电磁场理论 教学课件 ppt 作者 柯亨玉 chap5

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1、1,随时间变化的电磁场称为时变电磁场。时变电磁场 具有广泛的应用领域。如： 通信：利用电磁波进行信息的传输和通信 雷达：利用电磁波进行目标的探测和测距 遥感：利用传感器获取地物所辐射或反射电磁波 强度及其时空分布，获取大气、陆地和 海洋环境信息 涉及：电磁波的辐射、波与物质的相互作用、电 磁波传输与传播、电磁波信号的接收、电 子系统、电磁波信号处理和信息的获取,第五章 时变电磁场,主要内容： 时变电磁场的波动方程 势函数与推迟势 时变电磁场的时谐展开 定态电磁场与平面电磁波 平面电磁波的极化概念,第五章 时变电磁场,3,5.1 时变电磁场的势函数,1 时变电磁场 随时间变化的电磁场称为时变电磁

2、场。时变电磁 场比静态电磁场要复杂得多，主要表现在： 时变电磁场之间相互激励而具有的波动特性，波 动使时变电磁场的叠不仅要考虑矢量的方向，同时还要考虑波相位对叠加的影响；电磁场的大小 和方向随时间而变化，将导致介质的极化和磁化特性随时而变，使介质呈现色散特性等。,2 波动方程,两边求旋度,两边求旋度,波动方程,5,3 时变电磁场的势函数 静态电磁场可通过位 （势）函数满足的方程 进行求解，并且可以 得到简化。时变电磁 场能否引入势函数， 通过势函数满足的方 程来求解，达到求解 时变电磁场的目的。,是一无散矢量场,引入势函数,将上式代入电磁感应 定律，得到,6,是一无旋矢量场，可以引入标量,函数

3、的梯度表示，即,和,分别为电磁场的磁矢势和电标势。,必须指出的是，尽管磁感应强度在形式上只与磁矢势有关，不能据此认为磁感应强度由磁矢势决定而与电标势无关。因为在时变情形下，电磁场相互激发，而时变电场由磁矢势和电标势共同描述，使得时变磁场本质上与磁矢势和电标势都有联系。,7,3 势函数的规范 根据矢量场的Helmholtz定理，确定区域上 的矢量函数只有在该矢量函数的散度和旋 度及其边界条件是确定的才能唯一确定。 根据磁矢势引入的定义，由关系式 是不能唯一确定磁矢势 。例如：,8,势函数的非唯一性源于其磁矢势散度的任 意性。因此，要使电磁场与势函数之间为 唯一对应关系，须给势函数以明确的约束 规

4、定，称这种约束规定为势函数的规范。,Coulomb规范 ： 对于磁矢势，辅以 势函数方程：,9,Lorentz规范 对势函数 辅以约束条件 得到势函数满足的方程为： 这是一组标准的DAlembert方程 。上式形 式上磁矢势仅与电流有关， 电标势仅与电 荷分布有关，但它们通过Lorentz规范联系,10,规范变换的不变性 每一种规范建立了势函数与时变电磁场之间的一 一对应关系。因此同一电磁场可以有多种规范条 件下的势函数与之对应，如： 由于电磁场的解是唯一的，不同规范下势函数能 够描述同一电磁场，这意味着不同规范下的势函 数之间必然存在某种联系，可以进行相互变换。,规范一,规范二,11,如Co

5、ulomb与Lorentz规范之间,12,由此可见，尽管电磁场的势函数有多种规范， 不同规范有不同的势函数，但不同规范下的势 函数可以通过变换关系 实现相互之间的转换，称为规范变换。 不同规范下的势函数描述同一电磁场。势函数 作规范变换时，其所描述的物理量及其遵循的 物理规律应保持不变，称为规范变换的不变性,13,1 DAlembert方程的定解问题 时变电磁场可归纳为不同初始条件和边界 下DAlembert方程的求解。一般情形下的 求解是困难的。仅就无界空间的特例的解 及其意义进行讨论。,5.2 推迟势,14,15,r,16,5.3 时变电磁场的能量,1 Poynting定理 时变电磁场具有

6、能量已被大量的事实所证明。时变电磁场可以脱离电荷或电流而在空间存在，且随时间的变化在空间以波动形式传播。那么时变电磁场的能量又以何种形式存在于空间，它是否随电磁波的传播而在空间传播？首先来讨论时变电磁场能量的守恒与转化关系。,17,设有一闭合介质空间区域V，其内 存在时变的电荷、电流和电磁场。,J,V,场的能量密度设为 ：,能量流密度矢量 ：,由于时变电磁场的波动特点，闭合空间内部的电磁场有可能传播到外部，外部空间的电磁场也有可能传播到空间内部，闭合空间的内外有可能存在电磁场能量的交流。,根据能量守恒定律：,表示场对荷电系统作用力密度,v 为荷电系统运动速度,表示通过界 面在单位时 间内进入V

7、 内电磁场的 能量,表示单位 时间内空 间区域电 磁场能量 的增量,区域内 场对荷 电系统 所作的 功率,18,表示闭合空间区域V内电磁场能量守恒和转化的关系式，称为Poynting定理，其中,称为Poynting矢量,19,对于线性均匀各向同性介质，,2 电磁场能量的传播 Poynting定理给出了时变电磁场能量传播的一个新 图像，电磁场能量通过电磁场传播。这对于广播电 视、无线通信和雷达等应用领域是不难理解的。,20,恒定电流或低频交流电的情况下， 场量往往是通 过电流、电压及负载的阻抗等参数表现，表面上 给人造成能量是通过电荷在导线内传输的假象。,I,如能量真是通过 电荷在导线内传 输，

8、常温下导体 中的电荷运动速 度约10-5m/s，电 荷由电源端到负 载端所需时间约 是场传播时间 （L/c）的亿万倍,负载只需经过极短（t=L/c，其中c为光速）的时间就能得到能量的供应。,21,22,5.4 时变电磁场的唯一性定理,1 时变电磁场的唯一性定理，表述如下： 如果在闭合区域V内， 时刻的电磁场 已知（初始条件）； 的任何时刻,电 场或磁场在区域边界上的切向分量已知， 或部分边界上电场而其余边界上的磁场切 向分量已知；则在任何时刻区域V内存在唯 一电磁场。,23,唯一性定理的证明 仍用反证方法，假设有两组解,在闭合区域V内满足条件和，但在 后,两者在区域V内不相等。应用Poynti

9、ng定理：,0,0,24,5.5 时谐电磁场,1 时变电磁场的问题 根据唯一性定理，只要区域上 电磁场的初始状态和边界上电 （或磁）场的切向分量已知， 场的求解问题即得到解决。实 际上问题并没有解决。 1) 初始条件：时变电磁场的 初始状态一般不容易准确得到 或根本无法得到。,初始状态无法确知,25,2）介质的频率特性 场满足的波动方程或势函数方程都是介质 的电磁特性参数是时不变情形下得到的。 这种假设只对静态电磁场或随时间变化缓 慢准静态电磁场才成立。一般情况下，介 质的电磁特性参数不仅是空间的函数，同 时还是时间的函数。场和势函数满足方程 非常复杂。,26,3) 对于确定波动频率的电磁场，

10、理论和实验都 证明介质的特性参数 是与时间无关的 确定常数，场或势函数的波动方程 仍然成立。不同的频率 不同。,27,谐变电磁场 1) 谐变电磁场及其复数表示 随时间作简谐变化的电磁场称为谐变电磁场。 其一般形式(以电场为例）是：,圆频率,为电场强度的初相位，应用复数表示,28,2）谐变电磁场中的介质特性 实验和理论都证明，对于谐变电磁场，线性均匀 各向同性介质的极化强度、磁化强度和传导电流 密度也是谐变量，即：,29,3)谐变电磁场的Maxwell方程 考虑到谐变量的如下运算关系: 将时变电磁场的Maxwell方程组中的各物理量换 为谐电磁场量,30,4）谐变电磁场的波动方程 在谐变电磁场中

11、，介质的特性参数 为常数，场量或势函数满足的波动方程为,Lorentz规范条件,31,由于介质特性参数是频率的函数， 不同频率的谐变电磁场在介质中传 播速度v不同， 波长也不相同。这 一现象称为介质的色散，具有色散 特性的介质称为色散介质。,t,E,信号频率分布,f,光纤传输,传输后变型的信号,被传输的信号,E,32,谐变电磁场问题最终为求非齐次 Helmholtz 方程在相应边界条件下的解，不再需要初始 条件。这是不难理解的，因为谐变电磁场意 味着自无穷远的过去到无穷远的未来随时间 作简谐变化，不存在场的初始状态。因为场 随时间变化的规律已由谐变（时谐或正弦） 所描述，因此只需要求场关于空间

12、的分布。,33,3 任意时变电磁场的时谐展开 对于线性均匀各向同性介质，谐变电磁场的方程 简单而又不需要初始条件。这一事实，使得我们 可以从新考虑一般时变电磁场的求解方法。按照 Fourier变换的观点，任何时变电磁场信号，都可 以表示为不同频率、不同振幅和不同初始相位 的谐变电磁场信号的叠加，即：,频率为的 谐变电磁场,34,因此时变电磁场可以通过先求 ， 再通过求逆Fourier变换获得一般问题的解。 从而避免时变电磁场初始条件确定的困难。,谐变电磁场又称为正弦电磁场或称为定态电 磁场。因此今后在没有特别说明的情形下， 主要讨论谐变电磁场问题。,35,关于初始条件对电磁场影响的处理,时变电

13、磁场问题通过Fourier变换转变为谐变电磁 场问题来求解。避免了初始条件确定的困难。但 是无线电系统工作的初始状态（条件）并不因为 采用不同的处理方法而消失，必然要对系统的工 作产生影响。这种影响通过噪声表现出来。,36,5.6 均匀平面电磁波,1.电磁波的激发 当天线馈以随时间谐变的电流，谐变电流将在其 周围激发出随时间简谐变化的磁场，谐变的磁场 又将激发出谐变的电场。导线外部空间谐变电磁 场相互激发并向外延伸传播，形成电磁波。,源区,37,2.平面电磁波方程 无源的介质空间中，电场和磁场通过如下关系 相联系，只需求解电场或磁场，电磁场的解即可 得到。比如电场满足的方程是： 考虑到在无源空

14、间中 。电磁场的三个 分量不是完全独立的。所以在无源空间区域上电 磁场只有两个独立的变量。,38,3. 均匀平面电磁波特性 作为谐变电磁场方程解的特例，设电场仅为直 角坐标变量z的函数，其方程为 方程的通解是 第一项代表沿Z轴正向传播的电磁波 第二项代表沿Z轴负向传播的电磁波,39,只考虑沿Z的正向传播的波， 其相位等于常数的各点在空间描绘的曲面（称这 曲面为等相位面）为平面，其方程为： 因此称为平面电磁波。又由于电场和磁场的振幅 在传播过程中为常数，故称为均匀平面电磁波。,40, 均匀平面电磁波是横电磁波（TEM波） 均匀平面电磁波的电场、磁场、传播方向 相互垂直。波在传播方向上没有电磁场分

15、 量，称为横电磁波,传播方向z,电场E,磁场H,41,均匀平面电磁波的波阻抗为常数 均匀平面电磁波的电场和磁场振幅之比为介质 电磁特性参数决定的常数，其值为 这是一个很重要的物理量，它具有阻抗量纲， 称为波阻抗。,Z in,R,42, 平面电磁波的能流密度矢量，其方向为波 传播的方向，其大小为平面电磁波能量密 度与波传播速度的积,43,4 平面电磁波的极化 平面电磁波的电场和磁 场与波传播方向垂直。 在z 轴的某一固定点上 ，电（或磁）场矢量的 大小和方向一般随时间 而变。电（或磁）场矢 量末端轨迹随时间运动 的方式称为电（或磁） 场的极化。,x,y,t1,t2,t3,电场矢量末端随时间运 动的轨迹,即电场的极化,44,电磁波的极化在许多邻域中获得了广泛应用。 如在光学工程中利用材料对于不同极化波的传 播特性设计光学偏振片。在分析化学中利用某 些物质对于传播其中的电磁波具有改变极化方 向的特性来实现物质结构的分析。在雷达目标 探测的技术中，利用目标对电磁波散射过程中 改变极化的特性实现目标的识