第一章习题解答
1.1 给定三个矢量A 、B 和C 如下： 23x y z =+-A e e e
4y z =-+B e e
52x z =-C e e
求：（1）A a ；（2）-A B ；（3）A B ；（4）AB θ；（5）A 在B 上的分量；（6）?A C ；
（7）()?A B
C 和()?A B
C ；（8
）()??A
B C 和()??A B C 。
解 （1）23A x y z
+-=
==-e e e A a e
e e A （2）-=A B (23)(4)x y z y z +---+=e e e e e 64x y z +-=e e e （3）=A B (23)x y z +-e e e (
4)y z -+=e e －11
（4）由 cos AB θ
=14==?A B A B ，得 1cos AB θ-=(135.5= （5）A 在B 上的分量 B A =A cos AB θ=17
=-A B B （6）?=A C 1
235
02x y z
-=-e e e 41310x y z ---e e e （7）由于?=B C 04
1502x y
z
-=-e e e 8520x y z ++e e e ?=A B 123041
x
y
z
-=-e e e 1014x y z ---e e e
所以 ()?=A B C (23)x y z +-e e e (8520)42x y z ++=-e e e ()?=A B C (1014)x y z ---e e e (52)42x z -=-e e
（8）()??=A B C 1014502x y z
---=-e e e 2405x y z -+e e e
()??=A B C 1
238
5
20
x
y z -=e e e 554411x y z --e e e
1.2 三角形的三个顶点为1(0,1,2)P -、2(4,1,3)P -和3(6,2,5)P 。 （1）判断123
PP P ?是否为一直角三角形；
（2）求三角形的面积。
解 （1）三个顶点1(0,1,2)P -、2(4,1,3)P -和3(6,2,5)
P 的位置矢量分别为 12y z =-r e e ，243x y z =+-r e e e ，3625x y z =++r e e e 则 12214x z =-=-R r r e e ， 233228x y z =-=++R r r e e e ，
311367x y z =-=---R r r e e e
由此可见
1223(4)(28)0x z x y z =-++=R R e e e e e
故123
PP P ?为一直角三角形。 （2）三角形的面积
122312231117.1322S =
?=?==R R R R 1.3 求(3,1,4)P '-点到(2,2,3)P -点的距离矢量R 及R 的方向。
解 34P x y z '=-++r e e e ，223P x y z =-+r e e e ，
则 53P P P P x y z ''=-=--R r r e e e 且P P 'R 与x 、y 、z 轴的夹角分别为
11cos (
)cos 32.31x P P x
P P φ--''===e R R 11cos (
)cos 120.47y P P
y
P P φ'--'===e R R
11cos ()cos (99.73z P P z P P φ--''===e R R
1.4
给定两矢量234x y z =+-A e e e 和456x y z =-+B e e e ，求它们之间的夹角和A 在
B 上的分量。
解 A 与B 之间的夹角为 1
1cos (
)cos 131θ--===AB A B A B A 在B 上的分量为 3.53277
B A ===-B A
B 1.5 给定两矢量234x y z =+-A e e e 和64x y z =--+B e e e ，求?A B 在x y z
=-+C e e e 上的分量。
解 ?=A B 2
3
464
1
x
y z
-=--e e e 132210x y z -++e e e 所以?A B 在C 上的分量为 ()?=
C A B ()14.433
?=-=-A B C C
1.6 证明：如果A B =A C 和?=A B ?A C ，则=B C ； 解 由?=A B ?A C ，则有()()??=??A A B A A C ，即
()()()()-=-A B A A A B A C A A A C
由于A B =A C ，于是得到 ()()=A A B A A C 故 =B C
1.7 如果给定一未知矢量与一已知矢量的标量积和矢量积，那么便可以确定该未知矢量。设A 为一已知矢量，p =A X 而=?P A X ，p 和P 已知，试求X 。
解 由=?P A X ，有
()()()()p ?=??=-=-A P A A X A X A A A X A A A X 故得 p -?=
A A P X A A 1.8 在圆柱坐标中，一点的位置由2(4,,3)3
π定出，求该点在：（1）直角坐标中的坐标；（2）球坐标中的坐标。
解 （1）在直角坐标系中 4cos(23)2x π==-、4sin(23)y π==3z =
故该点的直角坐标为(2,-。
（2）在球坐标系中 5r ==、1tan (43)53.1θ-==、2120φπ== 故该点的球坐标为(5,53.1,120)
1.9 用球坐标表示的场2
25r
r =E e ， （1）求在直角坐标中点(3,4,5)--处的E 和x E ；
（2）求在直角坐标中点(3,4,5)--处E 与矢量22x y z =-+B e e e 构成的夹角。 解 （1）在直角坐标中点(3,4,5)--处，2222(3)4(5)50r =-++-=，故
22512
r
r ==E e
1cos
220
x x rx E θ====-
e E E
（2）在直角坐标中点(3,4,5)--处，345x y z =-+-r e e e ，所以
23
345252r r -+-===e e e E
故E 与B 构成的夹角为
11cos (
)cos (153.6θ--===EB E B E B 1.10 球坐标中两个点111(,,)r θφ和222(,,)r θφ定出两个位置矢量1R 和2R 。证明1R 和2
R 间夹角的余弦为
121212cos cos cos sin sin cos()γθθθθφφ=+-
解 由 111111111sin cos sin sin cos x y z r r r θφθφθ=++R e e e
222222222sin cos sin sin cos x y z r r r θφθφθ=++R e e e
得到 12
12
cos γ=
=R R R R
1122112212sin cos sin cos sin sin sin sin cos cos θφθφθφθφθθ++=
121211212sin sin (cos cos sin sin )cos cos θθφφφφθθ++= 121212sin sin cos()cos cos θθφφθθ-+
1.11 一球面S 的半径为5，球心在原点上，计算： (3sin )d r S
θ?e S 的值。
解
(3sin )d (3sin )d r
r
r
S
S
S θθ==
??e S e e
222
d 3sin 5sin d 75ππ
φθθθπ?=?? 1.12 在由5r =、0z =和4z =围成的圆柱形区域，对矢量22r z r z =+A e e 验证散度定
理。
解 在圆柱坐标系中 21()(2)32rr z r r r z
??
?=
+=+??A 所以 4
250
d d d (32)d 1200z r r r π
τ
τφπ?=+=????A 又
2
d (2)(d d d )r
z r r z z S
S
r
z S S S φφ=+++=??A S e e e e e
42522
00
00
5
5d d 24d d 1200z r r π
π
φφπ?+?=????
故有
d 1200τ
τπ?=?A d S
=?A S 1.13 求（1）矢量22222324x y z x x y x y z =++A e e e 的散度；（2）求?A 对中心在原点的
一个单位立方体的积分；（3）求A 对此立方体表面的积分，验证散度定理。
解 （1）222223
2222()()(24)
2272x x y x y z x x y x y z x y z
????=++=++???A
（2）?A 对中心在原点的一个单位立方体的积分为
121212
2222121212
1
d (2272)d d d 24
x x y x y z x y z τ
τ---?=
++=
????
A （3）A 对此立方体表面的积分
1212
112
2212121212
11
d ()d d ()d d 22S
y z y z ----=--+?
????A S
1212
1212
222
2121211112()d d 2()d d 22x x z x x z ------+???? 1212
1212
2
2
322312121212
11124()d d 24()d d 2224x y x y x y x y ------=???? 故有
1d 24
τ
τ?=
?A d S
=
?A S
1.14 计算矢量r 对一个球心在原点、半径为a 的球表面的积分，并求?r 对球体积的积分。
解
223
d d d sin d 4r S
S
S aa a π
π
φθθπ=
=
=????r S r e 又在球坐标系中，2
2
1()3r r r r
??=
=?r ，所以
22
3000
d 3sin d d d 4a
r r a ππτ
τθθφπ?==????r
1.15 求矢量22x y z x x y z =++A e e e 沿xy 平面上的一个边长为2的正方形回路的线积分，此正方形的两边分别与x 轴和y 轴相重合。再求??A 对此回路所包围的曲面积分，验证斯托
克斯定理。
解
2
2
2
2
2
d d d 2
d 0d 8C
x x x x y y =-+-=?????A l
又 2
222x
y z
x z yz x x y z x
x y z
???
??=
=+???e e e A e e 所以 22
00
d (22)d d 8x
z
z
S
yz x x y ??=
+=???A S e e e
故有
d 8C
=?A l d S
=???A S
1.16 求矢量2x y x xy =+A e e 沿圆周222x y a +=的线积分，再计算??A 对此圆面积的积分。
解
2
d d d C
C
x x xy
y =+=
??A l 24
2
422
(cos sin cos sin )d 4
a a
a π
πφφφφφ-+=
?
d ()d y
x z z S S
A A S x y ????=-=????A S e e 24222
00d sin d d 4a S a y S r r r π
πφφ==??? 1.17 证明：（1）3?=R ；（2）??=R 0；（3）()?=A R A 。其中x y z x y z =++R e e e ，
A 为一常矢量。
解 （1）3x y z x y z
????=
++=???R （2） x
y z
x y z x
y
y
???
??=
=???e e e R 0 （3）设x x y y z z A A A =++A e e e ，则x y z A x A y A z =++A R ，故
()()()x
x y z y x y z A x A y A z A x A y A z x y ??
?=++++++??A R e e ()z x y z A x A y A z z
?
++=?e x x y y z z A A A ++=e e e A 1.18 一径向矢量场()r f r =F e 表示，如果0?=F ，那么函数()f r 会有什么特点呢？
解 在圆柱坐标系中，由 1d [()]0d rf r r r
?==F 可得到
()C
f r r
=
C 为任意常数。 在球坐标系中，由 2
2
1d [()]0d r f r r r ?==F 可得到 2
()C f r r =
1.19 给定矢量函数x y y x =+E e e ，试求从点1(2,1,1)
P -到点2(8,2,1)P -的线积分d ?
E l ：（1）沿抛物线2x y =；（2）沿连接该两点的直线。这个E 是保守场吗？ 解 （1） d d d x y C
C
E x E y =+=
??
E l d d C
y x x y +=?
2
22
1
d(2)2d y y y y +=?
221
6d 14y y =? （2）连接点1(2,1,1)P -到点2(8,2,1)P -直线方程为
28
12
x x y y --=-- 即 640x y -+= 故
2
1
d d d d(64)(64)d x
y C
C
E
x E y y y y y =+=-+-=???E l 2
1
(124)d 14y y -=?
由此可见积分与路径无关，故是保守场。
1.20 求标量函数2
x yz ψ=的梯度及ψ
在一个指定方向的方向导数，此方向由单位矢量
x
y z
+e e e 定出；求(2,3,1)点的方向导数值。 解 222()()()x y z x yz x yz x yz x y z
ψ???
?=++=???e e e
222x y z
xyz x z x y
++e e e
故沿方向l x
y z
=e e
e e 的方向导数为
22
50l l ψψ
?=?=++
?e 点
(2,3,1)处沿l e 的方向导数值为
l ψ?=++=
? 1.21
试坐标中
y x z
A A A x y z ????=
++
???A 相似的方法推导圆柱坐标下的公式 1()z r A A rA r r r z
φφ???
?=++???A 。
解 在圆柱坐标中，取小体积元如题1.21图所示。矢量场A 沿r e 方向穿出该六面体的表面
的通量为
题1.21图
()d d d d z z z z
r r
r r
r r z
z
A r r r A r r φφφφφ
φ
ψφφ+?+?+?+?+?=
+?-
≈????
[()(,,)(,,)]r r r r A r r z rA r z z φφφ+?+?-??≈
()()
1r r rA rA r z r r r
φτ?????=??? 同理
d d d d r r z z
r r z z
r
z
r
z
A r z A r z φφ
φφ
φφψ+?+?+?+?+?=
-
≈??
??
[(,,)(,,)]A r z A r z r z φφφφφ+?-??≈
A A r z r φφφτφ
φ
?????=
???
d d d d r r r r z z
z z
z z r
r
A r r A r r φφ
φφ
φ
φ
ψφφ+?+?+?+?+?=
-
≈????
[(,,)(,,)]z z A r z z A r z r r z φφφ+?-???≈
z z A A
r r z z z
φτ?????=??? 因此，矢量场A 穿出该六面体的表面的通量为
()1[]r z
r z A rA A ΨΨΨΨr r r z
φφτφ???=++≈++????
故得到圆柱坐标下的散度表达式 0()1lim
r z
A rA A r r r z
φτψτφ?→?????==++????A 1.22 方程222
2
22x y z u a b c
=++给出一椭球族。求椭球表面上任意点的单位法向矢量。 解 由于 222
222x
y z x y z u a b c ?=++e e e
u ?=
故椭球表面上任意点的单位法向矢量为
222(x y z u x y z a b c u
?=
=++?n e e e 1.23 现有三个矢量A 、B 、C 为
sin cos cos cos sin r θφθφθφφ=+-A e e e
22sin cos 2sin r z z z rz φφφφ=++B e e e
22(32)2x y z y x x z =-++C e e e
（1）哪些矢量可以由一个标量函数的梯度表示？哪些矢量可以由一个矢量函数的旋度表示？
（2）求出这些矢量的源分布。 解（1）在球坐标系中
22111()(sin )sin sin r A r A A r r r r φ
θ
θθθθφ????=
++=???A
22
111(sin cos )(sin cos cos )(sin )sin sin r r r r r θφθθφφθθθφ
???
++-=???
2cos 2sin cos cos sin cos 0sin sin r r r r φθφφθφθθ
+--= 2sin 1sin sin r r r r r r A rA r A θφ
θφ
θθθφ
θ???
??==???e e e A
2sin 10sin sin cos cos cos sin sin r
r r r r r r θφ
θθ
θφθφ
θφ
θφ
???
=???-e e e
故矢量A 既可以由一个标量函数的梯度表示，也可以由一个矢量函数的旋度表示；
在圆柱坐标系中
11()z r B B rB r r r z φφ????++=???B =
2211(sin )(cos )(2sin )rz z rz r r r z φφφφ???
++=???
22sin sin 2sin 2sin z z r r r r φφ
φφ-+= 22110sin cos 2sin r z r z
r z r r r r z r r z B rB B z rz rz θθ
θφφφ
φ
φ
?????
?
??=
=
=??????e e e e e e B 故矢量B 可以由一个标量函数的梯度表示；
直角在坐标系中
y x z C C C x y z ????++=???C =
22(32)()(2)0y x x z x y z
???
-++=???
22
(26)322x
y z
z x y x y z y x
x z
?
??
??=
=-???-e e e C e 故矢量C 可以由一个矢量函数的旋度表示。 （2）这些矢量的源分布为
0?=A ，0??=A ；
2sin r φ?B =，0??=B ；
0?=C ，(26)z x y ??=-C e
1.24 利用直角坐标，证明
()f f f ?=?+?A A A
解 在直角坐标中
(
)()y x z x y z A A A f f f
f f f A A A x y z x y z
???????+?=+++++=??????A A ()()()y x z x y z A A A f f f
f A f A f A x x y y z z ??????+++++=??????
()()()()x y z fA fA fA f x y z
???
++=????A 1.25 证明
()??=??-??A H H A A H
解 根据?算子的微分运算性质，有
()()()A H ??=??+??A H A H A H
式中A ?表示只对矢量A 作微分运算，H ?表示只对矢量H 作微分运算。
由()()?=?a b c c a b ，可得
()()()A A ??=??=??A H H A H A
同理 ()()()H H ??=-??=-??A H A H A H 故有 ()??=??-??A H H A A H
1.26 利用直角坐标，证明
()f f f ??=??+??G G G
解 在直角坐标中
[(
)()()]y
y x x z z x y z G G G G G G f f y z z x x y ????????=-+-+-??????G e e e f ??=G [()()()]x z
y y x z z y x f f f f f f G G G G G G y z z x x y ??????-+-+-??????e e e 所以
f f ??+??=G G [()()]y z x z
y G G f f
G f G f y y z z
????+-++????e [()()]x z y x z
G G f f G f G f z z x x
????+-++????e [()()]y x z y x G G f f
G f G f x x y y ????+-+=????e
()()[]y z x fG fG y z ??-+??e ()()[]x z y fG fG z x ??-+
??e ()()[]y x z fG fG x y
??-=??e ()f ??G
1.27 利用散度定理及斯托克斯定理可以在更普遍的意义下证明()0u ???=及
()0???=A ，试证明之。
解 （1）对于任意闭合曲线C 为边界的任意曲面S ，由斯托克斯定理有
()d d d d 0S
C
C
C
u
u u l u l ????=
?===????
?S l 由于曲面S 是任意的，故有
()0u ???=
（2）对于任意闭合曲面S 为边界的体积τ，由散度定理有
1
2
()d ()d ()d ()d S
S S τ
τ???=??=??+??????A A S A S A S
其中1S 和2S 如题1.27图所示。由斯托克斯定理，有
1
1
()d d S C ??=??A S A l ， 2
2
()d d S C ??=??A S A l
由题1.27图可知1C 和2C 是方向相反的同一回路，则有 1
2
d d C C =-??A l A l
所以得到
1
2
2
2
()d d d d d 0C C C C τ
τ???=+=-+=?????A A l A l A l A l 由于体积τ是任意的，故有 ()0???=A
二章习题解答
2.1 一个平行板真空二极管的电荷体密度为
43230049
U d x ρε--=-，式中阴极板位于0x =，阳极板位于
x d =，
极间电压为0U 。如果040V U =、1cm d =、横截面210cm S =，求：（1）0x =和x d =区域的总电荷量Q ；（2）2x d =和x d =区域的总电荷量Q '。
解 （1） 4323
000
4d ()d 9
d
Q U d x S x τ
ρτε--==-=??11004
4.7210C 3U S d
ε--
=-? （2） 432002
4d ()d 9d
d Q U d x S x τρτε--'
'=
=
-=?
?11004(10.9710C 3U S d ε--=-? 2.2 一个体密度为732.3210C m ρ-=?的质子束，通过1000V 的电压加速后形成等速的
质子束，质子束的电荷均匀分布，束直径为2mm ，束外没有电荷分布，试求电流密度和电流。
解 质子的质量271.710kg m -=?、电量191.610C q -=?。由
2
1
mv qU = 得 61.3710v ==? m 故 0.318J v ρ== 2A m
26(2)10I J d π-== A
2.3 一个半径为a 的球体均匀分布总电荷量为Q 的电荷，球体以匀角速度ω绕一个直径旋
转，求球的电流密度。
解 以球心为坐标原点，转轴（一直径）为z 轴。设球任一点P 的位置矢量为r ，且r 与z 轴的夹角为θ，则P 点的线速度为
sin r φωθ=?
=v r e ω
球的电荷体密度为
1
题1.27图
3
43
Q
a ρπ=
故 33
3sin sin 434Q Q r r a a φ
φ
ω
ρωθθππ===J v e e 2.4 一个半径为a 的导体球带总电荷量为Q ，同样以匀角速度ω绕一个直径旋转，求球表
面的面电流密度。
解 以球心为坐标原点，转轴（一直径）为z 轴。设球面上任一点P 的位置矢量为r ，且r 与z 轴的夹角为θ，则P 点的线速度为
sin a φωθ=?=v r e ω
球面的上电荷面密度为
2
4Q a σπ=
故 2
sin sin 44S Q Q a a a
φ
φω
σωθθππ===J v e e 2.5 两点电荷18C q =位于z 轴上4z =处，24C q =-位于y 轴上4y =处，求(4,0,0)处
的电场强度。
解 电荷1q 在(4,0,0)处产生的电场为
1
113014q πε'-=
='-r r E r r
电荷2q 在(4,0,0)处产生的电场为
22230244
4q πε-'-=='-e e r r E r r 故(4,0,0)处的电场为
122+-=+=
e e e E E E
2.6 一个半圆环上均匀分布线电荷
l ρ，求垂直于圆平面的轴线上z a =处的电场强度
(0,0,)a E ，设半圆环的半径也为a ，如题2.6 图所示。
解 半圆环上的电荷元d d l l l a ρρφ''=在轴线上z a =处的电场强度为
d φ'==E
(cos sin )φφφ''-+'e e e
在半圆环上对上式积分，得到轴线上z a =处的电场强度为
(0,0,)d a ==?E E
2
[(cos sin )]d z x y ππφφφ'''-+=?e e
e 2.7 三根长度均为L ，均匀带电荷密度分别为1l ρ、2l ρ和3l ρ地线电荷构成等边三角形。设1l ρ=22l ρ=32l ρ，计算三角形中心处的
题 2.6图
电场强度。
解 建立题2.7图所示的坐标系。三角形中心到各边的距离为
3tan 302L d =
= 则
11
1003(cos30cos150)42l l
y
y
d L
ρρπεπε=-=E e e 2120033
(cos30sin 30)()
28l l x y y L L ρρπεπε=-+=-E e e e e 3130033(cos30sin 30)()28l l x
y y L L
ρρπεπε=-=E e e e e 故等边三角形中心处的电场强度为
123=++=E E E E
111000333()()288l l l y
y y L L L ρρρπεπεπε-+=e e e e e 1
034l y
L
ρπεe 2.8 －点电荷q +位于(,0,0)a -处，另－点电荷2q -位于(,0,0)a 处，空间有没有电场强
度0=E 的点？
解 电荷q +在(,,)x y z 处产生的电场为
12
2
232
0()4[()]
x y z x a y z
q
x a y z πε+++=
+++e e e E
电荷2q -在(,,)x y z 处产生的电场为
222232
0()24[()]x y z x a y z q x a y z πε-++=-
-++e e e E (,,)x y z 处的电场则为12=+E E E 。令0=E ，则有
2
2
232
()[()]
x y z x a y z x a y z +++=
+++e e e 2
2
232
2[()][()]
x y z x a y z x a y z -++-++e e e
由上式两端对应分量相等，可得到
2223222232()[()]2()[()]x a x a y z x a x a y z +-++=-+++ ① 222322232[()]2[()]y x a y z y x a y z -++=+++ ②
2223222232[()]2[()]z x a y z z x a y z -++=+++ ③
当0y ≠或0z ≠时，将式②或式③代入式①，得0a =。所以，当0y ≠或0z ≠时无解；
当0y =且0z =时，由式①，有
33(
)()2()()x a x a x a x a +-
=-+
解得
(3x a =-±
但3x a =-+不合题意，故仅在(3,0,0)a --处电场强度0
=E 。
2．9 一个很薄的无限大导电带电面，电荷面密度为σ。证明：垂直于平面的z 轴上0z z =处的电场强度E 中，有一半是有平面上半径为03z 的圆的电荷产生的。
1l
o 题2.7图
解 半径为r 、电荷线密度为d l r ρσ=的带电细圆环在z 轴上0z z =处的电场强度为
0223200d d 2()
z
r z r
r z σε=+E e 故整个导电带电面在z 轴上0z z =处的电场强度为
0022322212
00000
d 1
2()2()2z z z
r z r z r z r z σσσ
εεε∞
∞
==-=++?
E e e e 而半径为03z 的圆的电荷产生在z 轴上0z z =处的电场强度为
022320000
d 1
2()42
z
z z
r z r r z σσεε'==-==+E e e e E 2.10 一个半径为a 的导体球带电荷量为Q ，当球体以均匀角速度ω
绕一个直径旋转，如题2.10图所示。求球心处的磁感应强度B 。
解 球面上的电荷面密度为
2
4Q a σπ=
当球体以均匀角速度ω绕一个直径旋转时，球面上位置矢量r a =r e 点处的电流面密度为
S z r a σσσω==?=?=J v ωr e e
sin sin 4Q
a a
φφωωσθθπ=e e
将球面划分为无数个宽度为d d l a θ=的细圆环，则球面上任一个宽度为d d l a θ=细圆环的电流为 d d sin d 4S Q
I J l ωθθπ
==
细圆环的半径为sin b a θ=，圆环平面到球心的距离cos d a θ=，利用电流圆环的轴线上的磁场公式，则该细圆环电流在球心处产生的磁场为
202232d d 2()z b I
b d μ==+B e 230222232sin d 8(sin cos )z Qa a a μωθθπθθ=+e 3
0sin d 8z
Q a
μωθθπe 故整个球面电流在球心处产生的磁场为 3
000sin d 86z z
Q Q a a
πμωθμωθππ==?B e e 2.11 两个半径为b 、同轴的相同线圈，各有N 匝，相互隔开距离为d ，如题2.11图所示。电流I 以相同的方向流过这两个线圈。
（1）求这两个线圈中心点处的磁感应强度x x B =B e ； （2）证明：在中点处d d x B x 等于零；
（3）求出b 与d 之间的关系，使中点处22d x B x 也等于零。 解 （1）由细圆环电流在其轴线上的磁感应强度 2
02
232
2()
z
Ia a z μ=+B e
得到两个线圈中心点处的磁感应强度为 2
02
2
32
(4)
x
NIb b d μ=+B e
（2）两线圈的电流在其轴线上x )0(d x <<处的磁感应强度为
题2.10图
22
00223222322()
2[()]x NIb NIb b x b d x μμ??=+??++-??B e 所以 22
0022522252
d 33()d 2()2[()]x B NIb x NIb d x x b x b d x μμ-=-+++- 故在中点2d x =处，有
22
0022522252d 32320d 2[4]2[4]x B NIb d NIb d x b d b d μμ=-+=++ （3） 2222
00222722252d 153d 2()2()
x B NIb x NIb x b x b x μμ=-+++ 222
0022722252
15()32[()]2[()]
NIb d x NIb b d x b d x μμ--+-+- 令
0d d 22
2
==d x x x B ，有 0]
4[1]4[45252227222
=+-+d b d b d 即 5222d b d += 故解得 b d =
2.12 一条扁平的直导体带，宽为a 2，中心线与z 轴重合，通过的电流为I 。证明在第一
象限的磁感应强度为 04x I B a
μαπ=-，021ln 4y I r B a r μπ= 式中α、1r 和2r 如题2.12图所示。 解 将导体带划分为无数个宽度为x 'd 的细条带，每一
细条带的电流x a I I '=d 2d 。由安培环路定理，可得位于x '处
的细条带的电流I d 在点),(y x P 处的磁场为
00d d d 24I I x B R aR μμππ'
===02212d 4[()]I x a x x y μπ''-+ 则 022
d d d sin 4[()]x Iy x B B a x x y μθπ'
=-=-'-+ 022()d d d cos 4[()]y I x x x B B a x x y μθπ''
-==
'-+ 所以
022d 4[()]a
x a
Iy x B a x x y μπ-'
=-='-+?0arctan 4a
a
I x x a y μπ-'??--= ???
0arctan arctan 4I a x a x a y y μπ??????----
-=?? ? ???????0arctan arctan 4I x a x a a y y μπ?
?????+---=?? ? ???????
021()4I a μααπ--=04I a
μαπ- 022()d 4[()]a y a I x x x B a x x y μπ-''-=='-+?22
0ln[()]8a
a I x x y a μπ-'--+=22022
()ln 8()I x a y a x a y μπ++=-+021ln 4I r a r μπ
题 2.12图
题2.11图
题 2.13图
2.13 如题2.13图所示，有一个电矩为1p 的电偶极子，位于坐标原点上，另一个电矩为2p 的电偶极子，位于矢径为r 的某一点上。试证明两偶极子之间相互作用力为
12
12124
03(sin sin cos 2cos cos )4r p p F r
θθφθθπε=
- 式中11,θ=<>r p ，22,θ=<>r p ，φ是两个平面1(,)r p 和2(,)r p 间的夹角。并问两个偶极子在怎样的相对取向下这个力值最大？
解 电偶极子1p 在矢径为r 的点上产生的电场为
11
15
303()1[]4r r
πε=
-p r r p E 所以1p 与2p 之间的相互作用能为
1212
215303()()1[]4e W r r
πε=-=--p r p r p p p E
因为11,θ=<>r p ，22,θ=<>r p ，则
111cos p r θ=p r
222cos p r θ=p r
又因为φ是两个平面1(,)r p 和2(,)r p 间的夹角，所以有
2
121212()()sin sin cos r p p θθφ??=r p r p
另一方面，利用矢量恒等式可得
1212()()[()]??=??=r p r p r p r p 2112[()]r -=p r p r p 21212()()()r -p p r p r p
因
此
12121221
()[()()()()]r
=
??+=p p r p r p r p r p 1212sin sin cos p p θθφ+1212cos cos p p θθ 于是得到 =e
W 12
304p p r πε(12sin sin cos θθφ-122cos cos θθ) 故两偶极子之间的相互作用力为 e r q const
W F r
=?=-
=?1204p p πε-
(12sin sin cos θθφ-122cos cos θθ)
3d 1
()d r r
= 12
4
034p p r πε(12sin sin cos θθφ-122cos cos θθ)
由上式可见，当120θθ==时，即两个偶极子共线时，相互作用力值最大。
2.14 两平行无限长直线电流1I 和2I ，相距为d ，求每根导线单位长度受到的安培力m F 。 解 无限长直线电流1I 产生的磁场为 01
12I r
φ
μπ=B e 直线电流2I 每单位长度受到的安培力为 1
012
122112
d 2m z I I I z d
μπ=?=-?
F e B e 式中12e 是由电流1I 指向电流2I 的单位矢量。
同理可得，直线电流1I 每单位长度受到的安培力为 012
211212
2m m I I d
μπ=-=F F e
2.15 一根通电流1I 的无限长直导线和一个通电流2I 的圆环在同一平面上，圆心与导线的距离为d ，如题2.15图所示。证明：两电流间相互作用的安培力为
012(sec 1)m F I I μα=- 这里α是圆环在直线最接近圆环的点所的角。
解 无限长直线电流1I 产生的磁场为
01
12I r
φ
μπ=B e 圆环上的电流元22d I l 受到的安培力为
0122212d d d 2m y I I
I x
μπ=?=?F l B l e
由题2.15图可知 2d (sin cos )d x z a θθθ=-+l e e cos x d a θ=+
所以 2012
(sin cos )d 2(cos )m z x aI I d a π
μθθθπθ=--=+?F e e 20120cos d 2(cos )
x aI I d a πμθ
θπθ-=+?
e 0120122((sec 1)2x x aI I I I a μπμαπ--=--e e 2.16 证明在不均匀的电场中，某一电偶极子p 绕坐标原点所受到的力矩为
()??+?r p E p E 。
解 如题2.16图所示，设d q =p l (d 1)l <<，则电偶极子p 绕坐标原点所受到的力矩为
2211()()q q =?-?=T r E r r E r
d d d d ()()()()2222
q q +?+--?-=l l l l r E r r E r
d d d d [()()]d [()()]22222
q q ?+--+?++-l l l l
r E r E r l E r E r
当d 1l <<时，有
d d ()()()()22+
≈+??l l
E r E r E r d d ()()()()22-≈-??l l
E r E r E r
故得到
(d )()d ()q q ≈???+?=T r l E r l E r
()??+?r p E p E
I
题2.15图
x 题2.16 图
三章习题解答
3.1 真空中半径为a 的一个球面，球的两极点处分别设置点电荷q 和q -，试计算球赤道平面上电通密度的通量Φ(如题3.1图所示)。
解 由点电荷q 和q -共同产生的电通密度为
33[]4q R R π+-
+-
=
-=R R D 22322232()(){}4[()][()]
r z r z r z a r z a q rz a rz a π
+-++-+-++e e e e 则球赤道平面上电通密度的通量
d d z
z S
S
S Φ====??D S D e
223222320()[]2d 4()()
a
q a a
r
r r a r a ππ--=++? 2212
1)0.293()a
qa
q q r a =-=-+ 3.2 1911年卢瑟福在实验中使用的是半径为a r 的球体原子模型，其球体均匀分布有总电荷量为Ze -的电子云，在球心有一正电荷Ze （Z 是原子序数，e 是质子电荷量），通过实验得到球体的电通量密度表达式为02314r
a Ze r r r π??
=- ???
D e ，试证明之。 解 位于球心的正电荷Ze 球体产生的电通量密度为 12
4r
Ze
r π=D e 原子电子云的电荷体密度为
33
3434a a Ze Ze
r r ρππ=-=- 电子云在原子产生的电通量密度则为 3223
4344r r
a r Ze r
r r ρπππ==-D e e 故原子总的电通量密度为 122314r
a Ze r r r π??
=+=- ???
D D D e 3.3 电荷均匀分布于两圆柱面间的区域中，体密度为3
0C m ρ, 两圆柱
面半径分别为a 和b ，轴线相距为c )(a b c -<，如题3.3图()a 所示。求空间各部分的电场。
解 由于两圆柱面间的电荷不是轴对称分布，不能直接用高斯定律求解。但可把半径为a 的小圆柱面看作同时具有体密度分别为0ρ±的两种电荷分布，这样在半径为b 的整个圆柱体具有体密度为0ρ的均匀电荷分布，而在半径为a 的整个圆柱体则具有体密度为0ρ-的均匀电荷分布，如题3.3图()b 所示。空间任一点的电场是这两种电荷所产生的电场的叠加。
在b r >区域中，由高斯定律
d S
q
ε=
?
E S ，可求得大、小圆柱中的正、负电荷在点P 产生
的电场分别为 2200120022r b b r r πρρπεε==r E e 220012
0022r a a r r
πρρπεε'
-''==-''r
E e 题3.1 图
题3. 3图()a
点P 处总的电场为 2211
220()2b a r r ρε''=+=-'
r r E E E 在b r <且a r >'区域中，同理可求得大、小圆柱中的正、负电荷在点P 产生的电场分别为
220022r r r πρρπεε==r E e 2222
0022r a a r r
πρρπεε'
-''==-''r E e 点P 处总的电场为 2022
20()2a r ρε''=+=-'
r E E E r 在a r <'的空腔区域中，大、小圆柱中的正、负电荷在点P 产生的电场分别为
20030022r r r πρρπεε==r E e 2003
00
22r r r πρρπεε''
-''==-'r E e 点P 处总的电场为 0033
00
()22ρρεε''=+=-=E E E r r c 3.4 半径为a 的球中充满密度()r ρ的体电荷，已知电位移分布为
3254
2
()()
r r Ar r a D a Aa r a r ?+≤?
=?+≥?
? 其中A 为常数，试求电荷密度()r ρ。
解：由ρ?=D ，有 2
2
1d ()()d r r r D r r
ρ=?=D 故在r a <区域 23
220
02
1d ()[()](54)d r r r Ar r Ar r r
ρεε=+=+ 在r a >区域 54
2
022
1d ()()[]0d a Aa r r r r r
ρε+== 3.5 一个半径为a 薄导体球壳表面涂覆了一薄层绝缘膜，球充满总电荷量为Q 为的体电荷，
球壳上又另充有电荷量Q 。已知球部的电场为4
()r r a =E e ，设球介质为真空。计算：（1） 球
的电荷分布；（2）球壳外表面的电荷面密度。
解 （1） 由高斯定律的微分形式可求得球的电荷体密度为
20021d [()]d r E r r ρεε=?==E 43
2002441d [()]6d r r r r r a a
εε=
（2）球体的总电量Q 为 322
0040
d 64d 4a
r Q r r a a τρτεππε===??
题3. 3图()
b
＝
＋
球电荷不仅在球壳表面上感应电荷Q -，而且在球壳外表面上还要感应电荷Q ，所以球壳外表面上的总电荷为2Q ，故球壳外表面上的电荷面密度为 02
224Q
a
σεπ=
= 3.6 两个无限长的同轴圆柱半径分别为r a =和r b =()b a >，圆柱表面分别带有密度为
1σ和2σ的面电荷。（1）计算各处的电位移0D ；（2）欲使r b >区域00=D ，则1σ和2σ应具有
什么关系？
解 （1）由高斯定理
d S
q =?D
S ，当r a <时，有 01
0=D
当a r b <<时，有 02122rD a ππσ= ，则 1
02r
a r
σ=D e 当b r <<∞时，有 0312222rD a b ππσπσ=+ ，则 12
03r a b r
σσ+=D e （2）令 12
030r
a b r
σσ+==D e ，则得到 12b a σσ=- 3.7 计算在电场强度x y y x =+E e e 的电场中把带电量为2C μ-的点电荷从点1(2,1,1)
P -移到点2(8,2,1)P -时电场所做的功：（1）沿曲线2
2x y =；（2）沿连接该两点的直线。
解 （1）d d d d x y C
C
C W q q E x E y ===+=???
F l E l
2
2
2
1
d d d(2)2d C
q y x x y q y y y y +=+=??2
261
6d 142810()q y y q J -==-??
（2）连接点1(2,1,1)P -到点2(8,2,1)P -直线方程为
28
12
x x y y --=-- 即 640x y -+= 故W =2
1
d d d(64)(64)d C
q y x x y q y y y y +=-+-=??2
6
1
(124)d 142810()q y y q J --==-??
3.8 长度为L 的细导线带有均匀电荷，其电荷线密度为0l ρ。（1）计算线电荷平分面上任意点的电位?；（2）利用直接积分法计算线电荷平分面上任意点的电场E ，并用?=-?E 核对。 解 （1）建立如题3.8图所示坐标系。根据电位的积分表达式，线电荷平分面上任意点P 的电位为
2
(,0)L L r ?-'
=
=?
2
2
ln(4L l L z ρπε-'+=
04l ρπε=
0ln
2l ρπε
L L -r
ρ题3.8图
（2）根据对称性，可得两个对称线电荷元z l 'd 0ρ在点P 的电场为
d d r r r
E θ'
===E e e 02232
0d 2()l r
r z r z ρπε'
'+e
故长为L 的线电荷在点P 的电场为
2
0223200
d d 2()L l r r z r z ρπε'
==='+??
E E
e 200
02L l r r ρπε'=
e r
e 由?=-?E 求E ，有
002l ρ?πε??=-?=-?=??
??
E
(00d ln 2ln 2d l r
L r r ρπε??--=?
???e
0012l r r ρπε??
?-=??
?
e r e 3.9 已知无限长均匀线电荷l ρ的电场02l
r r ρπε=E e ，试用定义式()d P
r r
r ?=?E l 求其电
位函数。其中P r 为电位参考点。
解
000()d d ln ln 222P
P
P
r r r
l l l P r r
r
r r r r r r
ρρρ?πεπεπε====??
E l 由于是无限长的线电荷，不能将P r 选为无穷远点。
3.10 一点电荷q +
位于(,0,0)a -，另一点电荷2q -位于(,0,0)a ，求空间的零电位面。 解 两个点电荷q +和2q -在空间产生的电位
1(,,)4x y z
?
πε=
令(,,)0x y z ?=，则有
0=
即 222222
4[()]()x a y z x a y z +++=-++
故得 222254()()33x a y z a +
++= 由此可见，零电位面是一个以点5(,0,0)3a -为球心、4
3
a 为半径的球面。
3.11 证明习题3.2的电位表达式为 2013
()()422a a
Ze r r r r r ?πε=
+- 解 位于球心的正电荷Ze 在原子外产生的电通量密度为 12
4r
Ze
r π=D e
?电磁场?试卷1 一、单项选择题 1. 静电场是( ) A. 无散场 B. 旋涡场 C.无旋场 D. 既是有散场又是旋涡场 2. 已知(23)()(22)x y z D x y e x y e y x e =-+-+-，如已知电介质的介电常数为0ε，则自由电荷密度ρ为( ) A. B. 1/ C. 1 D. 0 3. 磁场的标量位函数的单位是( ) A. V/m B. A C. A/m D. Wb 4. 导体在静电平衡下，其内部电场强度( ) A.为零 B.为常数 C.不为零 D.不确定 5. 磁介质在外部磁场作用下，磁化介质出现( ) A. 自由电流 B. 磁化电流 C. 传导电流 D. 磁偶极子 6. 磁感应强度与磁场强度的一般关系为( ) A.H B μ= B.0H B μ= C.B H μ= D.0B H μ= 7. 极化强度与电场强度成正比的电介质称为( )介质。 A.各向同性 B. 均匀 C.线性 D.可极化 8. 均匀导电媒质的电导率不随( )变化。 A.电流密度 B.空间位置 C.时间 D.温度 9. 磁场能量密度等于( ) A. E D B. B H C. 21E D D. 2 1B H 10. 镜像法中的镜像电荷是( )的等效电荷。 A.感应电荷 B.原电荷 C. 原电荷和感应电荷 D. 不确定 二、填空题(每空2分，共20分) 1. 电场强度可表示为_______的负梯度。 2. 体分布电荷在场点r 处产生的电位为_______。 3. 一个回路的自感为回路的_______与回路电流之比。 4. 空气中的电场强度5sin(2)x E e t z πβ=-V/m ，则位移电流密度d J = 。 5. 安培环路定律的微分形式是 ，它说明磁场的旋涡源是 。 6. 麦克斯韦方程组的微分形式是 ， ， ， 。 三、简答题(本大题共2小题，每小题5分，共10分) 1.写出电荷守恒定律的数学表达式，说明它揭示的物理意义。 2.写出坡印廷定理的微分形式，说明它揭示的物理意义。 四、计算题(本大题) 1.假设在半径为a 的球体内均匀分布着密度为0ρ的电荷，试求任意点的电场强度。 2.一个同心球电容器的内、外半径为a 、b ，其间媒质的电导率为σ，求该电容器的漏电电导。 3.已知空气媒质的无源区域中，电场强度100cos()z x E e e t z αωβ-=-，其中βα,为常数，求磁场强度。 0ε0ε
一章习题解答 1.1 给定三个矢量A 、B 和C 如下： 23x y z =+-A e e e 4y z =-+B e e 52x z =-C e e 求：（1）A a ；（2）-A B ；（3）A B g ； （4）AB θ；（5）A 在B 上的分量；（6）?A C ； （7）()?A B C g 和()?A B C g ；（8）()??A B C 和()??A B C 。 解 （1 ）23A x y z +-= ==-e e e A a e e e A （2）-=A B (23)(4)x y z y z +---+=e e e e e 64x y z +-=e e e （3）=A B g (23)x y z +-e e e (4)y z -+=e e g －11 （4）由 cos AB θ ===A B A B g ，得 1cos AB θ- =(135.5=o （5）A 在B 上的分量 B A =A cos AB θ ==A B B g （6）?=A C 1 235 02x y z -=-e e e 41310x y z ---e e e （7）由于?=B C 04 1502x y z -=-e e e 8520x y z ++e e e ?=A B 123041 x y z -=-e e e 1014x y z ---e e e 所以 ()?=A B C g (23)x y z +-e e e g (8520)42x y z ++=-e e e ()?=A B C g (1014)x y z ---e e e g (52)42x z -=-e e （8）()??=A B C 1014502x y z ---=-e e e 2405x y z -+e e e ()??=A B C 1 238 5 20 x y z -=e e e 554411x y z --e e e
电磁场与波课后思考题 2-1 电场强度的定义是什么如何用电场线描述电场强度的大小及方向 电场对某点单位正电荷的作用力称为该点的电场强度，以E 表示。 用曲线上各点的切线方向表示该点的电场强度方向，这种曲线称为电场线。 电场线的疏密程度可以显示电场强度的大小。 2-2给出电位与电场强度的关系式，说明电位的物理意义。 静电场中某点的电位，其物理意义是单位正电荷在电场力的作用下，自该点沿任一条路径移至无限远处过程中电场力作的功。 ! 2-3什么是等位面 电位相等的曲面称为等位面。 2-5给出电流和电流密度的定义。 电流是电荷的有规则运动形成的。单位时间内穿过某一截面的电荷量称为电流。 分为传导电流和运流电流两种。 传导电流是导体中的自由电子（或空穴）或者是电解液中的离子运动形成的电流。 运流电流是电子、离子或其它带电粒子在真空或气体中运动形成的电流。 电流密度：是一个矢量，以J 表示。电流密度的方向为正电荷的运动方向，其大小为单 位时间内垂直穿过单位面积的电荷量。 2-10运动电荷，电流元以及小电流环在恒定磁场中受到的影响有何不同 & 运动电荷受到的磁场力始终与电荷的运动方向垂直，磁场力只能改变其运动方向，磁场 与运动电荷之间没有能量交换。 当电流元的电流方向与磁感应强度B 平行时，受力为零；当电流元的方向与B 垂直时， 受力最大，电流元在磁场中的受力方向始终垂直于电流的流动方向。 当电流环的磁矩方向与磁感应强度B 的方向平行时，受到的力矩为零；当两者垂直时， 受到的力矩最大 2-11什么是安培环路定理试述磁通连续性原理。 为真空磁导率，70 10π4-?=μ (H/m)，I 为闭合曲线包围的电流。 安培环路定理表明：真空中恒定磁场的磁通密度沿任意闭合曲面的环量等于曲线包围的 电流与真空磁导率的乘积。 真空中恒定磁场通过任意闭合面的磁通为0。 ^ 磁场线是处处闭合的，没有起点与终点，这种特性称为磁通连续性原理。 2-12什么是感应电动势和感应磁通 ? -?=E S J I d d ?=t q I d d = B v q ?=F B l I F ?=d ISB B Il IlBl Fl T ====2)(B S I T ?=S I =m B T ?=m I l B l ? =? 0 d μ ? =?S S B 0d t l E l d d d Φ -=??
电磁场与电磁波(第四版）习题解答 第1章习题 习题1．1 给定三个矢量A 、B 和C 如下: 23 x y z =+-A e e e ． 4y z =-+B e e ， 52x z =-C e e , 解: (1 ）22323) 12(3)A x y z e e e A a e e e A +-= = = +-++- （2 ）2641x y z A B e e e -=+-==(3)(23)(4)11x y z y z A B e e e e e ?=+-?-+=- （4）arccos 135.5A B AB θ?===? (５)1711 cos -=?=??==B B A A B B A A A A AB B θ (６）1 2341310502 x y z x Y Z e e e A C e e e ?=-=---- (７)0 4185205 02 x y z x Y Z e e e B C e e e ?=-=++- ()(23)(8520)42x Y Z x Y Z A B C e e e e e e ??=+-?++=- 1 23104041 x y z x Y Z e e e A B e e e ?=-=---- ()(104)(52)42x Y Z x Z A B C e e e e e ??=---?-=- (8）()10142405502 x y z x Y Z e e e A B C e e e ??=---=-+-
()1 235544118520 x y z x Y Z e e e A B C e e e ??=-=-- 习题1．4给定两矢量 234x y z =+-A e e e 和 456x y z =-+B e e e ,求它们之间的夹角和 A 在 Ｂ上的分量。 解： 29)4(32222=-++=A 776)5(4222=+-+=B 31)654()432(-=+-?-+=?z y x z y x e e e e e e B A 则A 与B 之间的夹角为 131772931cos =???? ???-=???? ? ? ???=ar B A B A arcis AB θ A 在B 上的分量为 532.37731cos -=-=?=???==B B A B A B A A A A AB B θ 习题1.９用球坐标表示的场2 25r r =E e ， (1）求在直角坐标中点(3,4,5)--处的E 和x E ； (2）求在直角坐标中点(3,4,5) --处E 与矢量2 2x y z = -+B e e e 构成的夹角。 解: (１)由已知条件得到，在点（－3，４,-5）处， r ===2 2525 0.550 E r = == 2 105 43252532z y x r e e e r r r e E -+-===
一：1.7什么是矢量场的通量？通量的值为正，负或0分别表示什么意义？ 矢量场F穿出闭合曲面S的通量为： 当大于0时，表示穿出闭合曲面S的通量多于进入的通量，此时闭合曲面S内必有发出矢量线的源，称为正通量源。 当小于0时，小于 有汇集矢量线的源，称为负通量源。 当等于0时等于、闭合曲面内正通量源和负通量源的代数和为0，或闭合面内无通量源。 1.8什么是散度定理?它的意义是什么？ 矢量分析中的一个重要定理： 称为散度定理。意义：矢量场F的散度在体积V上的体积分等于矢量场F在限定该体积的闭合积分，是矢量的散度的体积与该矢量的闭合曲面积分之间的一个变换关系。 1.9什么是矢量场的环流？环流的值为正，负，或0分别表示什么意义？ 矢量场F沿场中的一条闭合回路C的曲线积分，称为矢量场F沿 的环流。 大于0或小于0，表示场中产生该矢量的源，常称为旋涡源。
等于0，表示场中没有产生该矢量场的源。 1.10什么是斯托克斯定理？它的意义是什么？该定理能用于闭合曲面吗？ 在矢量场F所在的空间中，对于任一以曲面C为周界的曲面S，存在如下重要关系 这就是是斯托克斯定理矢量场的旋度在曲面S上的面积分等于矢量场F在限定曲面的闭合曲面积分，是矢量旋度的曲面积分与该矢量沿闭合曲面积分之间的一个变换关系。能用于闭合曲面. 1,11 如果矢量场F能够表示为一个矢量函数的旋度，这个矢量场具有什么特性? =0,即F为无散场。 1.12如果矢量场F能够表示为一个标量函数的旋度，这个矢量场具有什么特性? =0即为无旋场 1.13 只有直矢量线的矢量场一定是无旋场，这种说法对吗？为什么？ 不对。电力线可弯，但无旋。 1.14 无旋场与无散场的区别是什么？ 无旋场F的旋度处处为0，即，它是有散度源所产生的，它总可以表示矢量场的梯度，即 =0
电磁场与电磁波（第四版）谢处方 第五章习题解答 5.1 真空中直线长电流I 的磁场中有一等边三角形回路，如题5.1图所示，求三角形回路内的磁通。 解 根据安培环路定理，得到长直导线的电流I 产生的磁场 02I r φ μπ=B e 穿过三角形回路面积的磁通为 d S ψ==?B S 0 00 2[d ]d d 2d d z d d I I z z x x x x μμππ= ? 由题5.1 图可知，()tan 6z x d π=-=，故得到 d d d x d x x ψ-== 0[)]22I b d μπ+ 5.2 通过电流密度为J 的均匀电流的长圆柱导体中有一平行的圆柱形空腔，如题5.2图所 示。计算各部分的磁感应强度B ，并证明腔内的磁场是均匀的。 解 将空腔中视为同时存在J 和J -的两种电流密度，这样可将原来的电流分布分解为两个均匀的电流分布：一个电流密度为J 、均匀分布在半径为b 的圆柱内，另一个电流密度为J -、均匀分布在半径为a 的圆柱内。由安培环路定律，分别求出两个均匀分布电流的磁场，然后进行叠加即可得到圆柱内外的磁场。 由安培环路定律 d C I μ?=?B l ，可得到电流密度为J 、均匀分布在半径为b 的圆柱内的电 I 题 5.1 图 题5.2图
流产生的磁场为 0 2 0222 b b b b b b r b b r b r J r B J r μμ???? 电流密度为J -、均匀分布在半径为a 的圆柱内的电流产生的磁场为 2 0222a a a a a a r a a r a r J r B J r μμ?-??? 这里a r 和b r 分别是点a o 和b o 到场点P 的位置矢量。 将a B 和b B 叠加，可得到空间各区域的磁场为 圆柱外：22 222b a b a b a r r B J r r μ??=?- ??? ()b r b > 圆柱内的空腔外：2 022b a a a r B J r r μ??=?- ?? ? (,)b a r b r a <> 空腔内： ()0022 b a B J r r J d μμ=?-=? ()a r a < 式中d 是点和b o 到点a o 的位置矢量。由此可见，空腔内的磁场是均匀的。 5.3 下面的矢量函数中哪些可能是磁场？如果是，求其源变量J 。 (1) 0,r ar H e B H μ== （圆柱坐标） (2) 0(),x y ay ax H e e B H μ=-+= (3) 0,x y ax ay H e e B H μ=-= (4) 0,ar H e B H φμ==（球坐标系） 解 根据恒定磁场的基本性质，满足0B ??=的矢量函数才可能是磁场的场矢量，否则，不是磁场的场矢量。若是磁场的场矢量，则可由J H =??求出源分布。 （1）在圆柱坐标中 211()()20r rB ar a r r r r B ????===≠?? 该矢量不是磁场的场矢量。 （2） ()()0ay ax x y B ?? ??= -+=?? 该矢量是磁场的矢量，其源分布为 20 x y z z a x y z a y a x e e e J H e ???=??==???- （3） ()()0ax ay x y B ?? ??=+-=??
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
《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 ） 781π 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
电磁场与电磁波论文 院系：电子信息学院 班级：电气11003班 学号：201005792 序号：33 姓名：张友强
电磁场与电磁波的应用 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、电磁生物体、生物磁场、磁疗保健 电磁场与电磁波简介： 电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可说是一体两面，电流会产生磁场，变动的磁场则会产生电流。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般，因此被称为电磁波，也常称为电波。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。如果没有发现电磁波，现在的社会生活将是无法想象的。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。。生物电磁学与工程电磁场与微波技术的不同主要体现在：1、后者的作用对象是具有个体差异的生命物质；2、后者的作用对象是根据人为需要而选取并加工的电磁媒质或单元而前者的作用要让测量系统服从于作用对象。生物电磁学的研究内容主要设计五个方面：1、电磁场（波）的生物学效应，研究在电磁场（波）作用下生物系统产生了什么；2、生物学效应机理，研究在电磁场（波）作用下为什么会产生什么；3、生物电磁剂量学，研究在什么条件下会产生什么；4、生物组织的电磁特性，研究在电磁场（波）作用下产生什么的生物学本质；5、生物学效应的作用，研究产生的效应做什么和如何做。 正文： （一）在生产、生活上的应用 静电场的最常见的一个应用就是带电粒子的偏转，这样象控制电子或是质子的轨迹。很多装置，例如阴极射线示波器，回旋加速器，喷墨打印机以及速度选择器等都是基于这一原理的。阴极射线示波器中电子束的电量是恒定的，而喷墨打印机中微粒子的电量却随着打印的字符而变化。在所有的例子中带电粒子偏转都是通过两个平行板之间的电位差来实的。 1.磁悬浮列车 列车头部的电磁体N极被安装在靠前一点的轨道上的电磁体S极所吸引，同时又被
. '. 《电磁场与电磁波》测验试卷﹙一﹚ 一、 填空题（每题8分，共40分） 1、在国际单位制中，电场强度的单位是________；电通量密度的单位是___________；磁场强度的单位是____________；磁感应强度的单位 是___________；真空中介电常数的单位是____________。 2、静电场 →E 和电位Ψ的关系是→E ＝_____________。→ E 的方向是从电位_______处指向电位______处。 3、位移电流与传导电流不同，它与电荷___________无关。只要电场随__________变化，就会有位移电流；而且频率越高，位移电流密度___________。位移电流存在于____________和一切___________中。 4、在两种媒质分界面的两侧，电场→ E 的切向分量E 1t －E 2t ＝________；而磁场 → B 的法向分量B 1n －B 2n ＝_________；电流密度→ J 的法向分 量J 1n －J 2n =___________。 5、沿Z 轴传播的平面电磁波的复数表示式为：_____________________=→ E , ____________________=→ H 。 二、计算题（题，共60分） 1、（15分）在真空中，有一均 匀带电的长度为L 的细杆， 其电荷线密度为τ。 求在其横坐标延长线上距 杆端为d 的一点P 处的电 场强度E P 。 2、（10分）已知某同轴电容器的内导体半径为a ，外导体的内半径为c ， 在a ﹤r ﹤b (b ﹤c)部分填充电容率为ε的电介质，求其单位长度上的电容。 3、（10分）一根长直螺线管，其长度L ＝1.0米，截面积S ＝10厘米2，匝数N 1＝1000匝。在其中段密绕一个匝数N 2＝20匝的短线圈，请计算这两个线圈的互感M 。 4、（10分）某回路由两个半径分别为R 和r 的 半圆形导体与两段直导体组成，其中通有电流I 。 求中心点O 处的磁感应强度→ B 。 5、电场强度为)2106(7.378 Z t COS E Y a ππ+?=→ → 伏／米的电磁波在自由空间传播。问：该波是不是均匀平面波？并请说明 其传播方向。 求：（1）波阻抗； （2）相位常数； （3）波长； （4）相速； （5） → H 的大小和方向； （6）坡印廷矢量。 《电磁场与电磁波》测验试卷﹙二﹚ （一）、问答题（共50分） 1、（10分）请写出时变电磁场麦克斯韦方程组的积分形式和微分形式，并写出其辅助方程。 2、（10分）在两种媒质的交界面上，当自由电荷面密度为ρs 、面电流密度为J s 时，请写出→ →→→H B D ,,,E 的边界条件的矢量表达式。 3、（10分）什么叫TEM 波，TE 波，TM 波，TE 10波？ 4、（10分）什么叫辐射电阻？偶极子天线的辐射电阻与哪些因素有关？ 5、什么是滞后位？请简述其意义。 （二）、计算题（共60分） 1、（10分）在真空里，电偶极子电场中的任意点M （r 、θ、φ）的电位为2 cos 41r P θ πε= Φ （式中，P 为电偶极矩，l q P =） ， 而 → →→?Φ?+?Φ?+?Φ?=Φ000sin 11φφ θθθr r r r 。 试求M 点的电场强度 → E 。 2、（15分）半径为R 的无限长圆柱体均匀带电，电荷 体密度为ρ。请以其轴线为参考电位点， 求该圆柱体内外电位的分布。 3、（10分）一个位于Z 轴上的直线电流I ＝3安培，在其旁 边放置一个矩形导线框，a ＝5米，b ＝8米，h ＝5米。 最初，导线框截面的法线与I 垂直（如图），然后将该 截面旋转900，保持a 、b 不变，让其法线与I 平行。 求：①两种情况下，载流导线与矩形线框的互感系数M 。 ②设线框中有I ′＝4安培的电流，求两者间的互感磁能。 4、（10分）P 为介质（2）中离介质边界极近的一点。 已知电介质外的真空中电场强度为→ 1E ，其方向与 电介质分界面的夹角为θ。在电介质界面无自由电 荷存在。求：①P 点电场强度 → 2E 的大小和方向； ５、（１５分）在半径为Ｒ、电荷体密度为ρ的球形 均匀带电体内部有一个不带电的球形空腔，其半径为ｒ， 两球心的距离为ａ（ｒ<ａ<Ｒ）。介电常数都按ε０计算。 求空腔内的电场强度Ｅ。 《电磁场与电磁波》测验试卷﹙三﹚ 二、 填空题（每题8分，共40分） R O r a x
《电磁场与电磁波》答案(4) 一、判断题（每题2分，共20分） 说明：请在题右侧的括号中作出标记，正确打√，错误打× 1.在静电场中介质的极化强度完全是由外场的强度决定的。 2.电介质在静电场中发生极化后，在介质的表面必定会出现束缚电荷。 3.两列频率和传播方向相同、振动方向彼此垂直的直线极化波，合成后 的波也必为直线极化波。 4.在所有各向同性的电介质中，静电场的电位满足泊松方程2ρ?ε?=-。 5.在静电场中导体内电场强度总是为零，而在恒定电场中一般导体内的电场强度不为零，只有理想导体内的电场强度为零。 6.理想媒质和损耗媒质中的均匀平面波都是TEM 波。 7.对于静电场问题，保持场域内电荷分布不变而任意改变场域外的电荷分布，不会导致场域内的电场的改变。 8.位移电流是一种假设，因此它不能象真实电流一样产生磁效应。 9.静电场中所有导体都是等位体，恒定电场中一般导体不是等位体。 10.在恒定磁场中，磁介质的磁化强度总是与磁场强度方向一致。 二、选择题（每题2分，共20分） （请将你选择的标号填入题后的括号中） 1. 判断下列矢量哪一个可能是静电场（ A ）。 A ．369x y z E xe ye ze =++ B ．369x y z E ye ze ze =++ C ．369x y z E ze xe ye =++ D ．369x y z E xye yze zxe =++ 2. 磁感应强度为(32)x y z B axe y z e ze =+-+ , 试确定常数a 的值。（ B ） A ．0 B ．-4 C ．-2 D ．-5 [ ×]1 [ √]2 [ ×]3 [ ×]4 [ √]5 [ √]6 [ ×]7 [ ×]8 [ √]9 [ ×]10
2.1点电荷的严格定义是什么？ 点电荷是电荷分布的一种极限情况，可将它看做一个体积很小而电荷密度很的带电小球的极限。当带电体的尺寸远小于观察点至带电体的距离时，带电体的形状及其在的电荷分布已无关紧要。就可将带电体所带电荷看成集中在带电体的中心上。即将带电体抽离为一个几何点模型，称为点电荷。 2.2 研究宏观电磁场时，常用到哪几种电荷的分布模型？有哪几种电流分布模型？他们是如何定义的？ 常用的电荷分布模型有体电荷、面电荷、线电荷和点电荷；常用的电流分布模型有体电流模型、面电流模型和线电流模型，他们是根据电荷和电流的密度分布来定义的。 2,3点电荷的电场强度随距离变化的规律是什么？电偶极子的电场强度又如何呢？ 点电荷的电场强度与距离r 的平方成反比；电偶极子的电场强度与距离r 的立方成反比。 2.4简述 和 所表征的静电场特性 表明空间任意一点电场强度的散度与该处的电荷密度有关，静电荷是静电场的通量源。 表明静电场是无旋场。 2.5 表述高斯定律，并说明在什么条件下可应用高斯定律求解给定电荷分布的电场强度。 高斯定律：通过一个任意闭合曲面的电通量等于该面所包围的所有电量的代数和除以 与闭合面外的电荷无关，即 在电场（电荷）分布具有某些对称性时，可应用高斯定律求解给定电荷分布的电场强度。 2.6简述 和 所表征的静电场特性。 表明穿过任意闭合面的磁感应强度的通量等于0，磁力线是无关尾的闭合线， 表明恒定磁场是有旋场，恒定电流是产生恒定磁场的漩涡源 2.7表述安培环路定理，并说明在什么条件下可用该定律求解给定的电流分布的磁感应强度。 安培环路定理：磁感应强度沿任何闭合回路的线积分等于穿过这个环路所有电流的代数和 倍，即 如果电路分布存在某种对称性，则可用该定理求解给定电流分布的磁感应强度。 2.8简述电场与电介质相互作用后发生的现象。 在电场的作用下出现电介质的极化现象，而极化电荷又产生附加电场 2.9极化强度的如何定义的？极化电荷密度与极化强度又什么关系？ 单位体积的点偶极矩的矢量和称为极化强度，P 与极化电荷密度的关系为 极化强度P 与极化电荷面的密度 2.10电位移矢量是如何定义的？在国际单位制中它的单位是什么 电位移矢量定义为 其单位是库伦/平方米 （C/m 2 ） 2.11 简述磁场与磁介质相互作用的物理现象？ ερ/=??E 0=??E ερ/=??E 0= ??E ??=?V S dV S d E ρε01 0=??B J B 0μ=??0 =??B J B 0μ=??0 μI l d B C 0μ?= ? P ??=-p ρn sp e ?=P ρE P E D εε=+=0
电磁场与电磁波 2013期末复习题 一．填空题 1．已知矢量2z 2y 2x z e xy e x e A ，则A = z xy x 222 ， A = 2 y z 。 2．矢量B A 、垂直的条件为 0 B A 。 3．理想介质的电导率为 0 ，理想导体的电导率为 ，欧姆定理的微分形式为 E J 。 4．静电场中电场强度E 和电位φ的关系为 E ，此关系的理论 依据为 0 E ；若已知电位22z 3x y 2 ，在点（1,1,1）处电 场强度 E 642z y x 。 5．恒定磁场中磁感应强度B 和矢量磁位A 的关系为 A B ；此关系的理论依据为 0 B 。 6．通过求解电位微分方程可获知静电场的分布特性。静电场电位泊松方程为 /2 ，电位拉普拉斯方程为 02 。 7．若电磁场两种媒质分界面上无自由电荷与表面电流，其D E 、边界条件为： _ 021 n _和 021 n ；H B 、边界条件为： 021 n 和 02 1 H H e n 。 8．空气与介质)4(2r 的分界面为z=0的平面，已知空气中的电场强度为 4e 2e e E z y x 1 ,则介质中的电场强度 2E z y x e e e 2 。 9. 有一磁导率为 μ 半径为a 的无限长导磁圆柱，其轴线处有无限长的线电流 I ，柱外是空气（μ0 ），则柱半径为1 处磁感应强度1B = 12 I e ；柱外半径 为2 处磁感应强度2B = 2 02 I 。 10．已知恒定磁场磁感应强度为z 4e my e x e B z y x ,则常数m= 5 。
11．半径为a 的孤立导体球，在空气中的电容为C 0= a 04 ；若其置于空气与介质（ε1 ）之间，球心位于分界面上，其等效电容为C 1= a )(210 。 12．已知导体材料磁导率为μ，以该材料制成的长直导线单位长度的自感为 8 。 13．空间有两个载流线圈，相互 平行 放置时，互感最大；相互 垂直 放置时，互感最小。 14．两夹角为n (n 为整数)的导体平面间有一个点电荷q ，则其镜像电荷个 数为 （2n-1） 。 15．空间电场强度和电位移分别为D E 、，则电场能量密度w e = 21 。 16．空气中的电场强度)2cos(20kz t e E x ，则空间位移电流密度D J = )/()2sin(4020m A kz t x 。 17．在无源区，电场强度E 的波动方程为 0222 t E 或 022 E E 。 18．频率为300MHz 的均匀平面波在空气中传播，其波阻抗为 ）（ 120 ，波的传播速度为 )/(1038s m ，波长为 )(1m ，相位常数为 )/(2m rad ；当其进入对于理想介质(εr = 4，μ≈μ0)，在该介质中的波阻 抗为 ）（ 60 ，传播速度为 )/(105.18s m ，波长为 )(5.0m ，相位常数为 )/(m rad 。 19．已知平面波电场为z j y x i e e j e (E E )0 ，其极化方式为 右旋圆极化 。 20．已知空气中平面波 ) 86(,z x j m e E z x E y ，则该平面波波矢量 k
电磁场与电磁波（第四版）谢处方 课后答案 第一章习题解答 1.1 给定三个矢量A 、B 和C 如下： 23x y z =+-A e e e 4y z =-+B e e 52x z =-C e e 求：（1）A a ；（2）-A B ；（3）A B g ；（4）AB θ；（5）A 在B 上的分量；（6）?A C ； （7）()?A B C g 和()?A B C g ； （8）()??A B C 和()??A B C 。 解 （1 ）23A x y z +-= ==+e e e A a e e e A （2）-=A B (23)(4)x y z y z +---+=e e e e e 64x y z +-=e e e （3）=A B g (23)x y z +-e e e (4)y z -+=e e g －11 （4）由 cos AB θ = ==A B A B g ，得 1cos AB θ- =(135.5=o （5）A 在B 上的分量 B A =A cos AB θ ==A B B g （6）?=A C 1235 02 x y z -=-e e e 41310x y z ---e e e （7）由于?=B C 041502 x y z -=-e e e 8520x y z ++e e e ?=A B 123041 x y z -=-e e e 1014x y z ---e e e 所以 ()?=A B C g (23)x y z +-e e e g (8520)42x y z ++=-e e e ()?=A B C g (1014)x y z ---e e e g (52)42x z -=-e e （8）()??=A B C 1014502 x y z ---=-e e e 2405x y z -+e e e ()??=A B C 1 238 5 20 x y z -=e e e 554411x y z --e e e 1.2 三角形的三个顶点为1(0,1,2)P -、2(4,1,3)P -和3(6,2,5)P 。 （1）判断123 PP P ?是否为一直角三角形； （2）求三角形的面积。 解 （1）三个顶点1(0,1,2) P -、2(4,1,3)P -和3(6,2,5)P 的位置矢量分别为 12y z =-r e e ，243x y z =+-r e e e ，3625x y z =++r e e e
五章习题解答 5.1 真空中直线长电流I 的磁场中有一等边三角形回路，如题5.1图所示，求三角形回路内的磁通。 解 根据安培环路定理，得到长直导线的电流I 产生的磁场 02I r φ μπ=B e 穿过三角形回路面积的磁通为 d S ψ==?B S g 0002 [d ]d d 2d d z d d I I z z x x x x μμπ π =? 由题5.1 图可知，()tan 6 z x d π =-= ，故得到 d d d x d x x ψ-== 0[2I b μπ 5.2 通过电流密度为J 的均匀电流的长圆柱导体中有一平行的圆柱形空腔，如题5.2图所 示。计算各部分的磁感应强度B ，并证明腔内的磁场是均匀的。 解 将空腔中视为同时存在J 和J -的两种电流密度，这样可将原来的电流分布分解为两个均匀的电流分布：一个电流密度为J 、均匀分布在半径为b 的圆柱内，另一个电流密度为J -、均匀分布在半径为a 的圆柱内。由安培环路定律，分别求出两个均匀分布电流的磁场，然后进行叠加即可得到圆柱内外的磁场。 由安培环路定律 d C I μ?=?B l ?，可得到电流密度为J 、均匀分布在半径为b 的圆柱内的电 流产生的磁场为 0 2 0222 b b b b b b r b b r b r J r B J r μμ???? 电流密度为J -、均匀分布在半径为a 的圆柱内的电流产生的磁场为 0 2 0222 a a a a a a r a a r a r J r B J r μμ?-??? 这里a r 和 b r 分别是点a o 和b o 到场点P 的位置矢量。 将a B 和b B 叠加，可得到空间各区域的磁场为 圆柱外：220 222b a b a b a r r B J r r μ?? =?- ??? ()b r b > 圆柱内的空腔外：2 022b a a a r B J r r μ??=?- ?? ? (,)b a r b r a <> 空腔内： ()0022 b a B J r r J d μμ=?-=? ()a r a < I 题 5.1 图 题5.2图
电磁场与电磁波易考简答题归纳（四川理工大学） 1、什么是均匀平面电磁波？ 答：平面波是指波阵面为平面的电磁波。均匀平面波是指波的电场→E 和磁场→H 只沿波的传播方向变化，而在波阵面内→E 和→ H 的方向、振幅和相位不变的平面波。 2、电磁波有哪三种极化情况？简述其区别。 答：（1）直线极化，同相位或相差 180；2）圆极化，同频率，同振幅，相位相差 90或 270；（3）椭圆极化，振幅相位任意。 3、试写出正弦电磁场的亥姆霍兹方程（即亥姆霍兹波动方程的复数形式），并说明意义。 答：0 02222=+?=+?→→→ →H k H E k E ，式中μεω22=k 称为正弦电磁波的波数。 意义：均匀平面电磁波在无界理想介质中传播时，电场和磁场的振幅不变，它们在时间上同相，在空间上互相垂直，并且电场、磁场、波的传播方向三者满足右手螺旋关系。电场和磁场的分量由媒质决定。 4、写出时变电磁场中麦克斯韦方程组的非限定微分形式，并简述其意义。 答：???????????=??=????-=????+=??→→→→→→→ρεμμεE H t H E t E J H )4(0)3()2()1( 物理意义：A 、第一方程：时变电磁场中的安培环路定律。物理意义：磁场是由电流和时变的电场激励的。 B 、第二方程：法拉第电磁感应定律。物理意义：说明了时变的磁场激励电场的这一事实。 C 、第三方程：时变电场的磁通连续性方程。物理意义：说明了磁场是一个旋涡场。 D 、第四方程：高斯定律。物理意义：时变电磁场中的发散电场分量是由电荷激励的。 5、写出麦克斯韦方程组的微分形式或积分形式，并简述其意义。 答：（1）微分形式 （2） 积分形式 物理意义：同第4题。 6、写出达朗贝尔方程，即非齐次波动方程，简述其意义。 答：→→→-=??-?J t A A μμε222，ερμε-=?Φ?-Φ?→ →222t 物理意义：→J 激励→ A ，源ρ激励Φ，时变源激励的时变电磁场在空间中以波动方式传播，是时变源的电场辐射过程。 7、写出齐次波动方程，简述其意义。 答：0222=??-?→→t H H με，0222=??-?→→ t E E με 物理意义：时变电磁场在无源空间中是以波动方式运动，故称时变电磁场为电磁波，且电磁波的传播速度为：με υ1=p 8、简述坡印廷定理，写出其数学表达式及其物理意义。 答：（1）数学表达式：①积分形式：???++??=?-→→τττστεμd E d E H t S d S S 222)2 121(，其中，→→→?=H E S ，称为坡印廷矢量。 ???????????=??=????-=????+=??→→→→→→→ρD B t B E t D J H )4(0)3()2()1( ????? ??????=?=????-=????+=???????→→→→→→→→→→→→→q S d D l d B S d t B l d E S d t D J l d H S S S l s l )4(0)3()2()()1(
电磁场与电磁波各领域内的应用综述 字体: 小中大| 打印发表于: 2007-3-23 10:12 作者: 我的妮子来源: 微波技术网 静电场的最常见的一个应用就是带电粒子的偏转，这样象控制电子或是质子的轨迹。很多装置，例如阴极射线示波器，回旋加速器，喷墨打印机以及速度选择器等都是基于这一原理的。阴极射线示波器中电子束的电量是恒定的，而喷墨打印机中微粒子的电量却随着打印的字符而变化。在所有的例子中带电粒子的偏转都是通过两个平行板之间的电位差来实现的（如右图所示）。 阴极射线示波器 右图说明了阴极射线示波器（cathod - ray oscilloscope）的基本特征。管体由玻璃制成，并被抽成高度真空。阴极被灯丝加热后发射电子。阳极与阴极间有几百伏的电压差，电子朝向阳极加速。阳极上有一个小孔允许极细的一束电子通过。这些被加速的电子将进入偏转区，在那里它们产生水平和垂直两个方向上的偏转。 最后，这些电子轰击一个由能发射可见光的物质（磷）所覆盖的荧光屏的内表面。如果阳极和阴极间的电压差保持恒定，电子的偏转量与垂直偏转板间的电位差成正比。水平偏转板间的电位差，可以使电子在y方向上运动。 因此，电子束撞击荧光屏的点的位置依赖于水平和垂直偏转电压。 演示图参见此帖 https://www.doczj.com/doc/ea5404986.html,/zskj/5019 ... cation/html/1_1.htm 我也来说两句查看全部回复 最新回复 我的妮子(2007-3-23 10:13:30) 喷墨打印机 一种基于静电场偏转原理，可以提高打印速度，改善打印质量的新型打印技术已开发出来。这种打印机称为喷墨打印机。在喷墨打印机内，以超声频率振动的喷嘴按一定间距喷出非常细且大小一致的墨滴，如右图所示。这些墨滴在经过带电板间时，按照与要打印的字符成正比的方式获得电荷，由于两垂直偏板间电位差一定，墨滴垂直方向位移与所带电荷量成正比。若不使墨滴带电荷，则得到字符间的空白（此时墨滴