电磁场中的矩量法
第8章电磁场中的矩量法
8.1矩量法的基本原理
8.1.1矩量法是一种函数空间中的近似方法
<8.1.1)
(S. L2)
(8.1,3)
(8. L4)
<8. L5)
图8.1函数空间上的原函数、近似函数与误差函数
N
F =另8艮
■ —1
=CEJA
8.1.2矩量法是一种变分法
(8.1.6)
(8.1. 7)
(8, 1, 8)
(8.1.9)
(8.1. 10)
<^ig> =—￡L/他Q =（贬丄=
另住显询丄几〉* i = 1②…侮 封 H
(8.1.11) 5、扎》=〈￡ ,17 (另氐仞丹=刀爲 <化丄恤e 〉、t = lt2T --* r n (8, 1, 12)
8.1.3子域基函数
1. 狄拉克函数(Dirac delta function )
2. 脉冲函数(pulse )或分段常数(piecewise constant )
图8.2狄拉克函数 ,
P(Xj, J|t y 2)
图8.3脉冲函数
3. 子域三角函数(subsectional triangle function
)
￡| 氐 Xj
p{f}= BoGr ）=肮工一工』
Xi <2 x I 其余 (8. L 13) (8. 1. 14) 图8.4三角函数子域 4. 二次折线(quadratic spline )函数 f 9丄3丄分 忑+豆+莎* 3 x B W 9 3 ■ J 3 T Zd 十莎1 0? 5. 拉格朗日插值多项式( Lagrangian interpolation polynomials 图8.6拉格朗日插值多项式函数 B 2(X ) = t jc z ，工』=t B 3(X ) =qix f (8.1.16) ）函数 6. 厄密多项式函数 7. 其他展开函数 r—矗工1) sin(^j：3—kjCi) S(x> = J sin(^j：3—kjc~) sint^^g —kx2) (8.1.22) 8.1.4截断误差和数值色散 1. 截断误差 2. 数值色散 器十K它二工）=0 2E. —Ejp-i —E.+i —护捏(百Em 卜W E R_I+ zEg_i \ = 0 - \ 3 “5■& / 萨叱曲—丄口-屮―如） e，严（1 + （塑冲/訂 H单元尺寸引起的戴値華果的溟蚤(8.1.23) (8.1.24) (8. 1.25) 8.2典型的矩量法问题8.2.1积分方程形式 x —x \? 旦V 工V 由 x -? 0 円評“工）1 -j —In x2 1 —— 4 和=yj 1\,(左)￡| 尤一盘"])djr'tkc )T{9(旬+赤-却叫旬F}+心〉 F{ A(x) J = X J —E F^{A(K f)} = AM =君「A(KJ^dK# Z TT J— * B(x) = f — j J)dx^ J —Ml ? F^l{A(x)*fi(x)} = ACK.) - B(KJ B n T…(x) = TX JE —J?J J G = ^T(x) * [班刃# H評@ | x F(x) = (冷十"J 評 4 I x —x\)dx\ a 1-=佇倦+ F)TS *叫*叽|讪}丄(8.2. 1> (fi.2. 2) (8.2. 3) (8.2,4) <8.2.5) <8,2.6) (& 2f 7) <8.2.8) (&2+9> (8.2.10) C8. 2. m 822圆柱体散射的积分求解 ^0）=決沪?（亠只在圆柱上成立 科 J t （f ）心另人九⑷F j\为展开系数 1 N r 1 障切切刀#丹評（航}d/ ■ -1丿加哽1 (8.2.12) (8. 2. 13) <8. ￡ 14) 1 4 <8.2.15) <8.2.16) H 評(g(l —斗)—j{j(旬 + In (8. 2- 17) 2 it 2rt 1 - j -In , -2 du — w_ — [ — 叫瞥） T]} (& 2, 19) 823误差分析 1. 建模误差 2. 数字化误差（discretization errors ） 3. 近似误差 4. 数值计算误差 ll/r-J?" II = 严一J严 | 独（8.2.22） 基函数级栓验函数级甜分段时的误差甜分段时的误差 0 34*911,3 1 35.011.3 1235.611.3 335.811.3 435. Q11.3 536.211.3 0「11+7 一(X 89 1 1L70b 89 2211.80.89 311.90.89 411, 90b 89 0 E 550. 10 3 1 & 51 0. 10 2 S.530. 10 3 6. 550. 10 8.2.4本征值问题的矩量法 (8, 2+24) <8. 2.25) N N 2〈丁e丄鼠匕=人另《九,及冶,m = li2P— ■ ■1算?1 Le = ASe S~'L^ =le (E. 2.26) (8-2.27) (fi.2.28) 825伽略金法的收敛性 = as > 0 (dr by 2 = 3 取 LiA 〉 -f)> = 0 <兔，严—Th = 0 (8,2.29> (& 2.30) 個 2. 31) (8. 2.32) (B. 2.33) 8.3静电场的矩量法 8.3.1静电场中的算子方程 —总￥卿=严有限边界 『0-常数.r-s S = p, L _1L^ = Lp L=-E V 1, 0 = 17》 ?(工，了，“ — j]J L_1 制盏ww L =-V * UV ) S.0〉= T r) dxdjjds 少曾 4jrejR (&M 1) (8.3. 2) (8,3. 3> (8,3. 4) (&3. 5> (8.3. 6) (8.3. 7) (8.3. 8) ds /.V .姑 / /-*r *厂 ~7?/ / / / 丄 / i / / / / L- L ——1 Z -------- /— ■— ■—&~~ — 图8.8带电平板切分为矩形单元 (8.： (氐3. 8.3.2 带电平板的电容 ■* 4开衆 [jQ' (7?』〉SM 斗為几/?={ N V Q = 宀.m = …， N n-1 a 3 Fj/ldj/di/ 在2上 苴余 It 0, _______ ___________ ,_ Ay dx f h*』略4磁p(孔—无丁 H- (y^ — y y 1 N c = — =艺心△民 V D i=l an ” 仁=「r , w f J _i 4 ire sj (x m — x}2 -\- (.y m — yY " -- : ,心 Sts -------------- ” ” ne J (九一 h ?严+伉一风尸 ' ----------- dytU = —ln(l+72) = — (0.8814) J 4nc 7x 3 +y KS Ke 4 =進质 E i & 4s_ "、4=E R 士 10) <8. 3. 11) <8.3.12> h = y ^0.282 质 + (8. 3.23) 833导体系问题 rV] T 在民上 ,K a 一眄'在民上 +护跃临血=* 严科，在：上 rb P e AS , (0，户毎 N 矶〔乳閔)=S ai/n B= 1图8.9角形区域细长时所采用的近似方法 十 -------- 林工」丿 ------------ 旳应 J 」?4寸灰匸丙〒E 三万7 (8.3.24) (8.乱 25) (8.3.26) (8.3. 27) (8.3. 28) V L =「「—— U 4TT ￡ JCr —工9 + ? — ,43； * **' 皿；? *** ptfN 皿： LQW =［飯］ ⑴叮1 2 =______________ 护 蚯駅叶_您』（几二忑护+ （%—几尸 ________________ 巴________________ jt￡J a*—召）’ +（了亓一旳），+ 用 s ggg e } 2礙 ￡■ (2b) <8. 3,29) <8. 3.30) (8. ￡31) <8, 3, 32) <8. 3,33) c = a&*S (严-严 >- mA 8.4微带天线的矩量法 平面波人 射 捲地 板 图8.10平面电磁波入射微带天线 心I I (止一去‘)]+ jA a min [盘 i (注一左“)] ki cos k i / + j“ u sin kid 8.4.1理论分析 = — V X E (応，*)= 晋憑)+ ￥(章*心{工心注打] V l A 1 (■!<>??￡)+ K 2A 1 Gy* =—)/iJs (x\y t z*) *介质中 VA 11 (工」以)+ KlA^ = X 空气中 A L/Q = |T J s {x ,y (x,y t z I x t y r t z f ) (3,4.1) <8,4. 2) (8M.3) (8M.4) - {热—ljsiti k i z -\ 「 (8.4. COS k I Z 1 11) k i cos k i cf 十 j 花口 sin i 2」_e k i cos i i ￡? + i sin k i d <0. 4. 12) TEi k i cos^tsf + j&D sin kid — 0 TMi 盘口 ccs 总皿 + j 站 sin k^d — 0 2 j etin fa/ ^/e^cGskd + jsirufct/ +「一为￡ +肉◎瞥 |訂丿；，札）卜兰尹咛弘±脏丫 （B. 4. 16> ■ M f | =层耘匸匚｛严-阮L +闵< |?仇2 L * , 龙 U -1 L + -k r k y G l +j^,— < 打（瓦，爲）?兰严心血*矗， CE.4.17> *=0Z J 微带馈线 1 天线貼片 / 1 \ / / 1科 图8.11微带天线贴片处的切向场边界条件 8.4.2矩形微带天线 C8.4. 19) <8.4. 20) (E.+. 14) (& 4. 15) (8T 4,⑻ (K 1 -K^G 1 F* ―回ju 1 _(2K )2K 3 拧)亡-吟 cLr" dy f 0 =I U * J — J J s?硏击-歸缶=0 「l| Ef* (匕*妇’*)0* (—矗"一￡)di^cUy J —no J — fuc '4Q- Er )* J* (—k r t ~ =艺lAO’y〉 a-1 <30 U R+ 另不仏=0* TH = l,2t— JI" 1 /*CKS J*CTO v. = I J f ￡X J ― J— J—-ooj —c (kx iky , )d "(—虹，—為〉dky E； (k r1k y1z)^： (- k^-k,)dk^, g N 気=—2X叭十jx. (8.4-21) (8. 4. 22) <8. 4.23) <8. 4. 24) (乱 4.25〉(8. 4. 26) (8. 4. 27) (8. 4. 28) /悶I 图8.12矩形微带天线切分为单元 843微带天线与传输线的连接 同轴说线-直^=0,127cm I. .2 GHz 图8.13微带天线与传输线的连接举例 8.5孔缝耦合问题中的矩量法 8.5.1基本电磁学方程 图 8.14 边界条件 G( p ,p ' )=14jH(2)0(K| p - p' |) 7.6c m 1,2GE[7 7.6cm 0 76CT H 寸 tEin^=0.005 t=2.55 la ii5 =0.002 ； ..0.31 Scm 2.4GH z 4.02cm 8.5.2基本原理 惴、^—、、、￡ ；S吐； \ " 7 盯J一— (c) 图8.16导体平面上的孔缝结构 图8.17电磁波入射区导体平面孔缝的等效原理 原赧的卩一匕&平面区甌來的Pec平面区 爲足原来的孔缝区区II 现=一2 时 图8.15等效原理 只限大导板上的孔墟 2J W|=2￡J X H 源乙数学平面 原来的P.t cT面区原来的P-ex7!7面 区 原.来的孔 璇区 E\H'J 图8.18平面上孔缝区内的等效原理 8.5.3厚金属板上具有共享微波负载的多孔散射的研究 1?问题描述 2.理论分析 H 严（JW1J 十十丑严OWQ 十H 严（M2=—? 在孔I 处 H 严（MJ 十口严匕叽｝十冊％甌J 十0，在孔|］处 H714(M 13) + H 严(M ￡2) =H}f (-M L!)+H f nr {-M ?￡〉‘ 在孔(］处 (& 5⑵ 3.矩量解 =2、 j = l f 2? A = l f 2 <-s (8.5. 3) (&. 6.9} LR j(r?￡u (8. 6.10) (B. 6. U) 8.6.1简介 862线网模型的有关问题 1.麦克斯韦方程 图8.19散射问题结构示意图 2.良导体的亥姆霍兹方程解 (& S, 13> 射 人 (B, 6* 12> V ? J =—jw/3 和* s * Js=—jap s 图8.20等效问题示意图 5.由平面波激励波产生的电流 E = ￡c + E 5 E s =_讪山$ _￥戸 A f W = 验n 伍叫 I - ｛疋 + E 5 —盘⑷〉=0 E iV = ZJ ￡」")一1?￡⑴一jf 仙心K 门十丄省負缶洱期 CUE df 3Z j^jtR 3.边界条件 4.细线近似 (E tl) -E Ci>)X ? = 0 I n X ⑴-》 n . (B tl?-母遡)=0 <8. 6.14) (8.6.15) (8.6. 16) (8.6. 17) 何 6. 18) (8,6.19) CB. 6.20) f& 6.21) y 图8.21分布有电流J 和电荷p 的良导体的坐标 6?伯柯灵顿(Pocklington )积分方程 岸-|- V ( V 1 A) =丄 ^k 2A + ￥ (V * A) 「團⑴广[d 纽门(—务/ + 7.海伦方程 8.基于反应(reaction )技术的方程 -VX E"=讪/JT + AT ] V XH fl =血坷 + J+Jnj 5,防=』(F ?『一护*M )dr (c) 图8.22基于反应技术的互易定理 \E 、H \ 白由哗间 (a) (E-H) 自由空间 自由空间 (8.6.22) (8.6.23) rwz J-i/2 = Ccos^r + Bsirufez — 竿 I Ei sinA (r — K. J 0 (8.6. 24) (8.6.25) (8. 6.26) 第二章 电磁场中的基本物理量和基本实验定律 2.1电磁场的源量——电荷和电流 一、电荷与电荷密度 C e 1910602.1-?+= 1、 自然界中最小的带电粒子包括电子和质子——电子电荷量 191.60210C e -=-?←基本电荷量 一般带电体的电荷量 ,3,2,1±==n ne q 2、电荷的几种分布方式 从微观上看，电荷是以离散的方式出现在空间中，从宏观电磁学的观点上看，大量带电粒子密集出现在某空间范围内时，可假设电荷是以连续的形式分布在这个范围内中。 空间中——体电荷 面上——面电荷 线上——线电荷 体电荷：电荷连续分布在一定体积内形成的电荷体。 体电荷密度)(r ' ρ定义： 在电荷空间V 内，任取体积元V ?，其中电荷量为q ?，则 ?'=?=??='→?v v dv r q dv dq v q lin r )()(0 ρρ 3/m c 面电荷：当电荷存在于一个薄层上时，称其为面电荷。 面电荷密度)(r s ' ρ的定义： 在面电荷上，任取面积元s ?，其中电荷量为q ?，则 ds r q ds dq s q lin r s s s s ?'=?=??='→?)()(0 ρρ 2/m c 线电荷：当电荷只分布于一条细线上时，称其为线电荷。 线电荷密度)(r l ' ρ的定义： 在线电荷上，任取线元l ?，其中电荷量为q ?，则 dl r q dl dq l q lin r s l l l ?'=?=??='→?)()(0 ρρ 点电荷：当电荷体积非常小，q 无限集中在一个几何点上可忽略时，称为点电 荷。 点电荷的)(r δ函数表示：∞→?=→?v q lin v 0ρ，保持总电荷不变， 第2章 电磁场基本方程 2.1 / 2.1-1设空气中有一半径为a 的电子云，其中均匀充满着密度为ρv 的电荷。试求球内 （ra ）任意点处的电通密度D 和电场强度E 及D ??和E ??。 [解] 应用高斯定理,取半径为r 的同心球面为高斯面. dv r r D s d D s v v ? ?= ?=?ρ π2 4? 1) r 1. 如图所示， 有一线密度 的无限大电流薄片置于平面上，周 围媒质为空气。试求场中各点的磁感应强度。 解： 根据安培环路定律, 在面电流两侧作一对称的环路。则 由 2. 已知同轴电缆的内外半径分别为 和 ,其间媒质的磁导率 为，且电缆 长度 ， 忽略端部效应， 求电缆单位长度的外自感。 解： 设电缆带有电流则 3. 在附图所示媒质中，有一载流为的长直导线，导线到媒质分界面的距离为。 试求载流导线单位长度受到 的作用力。 解： 镜像电流 镜像电流在导线处产生的值为 单位长度导线受到的作用力 力的方向使导线远离媒质的交界面。 4. 图示空气中有两根半径均为a ，其轴线间距离为 d 的平行长直圆柱导体，设它们单位长度上所带的电荷 量分别为和 ， 若忽略端部的 边缘效应，试求 (1) 圆柱导体外任意点p 的电场强度的电位的表达式 ； (2) 圆柱导体面上的电荷面密度与值。 解： 以y 轴为电位参考点，则 5. 图示球形电容器的内导体半径 ， 外导体内径 ，其间充有 两种电介质与， 它们的分界面的半径为。 已知与的相对 6. 电常数分别为 。 求此球形电容器的电 容。 解 6. 一平板电容器有两层介质，极板面积为,一层电介质厚度，电导率，相对介电常数，另一层电介质厚度，电导率。相对介电常数，当电容器加有电压 时，求 (1) 电介质中的电流； (2) 两电介质分界面上积累的电荷； (3) 电容器消耗的功率。 解： (1) (2) (3) 7. 有两平行放置的线圈，载有相同方向的电流，请定性画出场中的磁感应强度分布(线)。 解：线上、下对称。 各种计算电磁学方法比较和仿真软件 各种计算电磁学方法比较和仿真软件微波EDA 仿真软件与电磁场的数值算法密切相关，在介绍微波EDA 软件之前先简要的介绍一下微波电磁场理论的数值算法。所有的数值算法都是建立在Maxwell 方程组之上的，了解Maxwell 方程是学习电磁场数值算法的基础。计算电磁学中有众多不同的算法，如时域有限差分法（FDTD ）、时域有限积分法（FITD ）、有限元法（FE）、矩量法（MoM ）、边界元法（BEM ）、谱域法（SM）、传输线法（TLM ）、模式匹配法（MM ）、横向谐振法（TRM ）、线方法（ML ）和解析法等等。在频域，数值算法有：有限元法（ FEM -- Finite Element Method）、矩量法（MoM -- Method of Moments ），差分法（ FDM -- Finite Difference Methods ），边界元法（ BEM --Boundary Element Method ），和传输线法 （ TLM -Transmission-Line-matrix Method ）。在时域，数值算法有：时域有限差分法（ FDTD - Finite Difference Time Domain ），和有限积分法（ FIT - Finite Integration Technology ）。这些方法中有解析法、半解析法和数值方法。数值方法中又分零阶、一阶、二阶和高阶方法。依照解析程度由低到高排列，依次是：时域有限差分法（FDTD ）、传输线法（TLM ）、时域有限积分法（FITD ）、有限元法（FEM ）、矩量法（MoM ）、线方法（ML ）、边界元法（BEM ）、谱域法（SM ）、模式匹配法 第一节磁场基本物理量和铁磁性材料 一、电磁场的基本物理量 为了更好地理解磁场的基本性质，介绍四个常用的基本物理量，即磁感应强度Ｂ、通Φ、磁导率μ、磁场强度Ｈ。 1、磁感应强度Ｂ 磁感应强度Ｂ是反映磁场性质的参数.它的大小反映磁场强弱,它的方向就是磁场的方向. 若在磁场中某一区域，磁力线疏密一致，且方向相同，则称该区域为匀强磁场或均匀磁场.在均匀磁场内，磁感应强度处处相同。场 内某点磁力线的方向即磁感应强度的方向，磁力线的多少就表示磁感应强度的大小。 一载流导体在磁场中受电磁力的作用，如图3-1所示。电磁力的大小就与磁感应强度Ｂ、电流I、垂直于磁场的导体有效长度L成正比。公式为 F＝BILsinα（3一1） 式中,α为磁场与导体的夹角；Ｂ为磁感应强度，单位是特斯拉（T），工程上也曾用高斯（Gs）。两个单位的大小关系是:1 Gs=10-4 T。 若α＝90°，则 F＝BIL （3一2） 电磁力的方向可用左手定则来确定。 2、磁通Φ 磁感应强度B和垂直于磁场方向的某一面积S的乘积称为该截面的磁通Φ。若磁场为匀强磁场，Φ的大小为： Φ= BS (3-3) 磁通Φ的单位为韦伯(Wb), 工程上过去常用麦克斯韦(Mx), 两个单位的大小关系是:1Mx=10-8Wb。 磁力线垂直穿过某一截面, 磁力线根数越多,就表明磁通越大; 磁通越大就表明在一定范围中磁场越强。由于磁力线是首尾闭合的曲线，所以穿入闭合面的磁力线数，必等于穿出闭合面的磁力线数，这就是磁通的连续性。 3、磁导率μ 磁导率μ是用来衡量磁介质磁性性能的物理量。 如图3-2所示一直导体，通电后在导体周围产生磁场,在导体附近一处X点的磁感应强度B与导体中的电流I及X点所处空间几何位置、磁介质μ有关。公式为: （3-4） 由式（3-4）可知磁导率μ越大，在同样的导体电流和几何位置下，磁场越强，磁感应强度B越大，磁介质的导磁性能越好。 不同的介质，磁导率μ也不同，例如真空中的磁导率μ0=4π×10-7H/m,一般磁介质的磁导率μ与真空中磁导率μ0的比值，称为相对磁导率，用表示μr表示，即 （3-5） 磁导率μ的单位为亨/米（H/m）。 根据相对磁导率不同，我们往往把材料分成三大类，第一类μr略小于1，称为逆磁材料，如铜、银等，第二类μr略大于1，如各类气体、非金属材料、铝等，这两类的的相对磁导率μr约等于1，所以常统称为非铁磁性材料；第三类为铁磁性物质，如铁、钴、镍及其合金等，它们的磁导率很高，相对磁导率μr远远大于1，可达几百到上万，所以电气设备如变压器、电机都将绕组套装在用铁磁性材料制成的铁心上。 需要注意的是，铁磁性物质的磁导率μ是个变量，它随磁场的强弱而变化。 4、磁场强度H 磁场强度H也是磁场的一个基本物理量。磁场内某点的磁场强度H等于该点磁感应强度B除以该点的磁导率μ，即 （3-6） 式中，H为磁场强度，单位为安/米（A/m） 由图3-2可知X点的磁场强度H为 电磁学: 电磁学是研究电磁现象的规衛［］应用的物理学分支学科，起源于18世纪。广义的电磁学可以说是包含电学和磁学”但狭义来说是_ 门探讨电性与磁性交互关系的学科。主要硏究电磁波、电磁场以及有关电荷、带电物体的动力学等等。 计算电磁学: 内容简介： 本书在论述计算电磁学的产生背景、现状和发展趋势的基础上, 系统地介绍了电磁仿真中的有限差分法、人工神经网络在电磁建模中的应用，遗传算法在电磁优化中的应用等。 图书目录： 第一童绪论 1.1计算电磁学的产生背景 1.1.1高性能计算技术 1.1.2计算电磁学的重要性 1.1.3计算电磁学的硏究特点 1.2电磁场问题求解方法分类 1.2.1解析法 1.2.2数值法 1.2.3半解析数值法 13当前计算电磁学中的几种重要方法 13.1有限元法 1.3.2时域有限差分法 1.3.3矩量法 1.4电磁场工程专家系统 1.4.1复杂系统的电磁特性仿真 1.4.2面向CAD的复杂系统电磁特性建模1.4.3电磁场工程专家系统 第一篇电磁仿真中的有限差分法 第二童有限差分法 2.1差分运算的基本概念 2.2二维电磁场泊松方程的差分格式 2.2.1差分格式的建立 2.2.2不同介质分界面上边界条件的离散方法2.2.3第一类边界条件的处理 2.2.4第二类和第三类边界条件的处理 2.3差分方程组的求解 2.3.1差分方程组的特性 2.3.2差分方程组的解法 2.4工程应用举例 2.5标量时域有限差分法 2.5.1瞬态场标量波动方程 2.5.2稳定性分析 2.5.3网格色散误差 2.5.4举例 第三童时域有限差分法I——差分格式及解的稳定性3.1FDTD基本原理 3.1.1Yee的差分算法 3.1.2环路积分解释 3.2解的稳定性及数值色散 3.2.1解的稳定条件 3.2.2数值色散 3.3非均匀网格及共形网格 3.3.1渐变非均匀网格 3.3.2局部细网格 3.3.3共形网格 3.4三角形网格及平面型广义Yee网格 3.4.1三角形网格离散化 3.4.2数值解的稳定性 3.4.3平面型广义Yee网格 3.5半解析数值模型 3.5.1细导线问题 3.5.2增强细槽缝公式 3.5.3小孔耦合问题 3.5.4薄层介质问题 3.6良导体中的差分格式 《电磁场与电磁波》试卷1 一. 填空题（每空2分,共40分） 1．矢量场的环流量有两种特性：一是环流量为0，表明这个矢量场 无漩涡流动 。另一个是环流量不为0，表明矢量场的 流体沿着闭合回做漩涡流动 。 2．带电导体内静电场值为 0 ，从电位的角度来说，导体是一个 等电位体 ，电荷分布在导体的 表面 。 3．分离变量法是一种重要的求解微分方程的方法，这种方法要求待求的偏微分方程的解可以表示为 3个 函数的乘积，而且每个函数仅是 一个 坐标的函数，这样可以把偏微分方程化为 常微分方程 来求解。 4．求解边值问题时的边界条件分为3类，第一类为 整个边界上的电位函数为已知 ，这种条件成为狄利克莱条件。第二类为已知 整个边界上的电位法向导数 ，成为诺伊曼条件。第三类条件为 部分边界上的电位为已知，另一部分边界上电位法向导数已知 ，称为混合边界条件。在每种边界条件下，方程的解是 唯一的 。 5．无界的介质空间中场的基本变量B 和H 是 连续可导的 ，当遇到不同介质的分 界面时，B 和H 经过分解面时要发生 突变 ，用公式表示就是 12()0n B B ?-=，12()s n H H J ?-=。 6．亥姆霍兹定理可以对Maxwell 方程做一个简单的解释：矢量场的 旋度 ，和 散度 都表示矢量场的源，Maxwell 方程表明了 电磁场 和它们的 源 之间的关系。 二．简述和计算题（60分） 1．简述均匀导波系统上传播的电磁波的模式。（10分） 答：（1）在电磁波传播方向上没有电场和磁场分量，即电场和磁场完全在横平面内，这种模式的电磁波称为横电磁波，简称TEM 波。 （2）在电磁波传播方向上有电场和但没有磁场分量，即磁场在横平面内，这种模式的电磁波称为横磁波，简称TM 波。因为它只有纵向电场分量，又成为电波或E 波。 （3）在电磁波传播方向上有磁场但没有电场分量，即电场在横平面内，这种模式的电磁波称为横电波，简称TE 波。因为它只有纵向磁场分量，又成为磁波或M 波。 从Maxwell 方程和边界条件求解得到的场型分布都可以用一个或几个上述模式的适当幅相组合来表征。 2．写出时变电磁场的几种场参量的边界条件。（12分） 解：H 的边界条件 12()s n H H J ?-= E 的边界条件 计算电磁学入门基础介绍 一. 计算电磁学的重要性 在现代科学研究中，“科学试验，理论分析，高性能计算”已经成为三种重要的研究手段。在电磁学领域中，经典电磁理论只能在11 种可分离变量坐标系中求解麦克斯韦方程组或者其退化形式，最后得到解析解。解析解的优点在于： ①可将解答表示为己知函数的显式，从而可计算出精确的数值结果; ②可以作为近似解和数值解的检验标准; ③在解析过程中和在解的显式中可以观察到问题的内在联系和各个参数对数值结果所起的作用。 这种方法可以得到问题的准确解，而且效率也比较高，但是适用范围太窄，只能求解具有规则边界的简单问题。当遇到不规则形状或者任意形状边界问题时，则需要比较复杂的数学技巧，甚至无法求得解析解。20 世纪60 年代以来，随着电子计算机技术的发展，一些电磁场的数值计算方法也迅速发展起来，并在实际工程问题中得到了广泛地应用，形成了计算电磁学研究领域，已经成为现代电磁理论研究的主流。简而言之，计算电磁学是在电磁场与微波技术学科中发展起来的，建立在电磁场理论基础上，以高性能计算机技术为工具，运用计算数学方法，专门解决复杂电磁场与微波工程问题的应用科学。相对于经典电磁理论分析而言，应用计算电磁学来解决电磁学问题时受边界约束大为减少，可以解决各种类型的复杂问题。原则上来讲，从直流到光的宽广频率范围都属于该学科的研究范围。近几年来,电磁场工程在以电磁能量或信息的传输、转换过程为核心的强电与弱电领域中显示了重要作用。 二. 电磁问题的分析过程 电磁工程问题分析时所经历的一般过程为： 三. 计算电磁学的分类 (1) 时域方法与谱域方法 电磁学的数值计算方法可以分为时域方法(Time Domain或TD)和频域方法(Frequeney Domain或FD)两大类。 时域方法对Maxwell方程按时间步进后求解有关场量。最著名的时域方法是时域有限差分法(Finite Difference Time Domain或FDTD)。这种方法通常适用于求解在外界激励下场 1.麦克斯韦的物理意义：根据亥姆霍兹定理，矢量场的旋度和散度都表示矢量场的源。麦克斯韦方程表明了电磁场和它们的源之间的全部关系：除了真实电流外，变化的电场（位移电流）也是磁场的源；除电荷外，变化的磁场也是电场的源。 1. 写出非限定情况下麦克斯韦方程组的微分形式，并简要说明其物理意义。 2.答非限定情况下麦克斯韦方程组的微分形式为,,0,D B H J E B D t t ρ????=+ ??=-??=??=??，(3分)（表明了电磁场和它们的源之间的全部关系除了真实电流外，变化的电场（位移电流）也是磁场的源；除电荷外，变化的磁 场也是电场的源。 1.简述集总参数电路和分布参数电路的区别： 2.答：总参数电路和分布参数电路的区别主要有二：（1）集总参数电路上传输的信号的波长远大于传输线的几何尺寸；而分布参数电路上传输的信号的波长和传输线的几何尺寸可以比拟。（2）集总参数电路的传输线上各点电压（或电流）的大小与相位可近似认为相同，无分布参数效应；而分布参数电路的传输线上各点电压（或电流）的大小与相位均不相同，呈现出电路参数的分布效应。 1.写出求解静电场边值问题常用的三类边界条件。 2.答：实际边值问题的边界条件可以分为三类：第一类是整个边界上的电位已知，称为“狄利克莱”边界条件；第二类是已知边界上的电位法向导数，称为“诺依曼”边界条件；第三类是一部分边界上电位已知，而另一部分上的电位法向导数已知，称为混合边界条件。 1.简述色散效应和趋肤效应。 2.答：在导电媒质中，电磁波的传播速度（相速）随频率改变的现象，称为色散效应。在良导体中电磁波只存在于导体表面的现象称为趋肤效应。 1.在无界的理想媒质中传播的均匀平面波有何特性？在导电媒质中传播的均匀平面波有何特性？ 2. 在无界的理想媒质中传播的均匀平面波的特点如下：电场、磁场的振幅不随传播距离增加而衰减，幅度相差一个实数因子η（理想媒质的本征阻抗）；时间相位相同；在空间相互垂直，与传播方向呈右手螺旋关系，为TEM 波。 在导电媒质中传播的均匀平面波的特点如下：电磁场的振幅随传播距离增加而呈指数规律衰减；电、磁场不同相，电场相位超前于磁场相位；在空间相互垂直，与传播方向呈右手螺旋关系，为色散的TEM 啵。 1. 写出时变电磁场在1为理想导体与2为理想介质分界面时的边界条件。 2. 时变场的一般边界条件 2n D σ=、20t E =、2t s H J =、20n B =。 (或矢量式2n D σ=、20n E ?=、 2s n H J ?=、20n B =) 1. 写出矢量位、动态矢量位与动态标量位的表达式,并简要说明库仑规范与洛仑兹规范的意义。 2. 答矢量位,0B A A =????=；动态矢量位A E t ??=-?- ?或A E t ??+=-??。库仑规范与洛仑兹规范的作用都 是限制A 的散度，从而使A 的取值具有唯一性；库仑规范用在静态场，洛仑兹规范用在时变场。 1. 简述穿过闭合曲面的通量及其物理定义 2. s A ds φ=??? 是矢量A 穿过闭合曲面S 的通量或发散量。若Ф> 0，流出S 面的通量大于流入的通量，即通 量由S 面内向外扩散，说明S 面内有正源若Ф< 0，则流入S 面的通量大于流出的通量，即通量向S 面内汇集，说明S 面内有负源。若Ф=0，则流入S 面的通量等于流出的通量，说明S 面内无源。 1. 证明位置矢量 x y z r e x e y e z =++ 的散度，并由此说明矢量场的散度与坐标的选择无关。 2. 证明在直角坐标系里计算 ，则有 ()()x y z x y z r r e e e e x e y e z x y z ? ? ?????=++?++ ?????? 3x y z x y z ???= ++=??? 若在球坐标系里计算，则 23 22 11()()()3r r r r r r r r r ????===??由此说明了矢量场的散度与坐标的选择无关。 1. 在直角坐标系证明0A ????= 2. 《计算电磁学》学习心得 姓名：桑dog 学号： 班级： 联系方式： 前言 计算电磁学是科技的重要领域它的研究涉及到应用计算机求解电磁方程它的重要性基于麦克斯韦方程——唯一的可以描述小到亚原子大到天体尺度的所有物理现象的方程, 。而且, 麦克斯韦方程式对于结果拥有很强的预测能力: 对于一个复杂问题的麦克斯韦方程的解通常可以准确的预知实验结果。因此, 麦克斯韦方程的解对于提高我们对复杂系统之物理现象的洞察力和设计复杂系统的能力均有极大帮助所以, 成功求解麦克斯韦方程式拥有广泛的应用前景: 例如纳米技术, 电脑微电子电路, 电脑芯片设计, 光学, 纳米光学, 微波工程, 遥感, 射电天文学, 生物医学工程, 逆散射和成象等等。 这篇文章的安排如下：第一章介绍了计算电磁学的重要意义以及发展状况。第二章介绍了计算电磁学中解决问题的方法分类。第三章对主要的数值方法进行了简介。第四章展望了计算电磁学的发展趋势。 第1章计算电磁学的重要性 在现代科学研究中，“科学试验，理论分析，高性能计算”已经成为三种重要的研究手段[1]。在电磁学领域中，经典电磁理论只能在11 种可分离变量坐标系中求解麦克斯韦方程组或者其退化形式，最后得到解析解。解析解的优点在于： ●可将解答表示为己知函数的显式，从而可计算出精确的数值结果; ●可以作为近似解和数值解的检验标准; ●在解析过程中和在解的显式中可以观察到问题的内在联系和各个参数对数值 结果所起的作用。 这种方法可以得到问题的准确解，而且效率也比较高，但是适用范围太窄，只能求解具有规则边界的简单问题[2]。当遇到不规则形状或者任意形状边界问题时，则需要比较复杂的数学技巧，甚至无法求得解析解。20 世纪60 年代以来，随着电子计算机技术的发展，一些电磁场的数值计算方法也迅速发展起来，并在实际工程问题中得到了广泛地应用，形成了计算电磁学研究领域，已经成为现代电磁理论研究的主流。简而言之，计算电磁学是在电磁场与微波技术学科中发展起来的，建立在电磁场理论基础上，以高性能计算机技术为工具，运用计算数学方法，专门解决复杂电磁场与微波工程问题的应用科学。相对于经典电磁理论分析而言，应用计算电磁学来解决电磁学问题时受边界约束大为减少，可以解决各种类型的复杂问题。原则上来讲，从直流到光的宽广频率范围都属于该学科的研究范围。近几年来,电磁场工程在以电磁能量或信息的传输、转换过程为核心的强电与弱电领域中显示了重要作用。[3] 2009——2010学年第一学期期末考试 ?电磁场与微波技术?试卷A 一、单项选择题(在每小题的四个备选答案中，选出一个正确答案，并将正确答案的序号填在题干的括号内。每小题2分，共20分) 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_______。 0ε0ε 《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ε，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φ，媒质的介电常数为ε，电荷体密度为V ρ，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。 5．表达式()S d r A S ? ????称为矢量场)(r A ? ?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。 12．简述亥姆霍兹定理，并说明其意义。 13．已知麦克斯韦第二方程为S d t B l d E S C ???????-=???，试说明其物理意义，并写出方程的微 分形式。 14．什么是电磁波的极化？极化分为哪三种？ 三、计算题 （每小题10分，共30分） 15．矢量函数 z x e yz e yx A ??2+-=? ，试求 （1）A ? ?? （2）A ? ?? 16．矢量 z x e e A ?2?2-=? ， y x e e B ??-=? ，求 （1）B A ? ?- （2）求出两矢量的夹角 计算电磁学 计算电磁学是指对一定物质和环境中的电磁场相互作用的建模 过程，通常包括麦克斯韦方程计算上的有效近似。计算电磁学被用来计算天线性能，电磁兼容，雷达散射截面和非自由空间的电波传播等问题。 计算电磁学的主要思想有，基于积分方程的方法，基于微分（差分）方程的方法，及其他模拟方法。 1.基于积分方程的方法 1.1 离散偶极子近似（discrete dipole approximation，DDA） DDA是一种计算电磁波在任意几何形状物体上散射和吸收的方法，其表达式基于麦克斯韦方程的积分形式。DDA用有限阵列的可极化点来近似连续形式的物体。每个点通过对局部电场的响应获得对应的偶极子矩量，然后这些偶极子通过各自的电场相互作用。因此，DDA 有时也被认为是耦合偶极子近似。这种线性方程的计算一般采用共轭梯度迭代法。由于离散矩阵的对称性，就可能在迭代中使用FFT计算矩阵的向量乘法。 1.2 矩量法（Method of Moments，MoM ），边界元法（Boundary Element Method，BEM ） MoM和BEM是求解积分形式（边界积分形式）的线性偏微分方程的数值计算方法，已被应用于如流体力学，声学，电磁学等诸多科技领域。自从上世纪八十年代以来，该方法越来越流行。由于只计算边界值，而不是方程定义的整个空间的数值，该方法是计算小表面（体 积）问题的有效办法。从概念上讲，它们在建模后的表面建立网格。然而对于很多问题，此方法的效率较基于体积离散的方法（FEM，FDTD）低很多。原因是，稠密矩阵的生成将意味着存储需求和计算时间会以矩阵维数的平方律增长。相反的，有限元矩阵的存储需求和计算时间只会按维数的大小线性增长。即使可以采用矩阵压缩技术加以改善，计算成功率和因此增加的计算复杂性仍强烈依赖问题的本质。 BEM可用在能计算出格林函数的场合，如在线性均匀媒质中的场。为了能使用BEM，需要对问题有很多限制，使用上不方便。 以下是运用MoM的计算程序：Vector Fields Ltd Concerto、CST MICROWAVE STUDIO、Numerical Electromagnetic Code (NEC)、Sonnet Lite、FEKO 1.3 快速多极子法（Fast Multipole Method，FMM ） FMM是一种可以替代MoM的电磁计算方法，其效率比MoM的计算效率更高，也更准确，而且对内存和处理运行时间的要求比MoM小很多。FMM基于多极子展开技术，并首先被Greenyard和Rokhlin提出。 2.基于微分（差分）方程的方法 2.1 时域有限差分（FDTD） FDTD是计算电磁学中广泛应用的一种方法，很容易理解和软件实现。由于它是时域方法，求出的解将涵盖很宽的频率范围。 FDTD属于一类基于网格的时域差分数值建模方法。麦克斯韦方程被改写成中心差分方程，并在软件中离散实现。方程的求解采用蛙跳 1、 写出非限定情况下麦克斯韦方程组得微分形式,并简要说明其物理意义。 2、答非限定情况下麦克斯韦方程组得微分形式为,(3分)(表明了电磁场与它们得源之间得全部关系除了真实电流外,变化得电场(位移电流)也就是磁场得源;除电荷外,变化得磁场也就是电场得源。 1、 写出时变电磁场在1为理想导体与2为理想介质分界面时得边界条件。 2、 时变场得一般边界条件 、、、。 (或矢量式、、、) 1、 写出矢量位、动态矢量位与动态标量位得表达式,并简要说明库仑规范与洛仑兹规范得意义。 2、 答矢量位;动态矢量位或。库仑规范与洛仑兹规范得作用都就是限制得散度,从而使得取值具有唯一性;库仑规范用在静态场,洛仑兹规范用在时变场。 1、 简述穿过闭合曲面得通量及其物理定义 2、 就是矢量A 穿过闭合曲面S 得通量或发散量。若Ф> 0,流出S 面得通量大于流入得通量,即通 量由S 面内向外扩散,说明S 面内有正源若Ф< 0,则流入S 面得通量大于流出得通量,即通量向S 面内汇集,说明S 面内有负源。若Ф=0,则流入S 面得通量等于流出得通量,说明S 面内无源。 1、 证明位置矢量 得散度,并由此说明矢量场得散度与坐标得选择无关。 2、 证明在直角坐标系里计算 ,则有 若在球坐标系里计算,则 由此说明了矢量场得散度与坐标得选择无关。 1、 在直角坐标系证明 2、 ()[()()()]()()()0y x x x z z x y z x y z y y x x z z A A A A A A A e e e e e e x y z y z z x x y A A A A A A x y z y z x z x y ????????????? =++?-+-+-??????????????????=-+-+-=????????? 1、 简述亥姆霍兹定理并举例说明。 2、 亥姆霍兹定理研究一个矢量场,必须研究它得散度与旋度,才能确定该矢量场得性质。 例静电场 有源 《电磁学》计算题（附答案） 1. 如图所示，两个点电荷＋q 和－3q ，相距为d . 试求： (1) 在它们的连线上电场强度0=E ? 的点与电荷为＋q 的点电荷相距多远？ (2) 若选无穷远处电势为零，两点电荷之间电势U =0的点与电荷为＋q 的点电荷相距多远？ d +q 2. 一带有电荷q ＝3×10-9 C 的粒子，位于均匀电场中，电场方向如图所示．当该粒子沿水平方向向右方运动5 cm 时，外力作功6×10-5 J ，粒子动能的增量为4.5×10-5 J ．求：(1) 粒子运动过程中电场力作功多少？(2) 该电场的场强多大？ 3. 如图所示，真空中一长为L 的均匀带电细直杆，总电荷为q ，试求在直杆延长线上距杆的一端距离为d 的P 点的电场强度． 4. 一半径为R 的带电球体，其电荷体密度分布为 =Ar (r ≤R ) ， =0 (r ＞R ) A 为一常量．试求球体内外的场强分布． 5. 若电荷以相同的面密度均匀分布在半径分别为r 1＝10 cm 和r 2＝20 cm 的两个同心球面上，设无穷远处电势为零，已知球心电势为300 V ，试求两球面的电荷面密度的值． (0 ＝8.85× 10-12C 2 / N ·m 2 ) 6. 真空中一立方体形的高斯面,边长a ＝0.1 m ，位于图中所示位 置．已知空间的场强分布为： E x =bx , E y =0 , E z =0． 常量b ＝1000 N/(C ·m)．试求通过该高斯面的电通量． 7. 一电偶极子由电荷q ＝1.0×10-6 C 的两个异号点电荷组成，两电荷相距l ＝2.0 cm ．把这电偶极子放在场强大小为E ＝1.0×105 N/C 的均匀电场中．试求： (1) 电场作用于电偶极子的最大力矩． (2) 电偶极子从受最大力矩的位置转到平衡位置过程中，电场力作的功． 8. 电荷为q 1＝8.0×10-6 C 和q 2＝－16.0×10-6 C 的两个点电荷相距20 cm ，求离它们都是20 cm 处的电场强度． (真空介电常量 ＝8.85×10 -12 C 2N -1m -2 ) 9. 边长为b 的立方盒子的六个面，分别平行于xOy 、yOz 和xOz 平面．盒子的一角在坐标原点处．在 此区域有一静电场，场强为j i E ? ??300200+= .试求穿过各面的电通量． E ? q L d q O x z y a a a a ?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 1. 写出非限定情况下麦克斯韦方程组的微分形式，并简要说明其物理意义。 2.答非限定情况下麦克斯韦方程组的微分形式为 ,,0,D B H J E B D t t ρ????=+??=-??=??=??v v v v v v v ，(3分)（表明了电磁场和它们的源之 间的全部关系除了真实电流外，变化的电场（位移电流）也是磁场的源；除电荷外，变化的磁场也是电场的源。 1. 写出时变电磁场在1为理想导体与2为理想介质分界面时的边界条件。 2. 时变场的一般边界条件 2n D σ=、20t E =、2t s H J =、20n B =。 (或矢量式2n D σ=v v g 、20n E ?=v v 、2s n H J ?=v v v 、20n B =v v g ) 1. 写出矢量位、动态矢量位与动态标量位的表达式,并简要说明库仑规范与洛仑兹规范的意义。 2. 答矢量位,0B A A =????=v v v ；动态矢量位A E t ??=-?-?v v 或A E t ??+=-??v v 。库仑规范 与洛仑兹规范的作用都是限制A v 的散度，从而使A v 的取值具有唯一性；库仑规范用在静态场，洛仑兹规范用在时变场。 1. 简述穿过闭合曲面的通量及其物理定义 2. s A ds φ=???v v ò 是矢量A 穿过闭合曲面S 的通量或发散量。若Ф> 0，流出S 面的通量大于流入的通量，即通量由S 面内向外扩散，说明S 面内有正源若Ф< 0，则流入S 面的通量大于流出的通量，即通量向S 面内汇集，说明S 面内有负源。若Ф=0，则流入S 面的通量等于流出的通量，说明S 面内无源。 1. 证明位置矢量x y z r e x e y e z =++r r r r 的散度，并由此说明矢量场的散度与坐标的选择 South China Normal University 课程设计实验报告 课程名称：计算电磁学 指导老师： 专业班级： 2014级电路与系统姓名： 学号： FDTD算法的MATLAB语言实现 摘要：时域有限差分(FDTD)算法是K.S.Yee于1966年提出的直接对麦克斯韦方 程作差分处理,用来解决电磁脉冲在电磁介质中传播和反射问题的算法。其基本思想是:FDTD计算域空间节点采用Yee元胞的方法,同时电场和磁场节点空间与时间上都采用交错抽样；把整个计算域划分成包括散射体的总场区以及只有反射波的散射场区,这两个区域是以连接边界相连接,最外边是采用特殊的吸收边界,同时在这两个边界之间有个输出边界,用于近、远场转换;在连接边界上采用连接边界条件加入入射波,从而使得入射波限制在总场区域；在吸收边界上采用吸收边界条件,尽量消除反射波在吸收边界上的非物理性反射波。 本文主要结合FDTD算法边界条件特点,在特定的参数设置下，用MATLAB语言进行编程，在二维自由空间TEz网格中，实现脉冲平面波。 关键词：FDTD；MATLAB；算法 1 绪论 1.1 课程设计背景与意义 20世纪60年代以来，随着计算机技术的发展，一些电磁场的数值计算方法逐步发展起来，并得到广泛应用，其中主要有：属于频域技术的有限元法（FEM）、矩量法(MM)和单矩法等；属于时域技术方面的时域有限差分法(FDTD)、传输线矩阵法(TLM)和时域积分方程法等。其中FDTD是一种已经获得广泛应用并且有很大发展前景的时域数值计算方法。时域有限差分（FDTD）方法于1966年由K.S.Yee提出并迅速发展，且获得广泛应用。K.S.Yee用后来被称作Yee氏网格的空间离散方式，把含时间变量的Maxwell旋度方程转化为差分方程，并成功地模拟了电磁脉冲与理想导体作用的时域响应。但是由于当时理论的不成熟和计算机软硬件条件的限制，该方法并未得到相应的发展。20世纪80年代中期以后，随着上述两个条件限制的逐步解除，FDTD便凭借其特有的优势得以迅速发展。它能方便、精确地预测实际工程中的大量复杂电磁问题，应用范围几乎涉及所有电磁领域，成为电磁工程界和理论界研究的一个热点。目前，FDTD日趋成熟，并成为分析大部分实际电磁问题的首选方法。 《电磁场与电磁波》试题1 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，设媒质的导磁率为μ，则磁感应强度B ?和磁场H ? 满足的方程 为： 。 2．设线性各向同性的均匀媒质中， 02=?φ称为 方程。 3．时变电磁场中，数学表达式H E S ? ???=称为 。 4．在理想导体的表面， 的切向分量等于零。 5．矢量场 )(r A ? ?穿过闭合曲面S 的通量的表达式为： 。 6．电磁波从一种媒质入射到理想 表面时，电磁波将发生全反射。 7．静电场是无旋场，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 等于零，则此两个矢量必然相互垂直。 9．对平面电磁波而言，其电场、磁场和波的传播方向三者符合 关系。 10．由恒定电流产生的磁场称为恒定磁场，恒定磁场是无散场，因此，它可用 函数的旋度来表 示。 二、简述题 （每小题5分，共20分） 11．已知麦克斯韦第二方程为 t B E ??- =????，试说明其物理意义，并写出方程的积分形式。 12．试简述唯一性定理，并说明其意义。 13．什么是群速？试写出群速与相速之间的关系式。 14．写出位移电流的表达式，它的提出有何意义？ 三、计算题 （每小题10分，共30分） 15．按要求完成下列题目 （1）判断矢量函数 y x e xz e y B ??2+-=? 是否是某区域的磁通量密度？ （2）如果是，求相应的电流分布。 16．矢量z y x e e e A ?3??2-+=?，z y x e e e B ??3?5--=? ，求 （1）B A ??+ （2）B A ??? 17．在无源的自由空间中，电场强度复矢量的表达式为 ()jkz y x e E e E e E --=004?3?? （1） 试写出其时间表达式； （2） 说明电磁波的传播方向； 四、应用题 （每小题10分，共30分） 18．均匀带电导体球，半径为a ，带电量为Q 。试求 第2章电磁场基本方程 2.1/2.1-1设空气中有一半径为a 的电子云，其中均匀充满着密度为ρv 的电荷。试求球内（ra ）任 意点处的电通密度D 和电场强度E 及D ??和E ??。1) r电磁场中的基本物理量和基本实验定律.
2电磁场基本方程
电磁场与电磁波试题.
各种计算电磁学方法比较和仿真软件
第一节磁场基本物理量何铁磁性材料
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习题答案第2章 电磁场基本方程