5 时变电磁场
5.1 麦克斯韦方程组
5.1.1 麦克斯韦第一方程
电荷守恒定律(电流连续性方程)
广义安培环路定理(麦克斯韦第一方程)
全电流密度 .
.
外加电流密度 .
传导电流密度 .
运流电流密度 .
位移电流密度 .
.
.
即由变化的电场和电偶极矩组成.
传导电流和位移电流的比较
5.1.2 麦克斯韦第二方程
总电场 .
法拉第电磁感应定律
.
.
若导体与回路均变化
麦克斯韦第二方程
积分形式:.
微分形式:.
时变电场有旋,非保守场.
5.1.3 麦克斯韦第三方程
积分形式:.
微分形式:.
5.1.4 麦克斯韦第四方程
积分形式:.
微分形式:.
5.1.5 麦克斯韦方程组
5.1.6 媒质的本构方程
三个基本的媒质参数 (本构参数)
介电常数:.
磁导率:.
电导率:.
媒质的三种分类
5.2 时变电磁场的边界条件
5.2.1 法向场的边界条件
电位移矢量
.
.
若面电荷密度 非零,则不连续.
电场强度
.
即使面电荷密度 非零,仍然不连续.
磁感应强度
.
.
磁感应强度的法向分量连续.
磁场强度
.
磁场强度的法向分量不连续.
5.2.2 切向场的边界条件
电场强度
.
.
电场强度的切向分量连续.
电位移矢量
.
电位移矢量的切向分量不连续.
磁场强度
磁感应强度
5.2.3 边界条件公式总结
一般媒质边界无自由电荷与电流的理想媒质分界面理想导体表面 备注 理想介质 ,理想导体 .
5.3 坡应廷定理
5.3.1 能量密度与损耗功率
5.3.2 坡应廷定理物理含义
损耗功率
坡应廷定理
5.3.3 坡应廷矢量的瞬时值
坡印廷矢量的瞬时值 .
表示闭曲面上通过单位面积的功率.
方向是能量流动的方向,单位是 .
坡印廷矢量又称为能量流密度或功率密度.
特例
5.4 时谐电磁场与复数形式
5.4.1 时谐电磁场的复数形式
任意时变场可分解为正弦时间函数表示的时谐场.
时谐电磁场
概念
时域
振幅值矢量 .
有效值矢量 .
频域
电场矢量的瞬时值形式与复数形式的转换
.
.
.
5.4.2 麦克斯方程组复数形式
电流连续性方程为
备注
5.4.3 能量密度的复数表示法
瞬时值
.
.
.
.
极大值
.
.
.
.
平均值
.
.
.
.
5.4.4 坡应廷定理的复数形式
损耗功率的平均值
坡应廷定理
右式
第一项表示损耗功率的平均值(有功功率)
第二项表示交换的电磁场功率(无功功率)
第二项的积分表示电磁场能量(不是功率)
左式
左式的实部表示流入的有功功率(用于补偿损耗功率)
左式的虚部表示流入的无功功率(与电磁场功率交换)
5.4.5 复坡应廷矢量物理含义
平均能流密度矢量
.
.
复坡应廷矢量(复数能流密度矢量)
.
其角频率为 的两倍,因此不能由瞬时值方程取复数得到.
有功功率密度:.
无功功率密度:.
5.4.6 各种形式的记号的总结
有坐标有时间
粗体 和 表示瞬时值向量.
斜体 和 表示瞬时值模长.
有坐标无时间
表示振幅值.
表示有效值(非平均值)
分别表示极大值与平均值.
无坐标无时间
如向量 ,或标量 等.
一般是瞬时值的简写(而非振幅值或有效值)
不一定表示与坐标与时间无关,只是为了方便.
频域(相量)
表示复振幅.
表示复有效值.
表示另一个频率的复数.
注意:
时域与频域的转换方式有两种
以余弦为基准,复数取实部得到瞬时值.
以正弦为基准,复数取虚部得到瞬时值.
二者不可混用,若取实部则虚部无实际含义.
一般以余弦为基准,如果用正弦请事先说明.
区分 ,不过它们常简写为 或 .
有时候无坐标无时间的量可能表示其它含义,可能只是某个函数的记号,以具体情况中的说明为准.
5.5 波动方程
5.5.1 非齐次波动方程
非齐次波动方程
波动方程的说明
, 为非电性外加源等效电流.
总电流满足电流连续性方程:.
波动方程的标准形式
5.5.2 齐次波动方程
对于无源理想介质,,
.
.
5.5.3 齐次亥姆霍兹方程
对于无源理想介质中的时谐场,有
齐次亥姆霍兹方程
.
.
符号说明
5.6 时变场的标量位与矢量位
5.6.1 标量位与矢量位及其多值性
矢量磁位
由于 ,
定义 .
单位为 .
标量磁位
由于 ,
定义 .
单位为 .
多值性:对于 ,有
5.6.2 洛伦兹规范与达朗贝尔方程
洛伦兹规范:.
达朗贝尔方程
.
.
5.6.3 达朗贝尔方程解的形式
标量磁位达朗贝尔方程的特例
解的形式
.
.
5.6.4 达朗贝尔方程复数形式
在时谐场中,
洛伦兹规范:.
达朗贝尔方程
.
.
.
解的形式
求解方法
若已知 ,则可求解 ,反之亦然.
.
.
.