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

 

5.1.2 麦克斯韦第二方程

 

5.1.3 麦克斯韦第三方程

 

5.1.4 麦克斯韦第四方程

 

5.1.5 麦克斯韦方程组

{∮lH⋅dl=∫S(J+∂D∂t)⋅dS,∮lE⋅dl=−∂∂t∫SB⋅dS,∮SD⋅dS=Q,∮SB⋅dS=0,{∇×H=J+∂D∂t,∇×E=−∂B∂t,∇⋅D=ρ,∇⋅B=0.

 

5.1.6 媒质的本构方程

{D=ε0E+P=εE,B=μ0(H+M)=μH,J=σE.

 

5.2 时变电磁场的边界条件

5.2.1 法向场的边界条件

 

5.2.2 切向场的边界条件

 

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{en×(E1−E2)=0,en×(H1−H2)=Js,en⋅(D1−D2)=ρs,en⋅(B1−B2)=0.{en×(E1−E2)=0,en×(H1−H2)=0,en⋅(D1−D2)=0,en⋅(B1−B2)=0.{en×E1=0,en×H1=Js,en⋅H1=ρs,en⋅B1=0.

备注 理想介质 σ=0,理想导体 σ=∞.

 

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

 

5.3.3 坡应廷矢量的瞬时值

 

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.

 

5.4.2 麦克斯方程组复数形式

{∮lH˙m⋅dl˙m=∫SJ˙m⋅dS˙m+jω∫SD˙m⋅dS˙m,∮lE˙m⋅dl˙m=−jω∫SB˙m⋅dS˙m,∮SD˙m⋅dS˙m=∫Vρ˙mdV,∮SB˙m⋅dS˙m=0.{∇×H˙m=J˙m+jωD˙m,∇×E˙m=−jωB˙m,∇⋅D˙m=ρ˙m,∇⋅B˙m=0.

电流连续性方程为

∮SJ˙m⋅dS˙m+jωQ˙m=0,∇⋅J˙m+jωρ˙m=0.

备注

 

5.4.3 能量密度的复数表示法

 

5.4.4 坡应廷定理的复数形式

 

5.4.5 复坡应廷矢量物理含义

 

5.4.6 各种形式的记号的总结

E(r,t)=Ex(r,t)ax+Ey(r,t)ay+Ez(r,t)az,E(r,t)=Ex(r,t)2+Ey(r,t)2+Ez(r,t)2,Ex(r,t)=Exm(r)cos⁡(ωt+ϕ(r))ax,Ex(r,t)=Exm(r)cos⁡(ωt+ϕ(r)),E(r,t)=Em(r)cos⁡(ωt+ϕ(r)),Em(r)=Exm(r)ax+Eym(r)ay+Ezm(r)az,E(r)=22Em(r),

 

5.5 波动方程

5.5.1 非齐次波动方程

∇2⁡E=∇⁡(∇⋅E)−∇×(∇×E)=∇⁡(∇⋅Dε)+∇×(∂B∂t)=∇⁡ρε+μ∂∂t∇×H=∇⁡ρε+μ∂J∂t+μ∂2D∂t2=∇⁡ρε+μ∂J∂t+με∂2E∂t2∇2⁡H=∇⁡(∇⋅H)−∇×(∇×H)=∇⁡(∇⋅Bμ)−∇×(J+∂D∂t)=−∇×J−∂∂t∇×(εE)=−∇×J+ε∂2B∂t2=−∇×J+με∂2H∂t2

 

5.5.2 齐次波动方程

对于无源理想介质,J=J′=0,σ=0,ε,μ∈R,

 

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

 

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

 

5.6.2 洛伦兹规范与达朗贝尔方程

∇2⁡ϕ=−∇⋅(E)−∇⋅∂A∂t=−ρε+με∂ϕ∂t∇2⁡A=∇⁡(∇⋅A)−∇×(∇×A)=∇⁡(∇⋅A)−μJ−με∂E∂t=∇⁡(∇⋅A+με∂ϕ∂t)−μJ+∂2A∂t2=−μJ+∂2A∂t2

 

5.6.3 达朗贝尔方程解的形式

 

5.6.4 达朗贝尔方程复数形式

在时谐场中,