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《电磁场与电磁波》听课笔记:12

    

上接第9讲  

             三.Maxwell方程组的复数形式

                          利用前面得出的表达式,可写出Maxwell方程组的复数形式:

                  ▽×[Re(He^(jωt))]=Re[Je^(jωt)]+Re[JωDe^(jωt)]        ▽*[Re(Be^(jωt))]=0

                  ▽×[Re(Ee^(jωt))]=Re[JωBe^(jωt)]        ▽*[Re(Be^(jωt))]=Re[ρe^(jωt)]

                  式中的“▽”是空间坐标的微分算子,它和取实部的符号“Re”互换并同时去掉等式两边的

                  “Re”符号即得到Maxwell方程组的复数表示:▽×(He^(jωt))=Je^(jωt)+jωDe^(jωt)

                  ▽×(Ee^(jωt))=-jωBe^(jωt)        ▽*(Be^(jωt))=0        ▽*(De^(jωt))=ρe^(jωt)

                  由于在线性媒质中,所有时谐量的频率都相同,为了简便起见,通常约定将时因子e^(jωt)

                  省略,但必须注意到有该项存在。于是得:▽×H=J+jωD        ▽×E=-jωB        ▽*B=0        ▽*D=ρ   

           2.5  电磁能流与能量

                           电场和磁场都具有能量。时变场中的电场,磁场都要随时间变化,空间各点的电场能量密度和磁场能量密度也要随时间变化,因而引起能量流动。

         一、坡印廷定理:

                            从Maxwell方程组出发,可导出表征电磁能量守恒和转换关系的坡印廷定理。

                          分别用矢量E和H点乘Maxwell第一,二方程式,得:

                       E·(▽×H)=E·J+E·əD/ət   ①

                       H·(▽×E)=-H·əB/ət           ②由①②得:

     H·﹙▽×E﹚-E·﹙▽×H﹚=﹣H·əB/ət-E·J-E·əD/ət

                 在均匀、线性和各向同性煤质中,D=εE、B=μH、J=σE。

                    ∫J*Edv=∫σE^2dv        --------体积V中总的损耗功率

                  wm=0.5B*H        --------磁场能量密度        we=0.5D*E        --------电场能量密度

                 根据能量守恒定律,等式右端的两项之和必须等于由表面s进入体积V中的功率。

                 因此:-∮(E×H)ds        --------进入闭合面s的功率

                 这样,坡印廷定理证明:进入体积V的电磁功率,一部分转换为体积V内电磁储能的增加,

                 另一部分转换为热损耗。

         二.   坡印廷矢量

                          坡印廷定理左边的被积函数E×H,称为坡印廷矢量,表示为:S=E×H 

                 它的单位是:伏/米×安/米=瓦/米^2        具有通过单位面积的功率的意义,称为功流密度矢量。

                 S的方向表示电磁场能量传播的方向。从S=E×H可以看出,只要已知空间任一点的电场和磁场,

                 便知改点的功率流密度的大小和方向,所以坡印廷矢量是时变场中一个重要的物理量。

                另外由于E,H都是空间坐标和时间坐标的函数,因此,S=E×H也是空间坐标和时间的函数,

                称为瞬时坡印廷矢量,它代表穿过单位面积的瞬时功率。面积为垂直于坡印廷矢量的面积。

         三.  平均坡印廷矢量

                对于正弦时变场,计算平均功率比计算瞬时功率更有意义。S平均=1/T∫0E×Hdt    

                把随时间t按正弦规律变化的E(t),H(t)用复数表示可导出更方便的计算公式。即:S平均=1/2Re[E×H*]    

下接第10讲               
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