够达到平衡, 也是一种不稳定平衡, 如果出现一个微扰动, 电荷之间的吸引力就会比扭力增加得更快, 往往导致两球相碰。库仑在论文中这样写道: “即使能达到平衡, 最后两球也往往会相碰, 这是因为扭秤十分灵活, 多少会出现左右摇摆的缘故。”然而, 尽管如此, 库仑声称他还是首先使用了扭力同静电吸引力平衡的方法进行了测量, 并说明他由此得到静电吸引力也满足平方反比律的结论。库仑实验所用装置图如下:

图四

库仑的实验与定律在电学史上有着重要的地位, 它是人们对电现象的研究从定性阶段进入定量阶段的转折点, 它使电磁学进入了理论发展阶段, 成为一门定量的科学。就科学的重要性而论, 库仑的实验及其工作是杰出的。

4. 密立根油滴实验

密立根油滴实验是美国物理学家密立根所做的测定电子电荷的实验。方法主要是平衡重力与电力,使油滴悬浮于两片金属电极之间。并根据已知的电场强度,计算出整颗油滴的总电荷量。重复对许多油滴进行实验之后,密立根发现所有油滴的总电荷值皆为同一数字的倍数,因此认定此数值为单一电子的电荷e。 该实验使密立根于

1923年获得诺贝尔物理学奖。

密立根所做油滴实验如下,用喷雾器将油滴喷入电容器两块水平的平行电极板之间时,油滴经喷射后,一般都是带电的。在不加电场的情况下,小油滴受重力作用而降落,当重力与空气的浮力和粘滞阻力平衡时,它便作匀速下降,它们之间的关系是:

mg=F1+B(1)

式中:mg──油滴受的重力,F1──空气的粘滞阻力,B──空气的浮力。

令ς、ρ分别表示油滴和空气的密度;a为油滴的半径;η为空气的粘滞系数;vg为油滴匀速下降速度。因此油滴受的重力为mg=4π3aςg,空气的浮力B34π3aρg,空气的粘滞阻力f13==6πηavg(流体力学的斯托克斯定律)。于是(1)式变为:

4π34π3aςg=6πηavg+aρg 可得出油滴的半径 a=3(ηvg/2g(ς−ρ)) (2)

当平行电极板间加上电场时,设油滴所带电量为q,它所受到的静电力为qE,E为平行极板间的电场强度,E=U/d,U为两极板间的电势差,d为两板间的距离。适当选择电势差U的大小和方向,使油滴受到电场的作用向上运动,以ve表示上升的速度。当油滴匀速上升时,可得到如下关系式:

F2+mg=qE+B(3)

上式中F2为油滴上升速度为ve时空气的粘滞阻力:

F2=6πηave

由(1)、(3)式得到油滴所带电量q为

q=(F1+F2)/E=6πηad(vg+ve)/u(4)

(4)式表明,按(2)式求出油滴的半径a后,由测定的油滴不加电场时下降速度vg和加上电场时油滴匀速上升的速度ve,就可以求出所带的电量q。密立根油滴实验装置如下图: 1

图五

油滴实验中将微观量测量转化为宏观量测量的巧妙设想和精确构思,以及用比较简单的仪器,测得比较精确而稳定的结果等都是富有启发性的,其实验原理至今仍在当代物理科学研究的前沿发挥着作用。

三、平面电磁波

平面电磁波是指电磁波的场矢量的等相位面是与电磁波传播方向垂直的无限大平面,它是矢量波动方程的一个特解。严格的说理想的平面电磁波是不存在的,因为只有无限大的波源才能激励出这样的波。但是如果场点离波源足够远的话,那么空间曲面的很小的一部分就十分接近平面,在这一小范围内,波的传播特性也近似为平面波。在平面波中,均匀平面波是最简单的电磁波。均匀平面波是指等相位面为无限大平面,且等相位面上场强大小相等、方向相同的电磁波,即沿某方向传播的平面电磁波的场量除随时间变化外,只与波传播方向的坐标有关,而与其他坐标无关。

(一)、无耗媒质中齐次波动方程的均匀平面波解

1.无耗媒质是指:σ=0 μ、ε为实常数,无源是指:ρ=0,J=0;所以在此媒质中根据麦克斯韦方程组和矢

(www.wenku1.com) ∇×(www.wenku1.com)=−(www.wenku1.com)可以得到电场强度E和磁场强度H满足的波动方程如下: 量恒等式∇∙(www.wenku1.com)=0

∇∙(www.wenku1.com)=0 ∇×∇×(www.wenku1.com)=∇ ∇∙(www.wenku1.com) −∇2(www.wenku1.com)∇×(www.wenku1.com)=(www.wenku1.com)0),所以E、H对x、y的偏导数为0,又因为∇∙(www.wenku1.com)=0,所以在t=0时,(www.wenku1.com) (www.wenku1.com),(www.wenku1.com) =0,即其在z方向上的分量为0。根据叠加原理,可分别计算(www.wenku1.com)、(www.wenku1.com)在x,y方向的分量,假设只有x方向分量,解(www.wenku1.com)满足的方程可以得到其通解为(www.wenku1.com) (www.wenku1.com),(www.wenku1.com) =(www.wenku1.com)1((www.wenku1.com)−(www.wenku1.com))+(www.wenku1.com)2((www.wenku1.com)+(www.wenku1.com)) 其中(www.wenku1.com)1与(www.wenku1.com)2为(www.wenku1.com)−(www.wenku1.com)、(www.wenku1.com)+(www.wenku1.com)的任意函数,分别表示沿z轴正负方向传播,由于一般没有反射波的存在,所以(www.wenku1.com) (www.wenku1.com),(www.wenku1.com) 只有(www.wenku1.com)1分量,同理可得(www.wenku1.com) (www.wenku1.com),(www.wenku1.com) =(www.wenku1.com)((www.wenku1.com)−(www.wenku1.com))。

对于正弦电磁场,在无耗媒质中,根据麦克斯韦方程的复数形式,可以得到波动方程:

(z)2E2x+−(www.wenku1.com)−+(www.wenku1.com)kEx(z)0(k=ω ),可以得到解:(www.wenku1.com) (www.wenku1.com),(www.wenku1.com) =(www.wenku1.com)0(www.wenku1.com)+(www.wenku1.com)0(www.wenku1.com),其中E_0^+=E_0m 2z

+−(www.wenku1.com)−−+(www.wenku1.com)e^(+jφ)(www.wenku1.com)0=(www.wenku1.com)0(www.wenku1.com)e^(-jφ ),φ为初始相位。根据∇×(www.wenku1.com)=−(www.wenku1.com),得到(www.wenku1.com)=(www.wenku1.com)((www.wenku1.com)0(www.wenku1.com)+(www.wenku1.com)0(www.wenku1.com)),η= (www.wenku1.com)1(www.wenku1.com)

位为欧姆)。

2.均匀平面电磁波的电场强度矢量和磁场强度矢量与传播方向垂直,没有传播方向的分量,即只有横向分量,没有纵向分量。这种电磁波被称为横向磁波(TEM波)。

3.均匀平面波的传播特性

在1的条件下(均匀平面波沿+z方向传播,并且只有x方向分量),可以得到电场强度与磁场强度矢量的瞬时值的表达式(www.wenku1.com) z,t =(www.wenku1.com)0(www.wenku1.com)cos⁡((www.wenku1.com)−(www.wenku1.com)+∅0),(www.wenku1.com)=(www.wenku1.com)0(www.wenku1.com)cos⁡((www.wenku1.com)−(www.wenku1.com)+∅0),其中∅0为初始相位。正弦均匀平面电磁波的电场和磁场在空间上相互垂直,在时间上同相,振幅之间有比值,取决于媒介的介电常数和磁导率。

正弦均匀电磁波的等相位面方程:(www.wenku1.com)−(www.wenku1.com)=(www.wenku1.com).

相速(等相位面行进的速度)(www.wenku1.com)=2π

(www.wenku1.com)空间相位kz变化2π所经过的距离称为波长λ=

一秒内相位变化2π的次数称为频率f,(www.wenku1.com)=λf。

复坡印廷矢量(www.wenku1.com)=(www.wenku1.com)0(www.wenku1.com)

2η,坡印廷矢量的时间平均值为(www.wenku1.com)=(www.wenku1.com)0(www.wenku1.com)

2η,平均功率密度为常数,表明与传播方

向垂直的所有平面上,每单位面积通过的平均功率相同电磁波在传播过程中没有能量损失,在理想媒介中均匀平面电磁波为等振幅波。

任一时刻电场能量密度和磁场能量密度相等,各为总电磁能量的一半,值为12E0mcos2(tkz0) 2

均匀平面波的能量传播速度为veSav

wavE02m/22E0m/21vp,等于其相速。

4.任意方向传播的均匀平面波 在1的条件下(均匀平面波沿+z方向传播,并且只有x方向分量)电磁波可以表示为(www.wenku1.com)=(www.wenku1.com)−(www.wenku1.com),利用∇× (www.wenku1.com) =(www.wenku1.com)∇×(www.wenku1.com)+∇(www.wenku1.com)×(www.wenku1.com)=(www.wenku1.com)−(www.wenku1.com)

(www.wenku1.com) 公式 ∇∙(www.wenku1.com)=(www.wenku1.com)∙(www.wenku1.com)+(www.wenku1.com)∙(www.wenku1.com)可以得到 (www.wenku1.com)=(www.wenku1.com)×(www.wenku1.com) (www.wenku1.com)∇×(www.wenku1.com)=−(www.wenku1.com)∙(www.wenku1.com)=0∇∙(www.wenku1.com)=0

′若现在为坐标系ox’y’z’,旋转后得到oxyz,假设cosα、cosβ、cosγ是(www.wenku1.com)在直角坐标系oxyz中的方向余弦,

则有传播矢量k=((www.wenku1.com)+(www.wenku1.com)+(www.wenku1.com)),其方向为波的传播方向。坐标旋转时,矢量(www.wenku1.com)不变,只

(www.wenku1.com)=(www.wenku1.com)−(www.wenku1.com)∙(www.wenku1.com)

(www.wenku1.com)=(www.wenku1.com)+(www.wenku1.com)+是在不同的坐标系下的分量不同,故任意方向传播的均匀平面波可以表示为: (www.wenku1.com)=(www.wenku1.com)×(www.wenku1.com)r(www.wenku1.com)

(www.wenku1.com)∙(www.wenku1.com)=0

(www.wenku1.com)

(二)、导电媒质中的平面电磁波

1.无源无界的导电媒质(σ≠0,ε、μ为常数)中的平面电磁波满足的波动方程的推导方式和无耗媒质中的

∇×(www.wenku1.com)=σ(www.wenku1.com)+(www.wenku1.com)22(www.wenku1.com)2=(www.wenku1.com)2(www.wenku1.com)∇(www.wenku1.com)+(www.wenku1.com)=0相似,根据麦克斯韦方程组 ∇×(www.wenku1.com)=−(www.wenku1.com)可以得到波动方程 2其中 (www.wenku1.com), 2(www.wenku1.com)=(www.wenku1.com)−(www.wenku1.com)∇(www.wenku1.com)+(www.wenku1.com)=0(www.wenku1.com)∇∙(www.wenku1.com)=0(www.wenku1.com)∇∙(www.wenku1.com)=0

可以解出E的一个解为

(www.wenku1.com)=(www.wenku1.com)−(www.wenku1.com),(γ=β−jα

),(www.wenku1.com)=(www.wenku1.com)0(www.wenku1.com)−(www.wenku1.com)−(www.wenku1.com),(www.wenku1.com)= (www.wenku1.com)−(www.wenku1.com)2. 色散:携带信号的电磁波由于其不同频分量以不同的速度传播,频率分量之间的相位关系将发生变化,

从而导致失真。

3. 能量关系:

E22az[coscos(2t2z20)]。 坡印廷矢量的瞬时值:(www.wenku1.com)(z,t)=(www.wenku1.com)时间平均值:(www.wenku1.com)=(www.wenku1.com)

平均电能密度:wav,e(www.wenku1.com)0(www.wenku1.com)2ηe2azcos。 211Em2e2az,平均磁能密度:wav,mEm2e2az1 44

2122azEme1。 4平均磁能密度大于平均电能密度。由此总的平均能量密度wav

能量传播速度(www.wenku1.com)=(www.wenku1.com),能速与相速相等。

4. 媒质可以分为电解质,不良导体和良导体,与媒质参数和频率有关。电介质:

(1;不良导体:1;良导体:1)

5. 电磁波在良导体中的传播

集肤效应:由于电磁波在良导体中衰减极快,高频电磁场只能存在于良导体表面的一个薄层内。电磁波场强振幅衰减到表面处的1/e的深度,称为趋肤深度(穿透深度)。 根据公式E0eE01e,可以得到1

2

1

f,可见可见导电性能越

好(电导率越大),工作频率越高,则趋肤深度越小。

根据公式:

ExE0e(1j)az

HyExE0j4(1j)azH0e,H0E0cc2

,可得Sav(z0)JxExJ0e(1j)az,J0E0ez12, E022

等于单位面积内导体内传导电流的热损耗的功耗(Pc)。

导体的表面阻抗定义为导体表面处切向电场强度Ex与切向磁场强度Hy之比,ZSEx

Hyz0E0c(1jRSjXS,RSXSH021l, 2(w)lw1表面电阻相当于单位长度单宽度,而厚度为δ的导体块的直流电阻。电流通过表面电阻所损耗的功率等于电磁波垂直传入导体所耗散的热损耗功率。

(三)、电磁波的极化

电磁波的极化是指电场强度矢量的矢端在空间固定点上随时间变化所描绘的轨迹,即空间任一点上电磁波的电场强度矢量的空间取向随时间变化的方式。可以分为线极化波、圆极化波、椭圆极化波,其中线极化波、圆极化波可以看做是椭圆极化波的特例。

1.线极化波

条件为Ex和Ey同相,即φx=φy=φ0; z=0时,Ex

可以得到合成电磁场矢量的模值为E

正切值tan Exmcos(t0),EyEymcos(t0),22ExmEymcos(t0),与X轴正向的夹角的Ex2Ey2aEyEym常数。可以看到合成平面电磁波的电场强度矢量E的矢端轨迹一条直线,ExExm

故称为线极化。当两个方向的分量相位差为π时,可以证明其认为线极化波。如下图所示:

2.圆极化

条件为当两分量相位相差为0.5π时,即ExmEymEm,xy

22,z0,ExEmcos(tx)

ExEmEyE1m22、EyEmcos(tx)Emsin(tx),则,可以得到合成电磁场矢量的模值为Esin(tx)Ex2Ey2Em,arctan(tx)

cos(tx)。此时合成平面电磁波的电场

强度矢量E的矢端轨迹为圆,,故称为圆极化。圆极化波有不同的旋转方向。我们规定如电场强度矢量E与

电磁波传播方向符合右手螺旋关系,则其称为右旋极化波,反之称为左旋极化波。如果电磁波的传播方向是z向,若电场Ex分量的相位超前Ey,则为右旋极化波;反之为左旋极化波。圆极化波如下图所示:

3.椭圆极化

当Ex和Ey及φx和φy之间为任意关系时,可以得到方程

ExExmEyExEysin2φ=(www.wenku1.com)−(www.wenku1.com)。在空间固定点上,合成电场强度矢量E不2cosEExmEymym22

断改变其大小和方向,其矢端轨迹为椭圆,所以称为椭圆极化。椭圆极化波也有左旋、右旋之分,其旋向的规定和判断方法与圆极化波一样。椭圆极化如下图所示:

4.极化特性的应用:

电视接收天线极化状态与入射电磁波的极化状态匹配可以得到最佳接收效果;现代战争采用圆极化天线进行电子侦察和和实施电子干扰。

范文五:电磁场与电磁波运用

电磁场与电磁波在生活中的应用

【摘要】:磁是人类生存的要素之一。地球本身就是一个磁场,由于地球自身运动导致 的两极缩短、赤道拉长、冰川融化、海平面上升等原因,地球的磁场强度正逐渐 衰减。外加高楼林立、高压电网增多,人为地对地球磁力线造成干扰和破坏。所以,现在地球的磁场强度只有 500 年前的 50%了,许多人出现种种缺磁症状。科学家研究证实,远离地球的宇航员在太空中所患的“太空综合症’就是因缺磁而 ’ 造成的。由此可见磁对于生命的重要性。 磁场疗法,又称“磁疗法” “磁穴疗法” 是让磁场作用于人体一定部位或穴位,使磁力线透人人体组织深处,以治疗疾病的一种方法。磁疗的作用机制是加速细胞 的复活更新,增强血细胞的生命力,净化血液,改善微循环,纠正内分泌的失调 和紊乱,调节肌体生理功能的阴阳平衡。

【关键词】: 磁疗 磁疗保健 生物电磁学 电磁对抗 电磁环境 运用 发展

引言: 生物电磁学是研究非电离辐射电磁波(场)与生物系统不同层次相互作用规律及其应用的边缘学科,主要涉及电磁场与微波技术和生物学。其意义在开发电 磁能在医学、生物学方面的应用以及对电磁环境进行评价和防护。电磁对抗主要是运用在军事方面,利用电磁波的特性制造出一系列的战争武器或战略武器。主要涉及各种频段的电磁波的运用。

【正文】:

一、电磁学在医疗上的应用

生物电磁学在医疗上的应用,简称磁疗。是 20 世纪九十年代才广泛兴起的一种自然疗法,用磁能作用于人体,通过磁的一系列生物与生物电磁学效应达到 调整人体生理活动、实现身体保健和治疗疾病的目的。确切地说,磁疗是一种物 理能量疗法。由于磁疗安全、方便、简捷、省时、无毒副作用、疗效肯定受到人们的认可和喜爱, 被世界卫生组织推荐为最有前途的绿色疗法。 从严格意义上说, 磁疗还未真正地走进现代生命科学的殿堂,尚处于研究、探索、试用阶段,属于 生命科学中一门崭新的边缘学科。本文所述的磁生物与生物电磁生理学效应是对 近十年来人们使用磁性保健产品临床效果的总结和理性思考,也是第一次提出 “磁生物与生物电磁生理学效应”这一概念, 有关人体这一弱电磁生物体与磁场相互作用的具体细节及其量化表述有待进一步实验结果的充实。

在科学上,称超过人体承受或仪器设备容许的电磁辐射为电磁污染。电磁辐射分二大类,一类是天然电磁辐射,如雷电、火山喷发、地震和太阳黑子活动引起的磁暴等,除对电气设备、飞机、建筑物等可能造成直接破坏外,还会在广大地区产生严重电磁干扰。另一类是人工电磁辐射,主要是微波设备产生的辐射,微波辐射能使人体组织温度升高,严重时造成植物神经功能紊乱。但是对电磁辐射,要正确认识,而且要科学防护。事实上,电磁波也如同大气和水资源一样,只有当人们规划、使用不当时才会造成危害。一定量的辐射对人体是有益的,医疗上的烤电、理疗等方法都是利用适量电磁波来治病健身

生物电磁场保健

将人体置于姜氏场导舱内接受载有青春信息的植物幼苗发射的生物电磁波。结果发现:人体红细胞膜的渗透脆性降低,韧性增强;甲状腺素、 性激素分泌增加;免疫功能提高;肾上腺皮质激素分泌无明显变化。提示:植物幼苗电磁波有助于红细胞功能的发挥,促进机

体新陈代谢,增加青春活力,提高性功能,增强免疫力从而对人体发挥返老还青和医疗保健作用。

激光治疗

激光是60年代初出现的一种新光源。已广泛应用于国防、农业、卫生医疗和科学研究,也是治疗肿瘤的一种新方法。用它既能切割组织,又能同时止血,能使肿瘤组织迅速气化和雾化,从而使肿瘤在瞬间消失。激光对组织具有热、压、光和电磁场效应的作用。

1、热效应:激光能使肿瘤组织在几秒种的短时间内,局部温度高达200-1000摄氏度,使其变性、凝固坏死,继而气化消失。

2、压力效应:激光本身的光压和由高热导致的组织膨胀引起的二次冲击波,加深了肿瘤组织破坏。

3、光效应:激光被肿瘤组织吸收后,可增强热效应,使肿瘤组织被破坏。

4、电磁场效应:激光是一种电磁波。能产生电磁场,可使肿瘤组织离化、核分解而被破坏死亡,如有残癌也可自行消退,这可能与免疫有关。激光制造成激光器、激光手术刀用于治疗体表肿瘤,眼耳鼻咽喉肿瘤、神经肿瘤等。

EMF系统

EMF系统是由(株)日本MDM公司开发研究生产的新一代脑外科手术器械。根据其作用原理,我们俗称之为“电磁刀”。EMF系统利用高频电磁能对机体组织进行汽化,切割和凝固。因该系统外周围优良组织的热损伤小且不需要对极板,因此尤其使用于脑外等精密外科。对硬性及深部微小脑瘤的去除极为有效。

EMF系统与常规的电刀相比,在原理和设计上都有很大区别。EMF系统用于汽化,切割和凝固的输出功率很小(49W以下),为一般电刀所不及。不需要对极板这一特点使单极手术刀用于脑外手术成为可能。没有烧伤感电和破坏神经系统的危险,安全性高,使用方便。与激光刀相比,不需要眼球保护镜和其它保护附件,操作时对患者和医生均无危害。手术时与患部直接接触,医生可以灵活掌握调节。与超声波刀相比,EMF系统对于硬化深部微小肿瘤的汽化治疗效果尤为显著。HandPiece非常轻便且呈弯曲状,使视野不受影响,并有利于长时间手术。刀头部分可以任意弯曲,适用于各种手术需要。

微波治疗

微波是指波长在1毫米至1米范围内的非电离辐射高频电磁波。70年代后期微波技术在医疗上得到应用。科学家研究发现,微波治疗有3种:一是大剂量高热治疗肿瘤,能抑制肿瘤细胞的蛋白质合成,降低肿瘤细胞分裂速度,增强化疗、放疗效果;二是用于局部生物体组织的凝固治疗,具有不炭化、不产生烟雾的特点;三是小剂量的温热治疗,可以解痉、止痛、消炎并促进伤恢复等。

电磁波消毒

利用电磁波的场效应和热效应,在5-l0分钟内能迅速达到国家卫生部规定的消毒要求,对成捆、成扎的纸币、成叠的毛巾、医疗器械具有穿透力强,无残留药毒性的消毒特点,是当今消毒领域的新突破

二、磁疗历史

早在古罗马时期,磁场疗法已经用于治疗痛风。2000 余年前的 古代医学文献中已有用磁止痛、治疗关节肿痛等疾病的记载。1970 年代以来磁性材料和磁疗器械、磁疗技术的研

究和应用发展较快,在一些疾病的治疗上取得 一定的疗效,磁疗成为应用较普遍的物理疗法之一。

三、磁疗的特点

治疗作用的双向性,无痛苦,无损伤,安全性好,适应争光,疗效好,省时方便, 多病兼治。

四、电磁波应用变革战争新环境

战场电磁环境的形成,是以电磁空间的发展和战场电磁应用与反应用活动的开展为基础的。它的发展依赖于电磁应用的发明及其在军事领域的广泛运用。

(1) 电磁对抗催生电子战

20世纪以来,电磁波的理论和应用不断取得重大成就。在军事领域,电磁波已经成为战场信息获取、传递、使用以及对抗的重要媒介和最佳载体。目前,军事电子技术所利用的频谱,已经覆盖了从极低频、短波、微波、毫米波、亚毫米波、红外到可见光等全部频段,已渗透和广泛运用于各级指挥系统和各种武器系统之中。

进入20世纪80年代后,随着微电子技术、计算机技术的发展及在军事上的广泛应用,电子对抗不再仅仅是干扰和破坏敌方通信、雷达等单一兵器,而且发展到攻击敌方的C4I系统。1991年海湾战争中,电子战运用的规模和层次达到了空前的程度,对战争的进程和结局产生了重大影响,标志着电子战已成长为现代战争制胜的基本手段和核心要素。在伊拉克战争中,美军电子对抗完成了从“粗放式”干扰压制,发展到在确保掌握制电磁权的同时“精确地”对对方目标实施压制的转变。而且,在电子对抗领域出现了一些新手段和新战法,神奇的GPS第一次在战场上遇到了对手—GPS干扰机,将复杂电磁环境下的电子对抗推向了新的发展阶段。

(2) 信息技术加剧电磁环境复杂化

现如今,以信息化为核心技术的军事变革正在世界各国间竞相展开,一些军事强国为了抢占未来战争的制高点,纷纷加快以信息化建设为主要内容的发展步伐,形成了以加速发展信息化武器装备为核心的竞争态势。其突出表现就是:信息化武器的迅猛发展和武器装备信息化改造的全面加强,信息系统综合集成和信息网络的无缝链接,实现对物质流、能量流的高效、定向、灵活和精确控制。

透过跨世纪以来的几场局部战争不难看出,日益复杂的战场电磁环境,已日益成为影响和制约战争进程的重要因素。随着各国军队信息化进程的加快,目前相继出现了零副瓣天线、寂静雷达、扩跳结合电台、数据链等先进技术,一系列旨在提高自身反侦察、反干扰、抗摧毁能力的电磁应用技术应运而生。由于战场电磁信号出现了“爆炸性”的增长,从而导致信息化战场电磁环境更加复杂化。

(3) 复杂电磁环境影响整体作战

从空间角度讲,电磁波可能来自地面、海上、空中或太空。从敌对属性来讲,电磁波可能来自敌方的电子设备,也可能来自己方的电子设备,还可能来自非敌对双方所属的电子设备和自然界。

从辐射源种类讲,复杂电磁环境主要由电子对抗环境、雷达环境、通信环境、光电环境、敌我识别电磁环境、导航电磁环境、民用电磁环境、自然电磁环境等构成。每一类型的电磁环境又由不同类型的电磁辐射源生成,并对不同的信息化武器装备产生影响,进而会影响到整体作战。

(4) 电磁环境表现特征变幻莫测

由于战场上大量的电磁信号是在人为控制下产生的,或者说是交战双方有目的地控制电子设备实施有意辐射所产生的。因此,在不同的作战时间,交战双方因作战目的不同,所产生的电磁信号数量、种类、密集程度将随时间而变化,而其变化的方式变幻莫测。

从时间上看,复杂电磁环境有时表现为相对静默,有时表现为非常密集;在频谱上表现为无限宽广,拥挤重叠;在能量上表现为密度不均,跌宕起伏;在样式上表现为数量繁多,波形复杂。据不完全统计,目前世界上的通信信号种类多达100种以上。而现代雷达多采用新体制和特殊体制,如相控阵雷达、脉冲多普勒雷达、频率捷变雷达、合成孔径雷达、低截获概率雷达等,使得雷达信号种类繁多且波形十分复杂。

(5) 电磁环境影响指挥控制稳定性

随着电磁应用技术广泛应用于各种武器装备之上,运行于整个作战过程之中,渗透于战场感知、指挥控制、作战协同的方方面面,对判断决策的准确、作战效能的实现等都将产生广泛而深刻的影响。

影响战场感知的真实性。在未来作战中,受复杂电磁环境的影响,可能导致侦察预警系统听不清、看不远、辨不明,全面影响各级指挥员和作战人员判断决策的准确性。

所谓战场感知,实质上是从复杂的电磁活动中筛选出有价值的电磁信号,然后加以判断。而一旦敌方实施强力干扰,电磁活动便可能陷入混乱,继而引起传感器迷茫、战场感知错乱。影响指挥控制的稳定性。在复杂电磁环境下,由于无线电通信在参与形成战场电磁环境的同时,也将严重受到多方面影响,不仅降低了信息感知和传输能力,使指挥机构难以做出正确判断和指挥,同时也会对通信网络造成严重影响。现代战场上,通信系统广泛应用于各种武器装备、作战平台和人员,据外军统计,美军1个师就有2300多部各种电台;同时,民用电台也十分众多密集,特别是个人移动通信设备的爆炸性增长,往往使各种通信辐射源相互影响。如此数量和密度的通信系统应用于相对有限的战场空间内,如果一旦失控,必然会严重影响指挥控制活动的稳定性。

结论:

电磁场和电磁波与人类的生活息息相关,它影响着我们的生活,也改善着我们的生活,电磁波的合理运用也发展了我国的国防力量,电磁波是联系陆海空天各个战场的信息纽带。未来战场,各种作战平台及其与指挥机构之间,都要依靠无线电通信来传输情报、指令和协同信息,而目前外军通过信息系统的无缝链接,正着力构建一体化的协同作战体系。 参考文献:

《生物电磁学》 国防工业出版社, 庞晓峰 编著

《实用医疗学》 国防工业出版社, 周万松 编著

《电磁场与电磁波》 北京大学出版,王善进,张涛 著

《应用电磁学与电磁兼容》 机械工业出版社 作者:(美)迪派克,维迪斯 著,沈远茂 等

范文六:《电磁场与电磁波》论文

《电磁场与电磁波》课程论文

概述

电磁场即有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体和总称 。随时间变化的电场产生磁场 , 随时间变化的磁场产生电场,两者互为因果,形成电磁场。电磁场可由变速运动的带电粒子引起,也可由强弱变化的电流引起,不论原因如何,电磁场总是以光速向四周传播,形成电磁波。电磁场是电磁作用的媒递物,具有能量和动量,是物质存在的一种形式。电磁场的性质、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程组确定。

电磁场由近及远的传播形成电磁波随时间变化着的电磁场。时变电磁场与静态的电场和磁场有显著的差别,出现一些由于时变而产生的效应。这些效应有重要的应用,并推动了电工技术的发展。

电磁场理论所涉及的内容都属于大量带电粒子共同作用下的统计平均结果,不涉及物质构造的不均匀性及能量变化的不连续性。它属于宏观的理论,或称为经典的理论。涉及个别粒子的性质、行为的理论则属于微观的理论,不能仅仅依赖电磁场理论去分析微观起因的电磁现象,例如有关介质的电磁性质、激光、超导问题等。这并不否定在宏观意义上电磁场理论的正确性。电磁场理论不仅是物理学的重要组成部分,也是电工技术的理论基础。

电磁场与电磁波理论的建立

在电磁学发展的早期,人们认识到带电体之间以及磁极之间存在作用力,而作为描述这种作用力的一种手段而引入的

库仑定律揭示了电荷间的静电作用力与它们之间的距离平方成反比。 A.-M.安培等人又发现电流元之间的作用力也符合平方反比关系,提出了安培环路定律。基于这与牛顿万有引力定律十分类似,S.D.泊松、C.F.高斯等人仿照引力理论,对电磁现象也引入了各种场矢量,如电场强度、电通量密度(电位移矢量)、磁场强度、磁通密度等,并将这些量表示为空间坐标的函数。但是当时对这些量仅是为了描述方便而提出的数学手段,实际上认为电荷之间或电流之间的物理作用是超距作用。

直到M.法拉第,他认为场是真实的物理存在,电力或磁力是经过场中的力线逐步传递的,最终才作用到电荷或电流上。他在1831年发现了著名的电磁感应定律,并用磁力线的模型对定律成功地进行了阐述。1846年,M.法拉第还提出了光波是力线振动的设想。M.法拉第提出的电磁感应定律表明,磁场的变化要产生电场。这个电场与来源于库仑定律的电场不同,它可以推动电流在闭合导体回路中流动,即其环路积分可以不为零,成为感应电动势。现代大量应用的电力设备和发电机、变压器等都与电磁感应作用有紧密联系。由于这个作用。时变场中的大块导体内将产生涡流及趋肤效应。电工中感应加热、表面淬火、电磁屏蔽等,都是这些现象的直接应用。

继法拉第电磁感应定律之后,J.C.麦克斯韦提出了位移电流概念。电位移来源于电介质中的带电粒子在电场中受到电场力的作用。这些带电粒子虽然不能自由流动,但要发生原子尺度上的微小位移。麦克斯韦将这个名词推广到真空中的电场,并且认为;电位移随时间变化也要产生磁场,因而称一面积上电通量的时间变化率为位移电流,而电位移矢量D的时间导数为位移电流密度。

它在安培环路定律中,除传导电流之外补充了位移电流的作用,从而总结出完整的电磁方程组,即著名的麦克斯韦方程组,描述了电磁场的分布变化规律。麦克斯韦方程组是在库仑定律(适用于静电)、毕奥-萨伐尔定律和法拉第电磁感应定律等实验定律的基础上建立起来的。通过提取上述实验定律中带普遍性的因素,并根据电荷守恒定律引入位移电流,就可以导出麦克斯韦方程组。J.C.麦克斯韦继承并发展了法拉第的这些思想,仿照流体力学中的方法,采用严格的数学形式,将电磁场的基本定律归结为4个微分方程,人们称之为麦克斯韦方程组。在方程中麦克斯韦对安培环路定律补充了位移电流的作用,他认为位移电流也能产生磁场。

麦克斯韦方程组给出了电磁场运动变化的规律,包括电荷电流对电磁场的作用。将麦克斯韦方程组、洛伦兹里公式和带电体的力学运动方程联立起来,就可以完全确定电磁场和带电体的运动变化。因此,麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式构成了描述电磁场运动和电磁作用普遍规律的完整体系。

根据这组方程,麦克斯韦还导出了场的传播是需要时间的,其传播速度为有限数值并等于光速,从而断定电磁波与光波有共同属性,预见到存在电磁辐射现象。

静电场、恒定磁场及导体中的恒定电流的电场,也包括在麦克斯韦方程中,只是作为不随时间变化的特例。

电磁场与电磁波理论的应用

法拉第的电磁感应实验将机械功与电磁能联系起来,证明二者可以互相转化。麦克斯韦进一步提出:电磁场中各处有一定的能量密度,即能量定域于场中。根据这个理论,J.H.坡印廷1884年提出在时变场中能量传播的坡印廷定理,矢量E×H代表场中穿过单位面积上单位时间内的能量流。这些理论为电能的广泛应用开辟了道路,为制造发电机、变压器、电动机等电工设备奠定了理论基础。 麦克斯韦预言的电磁辐射,在1887年由H.R.赫兹的实验所证实。电磁波可以不凭借导体的联系,在空间传播信息和能量。这就为无线电技术的广泛应用创造了条件。

电磁场理论给出了场的分布及变化规律,若已知电场中介质的性质,再运用适当的数学手段,即可对电工设备的结构设计、材料选择、能量转换、运行特性等,进行分析计算,因而极大地促进电工技术的进步。

1、电磁辐射

麦克斯韦方程表明,不仅磁场的变化要产生电场,而且电场的变化也要产生磁场。时变场在这种相互作用下,产生电磁辐射,即为电磁波。这种电磁波从场源处以光速向周围传播,在空间各处按照距场源的远近有相应的时间滞后现象。电磁波还有一个重要特点,它的场矢量中有与场源至观察点间的距离成反比的分量。这些分量在空间传播时的衰减远较恒定场为小。按照坡印廷定理,电磁波在传播中携有能量,可以作为信息的载体。这就为无线电通信、广播、电视、遥感等技术开阔了道路。

2、似稳电磁场

时变场中不同于静态场的上述一些现象,其显著程度都与频率的高低及设备的尺寸紧密相关。按照实际需要,在容许的近似范围内,对时变场的部分过程可以当作恒定场处理,称之为似稳电磁场或准静态场。这种方法使分析工作大为简化,在电工技术中是行之有效的方法,已为人们所广泛采用。

3、交变电磁场与瞬变电磁场

时变电磁场还可以进一步分为周期变化的交变电磁场及非周期性变化的瞬变电磁场。对它们的研究在目的上和方法上有一些各自的特点。交变电磁场在单一频率的正弦式变化下,可采用复数表示以化简计算,在电力技术及连续波分析中应用甚多。瞬变电磁场又称脉冲电磁场,覆盖的频率很宽,介质或传输系统呈现出色散特性,往往需要采取频域、或时序展开等方法进行分析。

电磁场与电磁波理论的发展

1865年英国学者麦克斯韦总结和概括了物理学家法拉第、安培和高斯等前人的工作,创造性地提出位移电流的概念,建立了宏观电磁现象满足的基本规律——麦克斯韦方程组及光的电磁波学说,至今已有一百多年。在这期间,随着科学技术的发展,电磁场理论得到了广泛的应用和发展。

尤其近三十年来,无线电电子学、计算机和网络技术的飞速发展,生物电磁学、环境电磁学和电磁兼容性等学科的建立,向电磁场理论提出了许多新的研究课题,使现代电磁场理论得到了迅速的发展。以无线电电子学领域为例,近代发展起来的新技术如雷达、通信、导航、遥感等,均与电磁波的产生、辐射、传播和接收有关,作为微波技术与天线技术的理论基础的电磁场理论,在这些新技术中起着极其重要的作用,同时也得以丰富和发展。反过来,电磁场理论的研究成果又不断地促进了其他学科的发展。因此,《电磁场与电磁波》成为世界各国大学电类专业学生必修的一门技术基础课。

范文七:电磁场与电磁波5答案

第5章时变电磁场

5.1 有一导体滑片在两根平行的轨道上滑动,整个装置位于正弦时变磁场

Bez5costmT之中,如题6.1图所示。滑片的位置由x0.35(1cost)m确定,轨道终端接有电阻R0.2,试求电流i.

解 穿过导体回路abcda的磁通为

BdSezBezadab5cost0.2(0.7x)

故感应电流为

cost[0.70.35(1cost)]0.35cost(1cost)

i

Ein1d

RRdt1

0.35sint(12cost)1.75sint(12cost)mA

R

5.2 一根半径为a的长圆柱形介质棒放入均匀磁场BezB0中与z轴平行。设棒以角

速度绕轴作等速旋转,求介质内的极化强度、体积内和表面上单位长度的极化电荷。

解 介质棒内距轴线距离为r处的感应电场为 故介质棒内的极化强度为 极化电荷体密度为

EvBerezB0errB0

PXe0Eer(r1)0rB0er(0)rB0

PP

极化电荷面密度为

11

(rP)(0)r2B0

rrrr

2(0)B0

则介质体积内和表面上同单位长度的极化电荷分别为

PPner(0)rB0

erra()aBQPa21P2a2(0)B0QPS2a1P2a2(0)B0

5.3 平行双线传输线与一矩形回路共面,如题6.3图所示。

7a0.2mi1.0cos(210t)A,求bcd0.1m设、、回路中的感应电动势。

解 由题给定的电流方向可知,双线中的电流产生的磁感应强度的方向,在回路中都是垂直于纸面向内的。故回路中的感应电动势为

Ein

式中

dd

BdSB左dSB右dS dtdt

B左

0i0i

,B右2r2(bcdr)

bc

0iaibc

adr0ln()

b2r2bs

cd0i0aibc

BdSadrln()右d2(bcdr)2bs

B左dS

Ein2

d0aibc

ln()

dt2babcd0ln()[1.0cos(2107tbdt41070.2ln2sin(2107t)2107V

3.484sin(2107t)V

5.4 有一个环形线圈,导线的长度为l,分别通过以直流电源供应电压U0和时变电源

供应电压U(t)。讨论这两种情况下导线内的电场强度E。

解 设导线材料的电导率为,横截面积为S,则导线的电阻为

R

而环形线圈的电感为L,故电压方程为

lS

URiL

didt

di0dt当U=U0时,电流i也为直流,。故

ll

U0RiJSJlE

S

此时导线内的切向电场为

E

U0l

di(t)

0dt当U=U(t)时,,故 di(t)d

U(t)Ri(t)LRE(t)SL(E(t)S)

dtdt

ldE(t)E(t)SLSSdt

dE(t)lE(t)U(t)

dtLSLS

求解此微分方程就可得到E(t)。

5.5 一圆柱形电容器,内导体半径为a,外导体内半径为b,长为l。设外加电压为

U0sint,试计算电容器极板间的总位移电流,证明它等于电容器的传导电流。

解 当外加电压的频率不是很高时,圆柱形电容器两极板间的电场分布与外加直流电压

时的电场分布可视为相同(准静态电场),即

Eer

故电容器两极板间的位移电流密度为

U0sint

rln(ba)

Jd

UcostD

er0trln(ba)

20

idJddS

s

l0

U0cost

rln(ba)

ererrddz

C

式中,

流过电容器的传导电流为

2l

ln(ba)是长为l的圆柱形电容器的电容。

icC

dU

CU0costdt

2l

U0costCU0cost

ln(ba)

可见

idic

6.6 由麦克斯韦方程组出发,导出点电荷的电场强度公式和泊松方程。

解 点电荷q产生的电场满足麦克斯韦方程

E0和D

由D得

Dd

据散度定理,上式即为

d

DdSq

s

利用球对称性,得

Der

故得点电荷的电场表示式

q

4r2 q

4r2

由于E0,可取E,则得

即得泊松方程

Eer

DE2

2



5.7 试将麦克斯方程的微分形式写成八个标量方程:(1)在直角坐标中;(2)在圆柱坐标中;(3)在球坐标中。

解 (1)在直角坐标中

DHzHy

Jxxyzt

DyHxHz

JyzxtHyHxDz

JzxytHxEzEy

yzt

HyExEz

zxtEyExHz

xyt BxByBz

0xyzDxDyDz

xyz

(2)在圆柱坐标中

(3)在球坐标系中

D1HzH

Jrrrzt

DHrHz

Jzrt

D11Hr

(rH)Jzzrrrt

 Hr1EzE

rzt

HErEz

zrt

Hz11Er

(rE)rrrt 11BBz

(rBr)0rrrz11DDz

(rDr)rrrz

HD1

[(sinH)]Jrrrsint

D11Hr

[(rH)]Jrsinrt

DHr1

[(rH)]Jrrt

EHr1

[(sinE)]rsint

H11Er

[(rE)]rsinrt

HEr1

[(rE)]rrt 1211B

(rB)(sinB)0r

r2rrsinrsin1211D

(rD)(sinD)r2

rrrsinrsin

9Ee0.1sin10xcos(610tz),求H和。 y5.8 已知在空气中

提示:将E代入直角坐标中的波方程,可求得。

解 电场E应满足波动方程

2E

E0020

t

2

将已知的EeyEy代入方程,得

2Ey

式中

x2

2Eyz2

00

2Eyt2

0

2Eyx

2Eyz2

2

0.1(10)2sin10xcos(6109tz)0.1sin10x[2cos(6109tz)]2Eyt2

0.100sin10x[(6109)2cos(6109tz)]

00

故得 则

(10)2200(6109)20

54.41rad/m

E0

Ht

EyEyH11

E[exez]t00zx



1

0

[ex0.1sin10xsin(6109tz)

将上式对时间t积分,得

ez0.110cos10xcos(6109tz)]

Η

19

[e0.1sin10xcos(610tz]x9

0610

ezcos10xsin(6109tz)

ex2.3104sin10xcos(6109t54.41z)ez1.33104cos10xsin(6109t54.41z)A/m

5.9 已知自由空间中球面波的电场为

Εe

求H和k。

解 可以和前题一样将E代入波动方程来确定k,也可以直接由麦克斯韦方程求与E相伴的磁场H。而此磁场又要产生与之相伴的电场,同样据麦克斯韦方程求得。将两个电场比较,即可确定k的值。两种方法本质上是一样的。

E0

sincos(tkr)r

E0

H

t

H11e

E(rE)t00rr

e

1

0r

k

e

[E0sincos(tkr)]r

0r

E0sinsin(tkr)

k

将上式对时间t积分,得

He

将式(1)代入

0r

E0sincos(tkr)Et

(1)

H0

E1

Ht0

11

(rsinH)e(rsinH)]

0r2sinrsinr

k2E0sin12kE0

ercos(tkr)esin(tkr)00r20r

[er1

将上式对时间t积分,得

k2E012kE0

Eer22sin(tkr)e2sincos(tkr)

00r0r (2)

将已知的

Ee

与式(2)比较,可得

E0

sincos(tkr)r

1

22

含r项的Er分量应略去,且k00,即

k

将k1),得

He

e0sincos(tkr)0cos(tkr)A

5.10 试推导在线性、无损耗、各向同性的非均匀媒质中用E和B表示麦克斯韦方程。 解 注意到非均匀媒质的参数,是空间坐标的函数,因此

B11

H()()BB





1

B2

1

B

J

因此,麦克斯韦第一方程

D(E)EJJttt

HJ

变为

D

t

BJ

E1

Bt

D(E)EE

故麦克斯韦第四方程D变为

E

则在非均匀媒质中,用E和B表示的麦克斯韦方程组为

1

E

BJEBE

Bt

E1

Bt

1

E

5.11 写出在空气和的理想磁介质之间分界面上的边界条件。 解 空气和理想导体分界面的边界条

件为 nE0根据电磁对偶原理,采用以下对偶形式 即可得到空气和理想磁介质分界面上的边界

条件

nHJs

EHHEJsJms

nH0

式中,Jms为表面磁流密度。

nEJms

5.12 提出推导nH1Js的详细步骤。 解 如题6.12图所示,设第2区为理想导体(

ba

c

d

2)

。在分界面上取闭合路径

a

abcda,abcdl,bcdah0。对该闭合路径应用麦克斯韦第一方程可得

Hdl

C

HdlHdlHdlHdl

b

c

d

h0

HlH2llim(JdS

S

D

dS)tS (1)

D

因为t为有限值,故上式中

D

dS0

h0tSlim

而(1)式中的另一项

h0

为闭合路径所包围的传导电流。取N为闭合路径所围面积的单位矢量(其指向与闭合路径的绕行方向成右手螺旋关系),则有

h0

limJdS

S

limJdSJsNl

S

故式(1)可表示为

l(Nn)l

(H1H2)(Nn)lJsNl (2)

应用矢量运算公式A(BC)(CA)B,式(2)变为 故得

[nH1H2]NJsN

n(H1H2)Js (3)

由于理想导体的电导率

2,故必有E20,H20,故式(3)变为

nH1Js

5.13 在由理想导电壁()限定的区域0xa内存在一个由以下各式表示的电磁场:

这个电磁场满足的边界条件如何?导电壁上的电流密度的值如何?

解 如题6.13图所示,应用理想导体的边界条件可以得出

在x=0处,

ax

EyH0()sin()sin(kzt)

aax

HxH0k()sin()sin(kzt)

ax

HzH0cos()cos(kz

t)

aEy0,Hx0

在x=a处,

HzH0cos(kzt)

Ey0,Hx0

上述结果表明,在理想导体的表面,不存在电场的切向分量Ey和磁场的法向分量Hx。

另外,在x=0的表面上,电流密度为

HzH0cos(kzt)

JsnH|x0ex(exHxezHz)|x0

exezHz

在x=a的表面上,电流密度则为

x0

eyH0cos(kzt)

JsnH|xaex(exHxezHz)|xa

exezHz

xa

eyH0cos(kzt)

5.14 海水的电导率4S/m,在频率f=1GHz时的相对介电常数r81。如果把海水

7

1,5.710S/m,

视为一等效的电介质,写出H的微分方程。对于良导体,例如铜,r

比较在f=1GHz时的位移电流和传导电流的幅度。可以看出,即使在微波频率下,良导体中的位移电流也是可以忽略的。写出H的微分方程。

解 对于海水,H的微分方程为

HJjDEjEj(j

即把海水视为等效介电常数为

cj

的电介质。代入给定的参数,得

)E

对于铜,传导电流的幅度为E,位移电流的幅度E。故位移电流与传导电流的幅度之比为

1094

Ej210(81j)E9

36210

j(4.5j4)E(4j4.5)E

9

2fr0

2f

可见,即使在微波频率下,铜中的位移电流也是可以忽略不计的。故对于铜,H的微分方程

1

109

9.751013f75.710

HE5.7107E

5.15 计算题6.13中的能流密度矢量和平均能流密度矢量。

解 瞬时能流密度矢量为

SEHeyEy(exHxezHz)exEyHzezEyHxexH02

)sin(kzt)cos(kzt)a

ax

ezH02k()2sin2()sin2(kzt)

a

1axx

exH02sin()cos()sin2(kzt)

2aa1ax

ezH02k()2sin2()[1cos2(kzt)]

2a

a

sin(

x

a

)cos(

x

为求平均能流密度矢量,先将电磁场各个分量写成复数形式

EyH0()sin(

ax

故平均能流密度矢量为

aaxjkzj

2

HxH0k()sin()e

ax

HzH0cos()ejkz

a

)e

jkzj

2

Sav

11*

Re[EH*]Re[exEyHz*ezEyHx]221axxj2

Re[exH0sin()cos()e2]2aa

ax12ax

ezH02k()2sin2()ezH0k()2sin2()

a2a

5.16 写出存在电荷和电流密度J的无损耗媒质中E和H的波动方程。

解 存在外加源和J时,麦克斯韦方程组为

E

t (1) H

E

t (2) HJ

H0 (3)

E

 (4)

对式(1)两边取旋度,得

HJ

t(E)而

H(H)2H故

(H2HJ

t(E) 将式(2)和式(3)代入式(5),得

2

2HH

t2J

这就是H的波动方程,是二阶非齐次方程。

同样,对式(2)两边取旋度,得

E

t(H即

(E2E

t(H 将式(1)和式(4)代入式(6),得

2

E2EJ1

t2t

此即E满足的波动方程。

对于正弦时变场,可采用复数形式的麦克斯韦方程表示

HJjE EjH H0 E

 对式(7)两边取旋度,得 HJjE利用矢量恒等式

H(H2H得

(H2HJjE 将式(8)和式(9)代入式(11),得

2H+2HJ此即H满足的微分方程,称为非齐次亥姆霍兹方程。

同样,对式(8)两边取旋度,得 EjH即

(E2HjH (5)

(6)

(7) (8)

(9)

10)

11)

12)

( ( (

将式(7)和式(10)代入式(12),得

1

2E+2EjJ

此即E满足的微分方程,亦称非齐次亥姆霍兹方程。

5.17 在应用电磁位时,如果不采用洛伦兹条件,而采用所谓的库仑规范,令A,试导出A和所满足的微分方程。

解 将电磁矢量位A的关系式 BA 和电磁标量位的关系式

E

At代入麦克斯韦第一方程

HJ

Dt得

H

1

E

(A)Jt

J

tAt

利用矢量恒等式

A(A)2A得

(A2A=J

t(At) 又由

D得

E(

At)即

2

t(A)

 按库仑规范,令A0,将其代入式(1)和式(2)得

2

A2A

t2J(t)

2

 式(3)和式(4)就是采用库仑规范时,电磁场A和所满足的微分方程。

5.18 设电场强度和磁场强度分别为

EE0cos(te)

HH0cos(tm)证明其坡印廷矢量的平均值为

1)

2)

3) 4)

( ( ( (

Sav

解 坡印廷矢量的瞬时值为

1

E0H0cos(em)2

SEHE0coste)H0cos(tm)

1

E0H0[cos(tetm)]cos[tetm]21

E0H0[cos(2tem)cos(em)]2 

故平均坡印廷矢量为

1T

SavSdt

T01T1E0H0[cos(2tem)cos(em)]dtT021

E0H0cos(em)2

5.19 证明在无源空间(J0,0),可以引入一个矢量位Am和标量位m,定义为

DAmHm

Am

t

试推导Am和m的微分方程。

解 无源空间的麦克斯韦方程组为

D

t (1) B

E

t (2)

B0 (3) D0 (4) H

据矢量恒等式A0和式(4),知D可表示为一个矢量的旋度,故令

DAm (5)

将式(5)代入式(1),得

H

(Am)t

A

H+m0

t (6)

AHm

t可表示为一个标量的梯度,故令 根据矢量恒等式0和式(6),知

A

H+mm

t (7)

将式(5)和式(7)代入式(2),得

A1

EAm(mm)

tt (8)

故式(8)变为

Am(Am)2Am

2Amm

(AmAm=tt2 (9) 

2

又将式(7)代入式(3),得

H(m

Am

)0t

2m

(Am)0t (10)

m

t

Am

将它代入式(9)和式(10),即得Am和m的微分方程

2Am

Am0

t22m2

m0

t2

2

xcAe

x(t)xctc5.20 给定标量位及矢量位,式中(1)试证明:



A00

t;(2)B、H、E和D;(3)证明上述结果满足自由空间中的麦克斯韦方

程。

Axx1

(t)xxcc解 (1

(xct)cttA

00

00(tt AA

BAeyxezz0

zy(2)

BH=0

A00

0

Eex

Axexex(t)txtc

(3)这是无源自由空间的零场,自然满足麦克斯韦方程。

(xct)ex0x

D0E0

范文八:电磁场与电磁波答案

习题一

1.1.设:E=Eyy0=y010

相速vp = ?

解:1)矢量E在y0方向;2)波沿-x0方向传播;

3)波幅为 10-3,频率f =106Hz,相位常数k =2π×10−2,相速vp =ω/k=108m/s

1.2.写出以下时谐变量的复数表示(如果可能的话)

(a) V (t)=6sin(ωt+π/6) ⇒V=6e−jπ/3=3−j3

(b) I (t)= –10sinωt ⇒I=10ejπ/2−3cos2π×106t+2π×10−2x V/m ()问:矢量E在什么方向?波沿什么方向传播?波的幅度多大?频率f = ?相位常数k = ?=10j

j0 (c) A (t)=3cosωt–2sinωt ⇒A=3e

−2e−jπ/2=3+2j −jπ/2(d) C (t)=10cos(1000πt–π/2) ⇒C=10e=−10j

(e) D (t)=1–sin (ωt) 不存在

(f) U (t)=sin (ωt+π/6) cos (ωt+π/3) 不存在

1.3.由以下复数写出相应的时谐变量

a) C=3+4j=5ejatan(4/3)⇒C(t)=5cos(ωt+atan(4/3)) (b) C= 4exp (-j1.8)⇒ C(t)=4cos(ωt-1.2)

(c) C=3exp (jπ/2)+4exp(j0.8)⇒C(t)=3cos(ωt+π/2)+4cos(ωt+0.8)

1.4.写出以下时谐矢量的复矢量表示: ˆ0+4sin(ωt)yˆ0+cos(ωt+π/2)zˆ0 (a) =3cos(ωt)x

答:Vˆ=3x0ˆ0+jzˆ0 −4jy

ˆ0+8[cosωt-4sinωt]zˆ0 (b) =[3cosωt+4sin(ωt)]x

ˆ0+(8+8j)zˆ0 答:=(3-4j)x

ˆ0 (c) =0.5cos(kz-ωt)x

ˆ0 答:=0.5exp(−jkz)x

1.5.从下面复矢量写出相应的时谐矢量。

ˆ0−jyˆ0 (a)=xˆ0+sinωtyˆ0 答:=cosωtxˆ0−jyˆ0) (b)=j(xˆ0+cosωtyˆ0 答:=−sinωtx

ˆ0+jexp(jkz)yˆ0) (c)=exp(−jkz)xˆ0−sin(ωt+kz)yˆ0 答:=cos(kz−ωt)x

ˆ0+jyˆ0+(1+j2)zˆ0,=xˆ0−(2+2j)yˆ0−jzˆ0,求:⋅,×,1.6.假定=x

⋅*,Re(×*)。

答:⋅=1−j(2+2j)−j(1+j2)=5−3j

ˆ0ˆ0y⎡x×=⎢j⎢1

⎢⎣1−(2+2j)ˆ0⎤zˆˆˆ1+2j⎥⎥=(-1+6j)x0+(1+3j)y0−(2+3j)z0

−j⎥⎦

⋅*=1−j(2−2j)+j(1+2j)=−3−j

ˆ0ˆ0y⎡xRe(×*)=⎢j⎢1

⎢⎣1−(2−2j)ˆ0⎤zˆˆˆ1+2j⎥⎥=(5+2j)x0+(1+j)y0−(2−j)z0

j⎥⎦

1.7.计算下列标量场的梯度

22ˆ+2yx2z2yˆ+2zy2x2zˆ (1) u=x2y2z2 => ∇u=2xyzx

ˆ+2yyˆ−2zzˆ (2) u = 2x2+y2-z2 => ∇u=4xx

ˆ+(x+z)yˆ+(x+y)zˆ (3) u = xy+yz+xz => ∇u=(y+z)x

ˆ+2(x+y)yˆ (4)u = x2 +y2 +2xy => ∇u=2(x+y)x

ˆ+xzyˆ+yxzˆ (5) u = xyz => ∇u=yzx

1.8.求曲面z = x2 + y2 在点(1, 1, 2) 处的法线方向.

答:令f(x,y,z)=x+y−z,22∇f=2xx0+2yy0−z0,因为梯度的方向就是该点的发现方向,所以在点(1.1.2)处的法线方向为∇f(x=1,y=1,z=2)=2x0+2y0−z0

1.9.求下列矢量场的散度、旋度。

(2) A=(y+z)x0+(x+z)y0+(x+y)z0 ∇⋅A=0,∇×A=0 (1) A=xx0+yy0+zz0 ∇⋅A=2x+2y+2z,∇×A=0 222

(3) A=(x+y)x0+x2+y2y0 ∇⋅A=1+2y,∇×A=(2x−1)z0

(4) A=5x0+6yzy0+x2z0 ∇⋅A=6z,∇×A=−6yx0−2xy0

1.10.求∇⋅A和∇×A

(1) A(ρ,ϕ,z)=ρ0ρ2cosϕ+ϕ0ρsinϕ ()

∇⋅A=1∂(ρAρ)1∂Aϕ∂Az=(3ρ+1)cosϕ ++ρ∂ρρ∂ϕ∂z

1∂

ρ∂ρ

Aρρ0ρϕ0∂∂ϕρAϕ∇×A=z0∂=(2+ρ)sinϕz 0∂zAz

(2) A(r,θ,ϕ)=r0rsinθ+θ011sinθ+ϕ02cosθ rr

∇⋅A=∂(r2Ar)

r2∂r+1

rsinθ∂Aϕ⎤⎡∂2+sinAθ()θ⎢⎥=3sinθ+2cosθ/r ∂ϕ⎦⎣∂θ

r01∂∇×A=2rsinθ∂r

Arrθ0∂∂θrAθrsinθϕ0cos2θcosθ∂=3r0+30−cosθϕ0 rsinθr∂ϕrsinθAϕ

ˆ0Iδ(x)δ(y)激发的恒定磁场及其旋度∇×。 1.11.求z方向无限长线电流z

ˆ答:=φI

2πρˆ0Iδ(x)δ(y) ; ∇×==z

ˆ,φˆ的旋度. ˆ0,θ1.12.求球坐标中单位矢量r00

ˆ=ˆ0=0;∇×θ答:∇×r0ˆ011ˆ1ˆˆ=ˆsinθ)=rˆ(coscotrrrθ−θθ−θ0 φ0;∇×φ0002rrrrsinθ

ˆ,求⋅d的值,其中S是由x+y=r,z=0,z=h组成1.13.若矢量场=xx

S222

的闭合曲面。

答:作出图形后,可以知道,闭合曲面S上下底面法向与A的点积为0 ⋅d=∫∫S02πh0ˆ=∫dzdφρ⋅ρ2π0∫h0dzdφr2cos2φ=πhr2

ˆ+Ayyˆ+Azzˆ+Byyˆ+Bzzˆ,=Bxxˆ,证明(1.5.49)是正确的。 1.14.假定=Axx

答:左右分别代入,左边=右边,即可证明。

1.15.证明(1.5.50)、(1.5.51)成立。

答:可参照1.14题

1.16.证明(1.5.47)、(1.5.48)成立。

答:同上。

ˆ+yyˆ+zzˆ变换到cyl和sph。 1.17.将rec=xx

ˆ+zzˆ+(−xsinφ+ycosφ)φˆ 答: cyl=(xcosφ+ysinφ)ρ

其中 φ=arctan(y/x)

ˆsph=(xsinθcosφ+ysinθcosφ+zcosθ)r

ˆ +(xcosθcosφ+ycosθsinφ−zsinθ)θ

ˆ+(−xsinφ+ycosφ)φ

x2+y2

和φ=arctan(y/x) 其中θ=arctan(z

1.18.将柱坐标矢量cyl=ˆ变换到直角坐标、球坐标中,。 ˆ+cosφφρ2ρsphrec

2ˆ ˆ+(ρsinφ+sinφcosφ)y答:rec=(ρ2cosφ−sinφcosφ)x

ˆρ2cosθ+φˆcosφ ˆρ2sinθ+θsph=r

1.19.导出在直角坐标系与圆柱坐标系有如下关系: ∂∂cosφ∂∂∂sinφ∂=sinφ+和=cosφ−, ∂y∂ρρ∂φ∂x∂ρρ∂φ并以f(ρ,φ)=ρ2+tanφ或者f(x,y)=x2+y2+

∂∂∂ρ∂∂φ=+ ∂y∂ρ∂y∂φ∂yy为例,进行验证。 x答:由全微分:

而∂ρy∂φx1==sinφ,=2=cosφ, ∂yρ∂yρρ

∂∂cosφ∂=sinφ+ ∂y∂ρρ∂φ

∂∂sinφ∂=cosφ− ρ∂φ∂x∂ρ代入就可以得到:同理,可以得到:

验证略。

范文九:电磁场与电磁波课设

目录

1.课程设计的目的与作用 ...................................................... 1

1.1设计目的 ............................................................ 1 1.2设计作用 ............................................................ 1 2 设计任务及所用maxwell软件环境介绍 ........................................ 2

2.1设计任务 ............................................................ 2 2.2maxwell软件环境: .................................................... 3 3电磁模型的建立 ............................................................ 4 4电磁模型计算及仿真结果后处理分析 ......................................... 10 5 设计总结和体会 ........................................................... 12 6 参考文献 ................................................................ 14

1.课程设计的目的与作用

1.1设计目的:

对电子产品本身来说,只要通电,就存在电磁之类干扰的问题,而电子产品对外界来说又存在着电磁辐射等问题,如何解决这类问题,趋利避害,更好地让电子产品为我们的服务器真是我们需要做的工作。电磁场与电磁波课程理论抽象、数学计算繁杂,将Maxwell软件引入教学中,通过对典型电磁产品的仿真设计,并模拟电磁场的特性,将理论与实践有效结合,强化学生对电磁场与电磁波的理解和应用,提高教学质量。

电磁场与电磁波课程理论抽象、数学计算繁杂,将Maxwell软件引入教学中,通过对典型电磁产品的仿真设计,并模拟电磁场的特性,将理论与实践有效结合,强化学生对电磁场与电磁波的理解和应用,提高教学质量。

总体要求:

熟练使用Ansoft Maxwell 仿真软件,对电场、磁场进行分析,了解所做题目的原理。利用Ansoft Maxwell软件仿真简单的电场以及磁场分布,画出电场矢量E线图、磁感应强度B线图,并对仿真结果进行分析、总结。将所做步骤详细写出,并配有相应图片说明。

1.2设计作用:

电磁场与电磁波主要介绍电磁场与电磁波的发展历史、基本理论、基本概念、基本方

法以及在现实生活中的应用,内容包括电磁场与电磁波理论建立的历史意义、静电场与恒流电场、电磁场的边值问题、静磁场、时变场和麦克斯韦方程组、准静态场、平面电磁波的传播、导行电磁波以及谐振器原理等。全书沿着电磁场与电磁波理论和实践发展的历史脉络,将历史发展的趣味性与理论叙述和推导有机结合,同时介绍了电磁场与电磁波在日常生活、经济社会以及科学研究中的广泛应用。书中的大量例题强调了基本概念并说明分析和解决典型问题的方法;每章末的思考题用于测验学生对本章内容的记忆和理解程度;每章的习题可增强学生对于公式中不同物理量的相互关系的理解,同时也可培养学生应用公式分析和解决问题的能力。

2 设计任务及所用Maxwell软件环境介绍

2.1设计任务:

计算如下图所示铁块所受线圈磁场的作用力。

要求对线圈中的电流和铁块的高度做参数扫描,计算不同设置值时,作用力的大小。

2.2Maxwell软件环境:

Ansoft Maxwell软件特点:Ansoft Maxwell 是低频电磁场有限元仿真软件,在工程电磁领域有广泛的应用。它基于麦克斯韦微分方程,采用有限元离散形式,将工程中的电磁场计算转变为庞大的矩阵求解,使用领域遍及电器、机械、石油化工、汽车、冶金、水利水电、航空航天、船舶、电子、核工业、兵器等众多行业,为各领域的科学研究和工程应用作出了巨大的贡献。

Maxwell是主要建立在maxwell方程基础上的,有限元分析软件。

MAXWELL 2D:

工业应用中的电磁元件,如传感器,调节器,电动机,变压器,以及其他工业控制系

统比以往任何时候都使用得更加广泛。由于设计者对性能与体积设计封装的希望,因而先进而便于使用的数字场仿真技术的需求也显著的增长。在工程人员所关心的实用性及数字化功能方面,Maxwell 的产品遥遥领先其他的一流公司。Maxwell 2D 包括交流/ 直流磁场、静电场以及瞬态电磁场、温度场分析,参数化分极;以及优化功能。此外,Maxwel2D 还可产生高精度的等效电路模型以供A n s o f t 的SIMPLORER模块和其它电路分析工具调用。

MAXWELL 3D:

向导式的用户界面、精度驱动的自适应剖分技术和强大的后处理器时的Maxwell 3D成为业界最佳的高性能三维电磁设计软件。可以分析涡流、位移电流、 集肤效应和邻近效应具有不可忽视作用的系统,得到电机、母线、变压器、线圈等电磁部件的整体特性。功率损耗、线圈损耗、某一频率下的阻抗(R和L)、力、转矩、电感、储能等参数可以自动计算。同时也可以给出整个相位的磁力线、B和H分布图、能量密度、温度分布等图形结果

3电磁模型的建立

1.建模(Model)

Project > Insert Maxwell 3D Design

File>Save as> Parametric(工程命名为“Parametric”) 选择求解器类型:Maxwell > Solution Type> Magnetostatic 创建线圈

Draw > Regular Polyhedron(创建多边形柱体1)

Center Position(中心点坐标): (X,Y,Z)>(0, 0, 0)mm Start Position(起点坐标):(X,Y,Z)>(2.5, 0,0)mm Axis(对称轴):Z Height(柱体高度):8mm

多边形边数:Number of Segments: 36 将多边形重命名为Polyhedron1

选中Polyhedron1(创建多边形柱体2) CTRL_C,CTRL_V 修改相关设置

Center Position(中心点坐标): (X,Y,Z)>(0, 0, 0)mm Start Position(起点坐标):(X,Y,Z)>(2, 0,0)mm Axis(对称轴):Z Height(柱体高度):8mm

多边形边数:Number of Segments: 36 将多边形重命名为Polyhedron2 创建线圈

选中Polyhedron1,Polyhedron2

Modeler(建模) > Boolean > Subtract(减去) Blank Park: Polyhedron1 Tool Park: Polyhedron2 将Polyhedron1重命名为Coil

Assign Material > copper(设置材料为铜)

创建铁块模型 Draw > Box 任意创建一个6面体 尺寸参数设置如下:

注意:ZSize参数的值为:“SlugHeight”

将六面体重命名为Slug

Assign Material > iron(设置材料为iron)

创建计算区域(Region) Draw > Region

Padding Percentage:300%

创建激励电流加载面(Create Section) Select Coil

Modeler > Surface > Section Section Plane: YZ平面

Modeler > Boolean > Separate Bodies(分离两Section面) 删除1个截面 Select 1个截面,Del

将剩下的1个截面重命名为“Section1” 2.设置激励(Assign Excitation) 选中线圈截面:Section1

Maxwell 3D> Excitations > Assign > Current Value: AmpTurns Type: Stranded(线形激励电流)

3.设置计算参数(Assign

Executive Parameter) 选中 Slug(弹头)

Maxwell 3D > Parameters > Assign > Force Name: Force 1 Type: Virtual

4.设置自适应计算参数(Create Analysis Setup) Maxwell 3D > Analysis Setup > Add Solution Setup 最大迭代次数: 误差要求:

Maximum number of passes : 5 Percent Error: 1%

每次迭代加密剖分单元比例: Refinement per Pass : 30%

5. 创建参数扫描设置

Maxwell 3D > Optimetrics Analysis > Add Parametric 点击Add,创建扫描参数 variable选择: SlugHeight

linear step

Start =10, Stop =20, Step = 5 点击Add >>按键

将SlugHeight的扫描设置添加到右边空白栏

variable选择: AmpTurns (设置安匝数的扫描) linear step

Start =100, Stop =200, Step =50 点击Add >>按键

将AmpTurns的扫描设置添加到右边空白栏 点击

OK.

点击 Calculations子菜单 点击 Setup Calculations

点击

Add Calculations

Setup1出现在Setup Sweep Analysis菜单中 点击Done

在Options 子菜单中 选中如下设置

“Save Field and Mesh ” :在每一步参数扫描计算后,保存相应的计算场量和剖分信息,一般,系统为节约内存,默认不保存。

“Copy geometrically equivalent meshes” 在下次计算中,可重复使用上次计算时未变形的模块的剖分数据。一般来说,频率扫描时,不推荐使用该选项,因为Ansoft的剖分算法是与频率相关的。

5电磁模型计算及仿真结果后处理分析

1.计算

在Project Manager 窗口

Optimetrics

右键点击 ParametricSetup1

选择 Analyze

2. 查看结果

右键点击 ParametricSetup1

选择View Analysis Result

在Project Manager 窗口

右键点击

Create Report

设置参数如下:

点击

New Report

6 设计总结和体会 麦克斯韦根据大量的、严密的数学推导,提出了电磁场理论,在1868年大胆预言了电磁波的存在。并预言了“光就是电磁波”。被称为十九世纪最伟大的科学预言。

但是,麦克斯韦的预言是在二十年后,即1888年由赫兹的实验证实了电磁波的存在,此时,麦克斯韦已经去世了九年,没能看到自己的预言被实验所证实。

1879年,麦克斯韦去世时,只有49岁,而1894年,赫兹去世时只有37岁。但他们都对电磁学发展做出了重大贡献。1873年,麦克斯韦完成巨著《电磁学通论》,这是一部可以同牛

顿的《自然哲学的数学原理》相媲美的书,具有划时代的意义。

在赫兹实验证实了电磁波的存在后,各种无线电通讯象雨后春笋般迅猛发展起来,以至于今天,我们象生活在“电磁波的海洋”里,电磁波已经成为我们生活中不可或缺的一部分了

7 参考文献:

《Ansoft 12 在工程电磁场中的应用》 赵博 张洪亮 等编著

《Ansoft工程电磁场有限元分析》 刘国强 等编著

范文十:电磁场与电磁波的应用

电磁场与电磁波的应用

电磁波是电磁场的一种运动形态。在高频电磁振荡的情况下,部分能量以辐射方式从空间传播出去所形成的电波与磁波的总称叫做“电磁波”。 电磁场与电磁波在实际生产、生活、医学、军事等领域有着广泛的应用,具有不可替代的作用。随着科技水平的进步,人们在于电磁场与电磁波的应用方面得到了更为全面的认识。

(一) 在生产上的应用

1.电磁泵

利用磁场和导电流体中电流的相互作用,使流体受电磁力作用而产生压力梯度,从而推动流体运动的一种装置。实用中大多用于泵送液态金属,所以又称液态金属电磁泵。电磁泵按电源形式可分为交流泵和直流泵;按液态金属中电流馈给的方式可分为传导式电磁泵和感应式电磁泵;按结构不同可分为平面泵和圆柱泵等。传导式泵中,电流由外部电源经泵沟两侧的电极直接传导给液态金属;感应泵中,电流则由交变磁场感应产生。电磁泵没有转动部件,结构简单,密封性好,运转可靠,因此在化工、印刷行业中用于输送一些有毒的重金属,如汞、铅等;在原子能动力工业中用于输送化学性质特别活泼的金属,如钠、钾、钠钾合金;在铸造企业中可以用来做铝、镁等活泼金属的定量泵,但现在主要为军工等大型企业使用。

2. 磁流体发电机

磁流体发电中的带电流体,它们是通过加热燃料、惰性气体、碱金属蒸气而得到的。在几千摄氏度的高温下,这些物质中的原子和电子的运动都很剧烈,有些电子甚至可以脱离原子核的束缚,结果,这些物质变成自由电子、失去电子的离子以及原子核的混合物,这就是等离子体。将等离子体以超音速的速度喷射到一个加有强磁场的管道里面,等离子体中带有正电荷、负电荷的高速粒子,在磁场中受到洛伦兹力的作用,分别向两极偏移,于是在两极之间产生电压,用导线将电压接入电路中就可以使用了。

磁流体发电的另一个好处是产生的环境污染少。利用火力发电,燃烧燃料产生的废气里含有大量的二氧化硫,这是造成空气污染的一个重要原因。利用磁流体发电,不仅使燃料在高温下燃烧得更加充分,它使用的一些添加材料还可以和硫化合,生成硫酸钾,并被回收利用,这就避免了直接把硫排放到空气中,对环境造成污染。

利用磁流体发电,只要加快带电流体的喷射速度,增加磁场强度,就能提高发电机的功率。人们使用高能量的燃料,再配上快速启动装置,就可以使发电机功率达到1000万kW,这就满足了一些需要大功率电力的场合。目前,中国,

美国、印度、澳大利亚以及欧洲共同体等,都积极致力于这方面的研究。

(二) 在生活上的应用

3.微波炉

微波炉(microwave oven/microwave),顾名思义,就是用微波来煮饭烧菜的。微波炉是一种用微波加热食品的现代化烹调灶具。微波是一种电磁波。微波炉由电源,磁控管,控制电路和烹调腔等部分组成。电源向磁控管提供大约4000伏高压,磁控管在电源激励下,连续产生微波,再经过波导系统,耦合到烹调腔内。在烹调腔的进口处附近,有一个可旋转的搅拌器,因为搅拌器是风扇状的金属,旋转起来以后对微波具有各个方向的反射,所以能够把微波能量均匀地分布在烹调腔内。微波炉的功率范围一般为500~1000瓦。从而加热食物。

4、微波通信、卫星通信和光纤通信

微波通信是指利用微波频率用作载波携带信息,通过无线电波进行中继接力的通信方式。微波是指频率为300MHz~300GHz的电磁波。

卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站,转发或反射无线电波,在两个或多个地球站之间进行通信。地球站是设在地球表面,包括地面、海洋和大气中的通信站。实际上卫星通信可以看作是利用微波频率,把通信卫星作为中继站而进行的一种特殊的微波中继通信。卫星通信工作频段与微波通信相同。

以光作载波的通信方式即是光通信。人们想到以光作为载波,这是很自然的,这是因为光的频率很高,为1014~1015Hz,因此利用光通信会有更大的通信容量。但是光在大气中受到的影响因素非常多,如大气中水蒸气尘埃的影响、恶劣天气的影响。另外还受到激光束本身的影响,如激光束非常细小给光学设备的对准、控制及跟踪带来困难,所以限制了大气光通信的使用。于是人们就想到利用介质来传输光信号,这种介质即是光导纤维。这种利用光导纤维传输光波信号的通信方式称为光纤通信。

(三) 在医学上的应用

1.电磁波在医疗上的应用

在科学上,称超过人体承受或仪器设备容许的电磁辐射为电磁污染。电磁辐射分二大类,一类是天然电磁辐射,如雷电、火山喷发、地震和太阳黑子活动引起的磁暴等,除对电气设备、飞机、建筑物等可能造成直接破坏外,还会在广大地区产生严重电磁干扰。另一类是人工电磁辐射,主要是微波设备产生的辐射,微波辐射能使人体组织温度升高,严重时造成植物神经功能紊乱。但是对电磁辐射,要正确认识,而且要科学防护。事实上,电磁波也如同大气和水资源一样,只有当人们规划、使用不当时才会造成危害。一定量的辐射对人体是有益的,医疗上的烤电、理疗等方法都是利用适量电磁波来治病健身

2.生物电磁场保健

将人体置于姜氏场导舱内接受载有青春信息的植物幼苗发射的生物电波。结果发现:人体红细胞膜的渗透脆性降低,韧性增强;甲状腺素、 性激素分泌增加;免疫功能提高;肾上腺皮质激素分泌无明显变化。提示:植物幼苗电磁波有助于红细胞功能的发挥,促进机体新陈代谢,增加青春活力,提高性功能,增强免疫力从而对人体发挥返老还青和医疗保健作用。

3.激光治疗

激光是60年代初出现的一种新光源。已广泛应用于国防、农业、卫生医疗和科学研究,也是治疗肿瘤的一种新方法。用它既能切割组织,又能同时止血,能使肿瘤组织迅速气化和雾化,从而使肿瘤在瞬间消失。激光对组织具有热、压、光和电磁场效应的作用。

热效应:激光能使肿瘤组织在几秒种的短时间内,局部温度高达200-1000摄氏度,使其变性、凝固坏死,继而气化消失。

压力效应:激光本身的光压和由高热导致的组织膨胀引起的二次冲击波,加深了肿瘤组织破坏。

光效应:激光被肿瘤组织吸收后,可增强热效应,使肿瘤组织被破坏。

电磁场效应:激光是一种电磁波。能产生电磁场,可使肿瘤组织离化、核分解而被破坏死亡,如有残癌也可自行消退,这可能与免疫有关。激光制造成激光器、激光手术刀用于治疗体表肿瘤,眼耳鼻咽喉肿瘤、神经肿瘤等。

电磁场与电磁波在实际中应用广泛,以上所写只是实际应用中的一小部分。电磁场与电磁波有着强大的生命力和蓬勃的朝气,人们对它进行不断探索,创造出一个又一个具有强大功能的新工具。