冯慈璋马西奎工程电磁场导论课后重点习题解答.doc

122、求下列情况下，真空中带电面之间的电压。(2)、无限长同轴圆柱面，半径分别为和（），每单位长度上电荷：内柱为而外柱为。解：同轴圆柱面的横截面如图所示，做一长为半径为（）且与同轴圆柱面共轴的圆柱体。对此圆柱体的外表面应用高斯通量定理，得 考虑到此问题中的电通量均为即半径方向，所以电通量对圆柱体前后两个端面的积分为0，并且在圆柱侧面上电通量的大小相等，于是 即 ， 由此可得 123、高压同轴线的最佳尺寸设计高压同轴圆柱电缆，外导体的内半径为，内外导体间电介质的击穿场强为。内导体的半径为，其值可以自由选定但有一最佳值。由于太大，内外导体的间隙就变得很小，以至在给定的电压下，最大的会超过介质的击穿场强。另一方面，由于的最大值总是在内导体的表面上，当很小时，其表面的必然很大。试问为什么值时，该电缆能承受最大电压？并求此最大电压。（击穿场强：当电场增大达成某一数值时，使得电介质中的束缚电荷可以脱离它的分子 而自由移动，这时电介质就丧失了它的绝缘性能，称为击穿。某种材料能安全地承受的最大电场强度就称为该材料的击穿强度）。解：同轴电缆的横截面如图，设同轴电缆内导体每单位长度所带电荷的电量为，则内外导体之间及内导表面上的电场强度分别为 ， 而内外导体之间的电压为或 即 ， 133、两种介质分界面为平面，已知，且分界面一侧的电场强度，其方向与分界面的法线成的角，求分界面另一侧的电场强度的值。解：， 根据 ，得， 于是： 142、两平行导体平板，相距为，板的尺寸远大于，一板的电位为0，另一板的电位为，两板间充满电荷，电荷体密度与距离成正比，即。试求两极板之间的电位分布（注：处板的电位为0）。解：电位满足的微分方程为 其通解为： 定解条件为：； 由得 由得 ，即 于是 143、写出下列静电场的边值问题：（1）、电荷体密度为和（注：和为常数），半径分别为与的双层同心带电球体（如题143图（a）； （2）、在两同心导体球壳间，左半部分和右半部分分别填充介电常数为与的均匀介质，内球壳带总电量为，外球壳接地（题143图b）；（3）、半径分别为与的两无限长空心同轴圆柱面导体，内圆柱表面上单位长度的电量为，外圆柱面导体接地（题143图（c）。 由于对称并假定同轴圆柱面很长，因此介质中的电位和及无关，即只是的函数，所以 电位参考点： ； 边界条件：，即 173、在无限大接地导体平板两侧各有一个点电荷和，与导体平板的距离均为，求空间的电位分布。解：设接地平板及和如图（a）所示。选一直角坐标系，使得轴通过和且正轴方向由指向，而，轴的方向与轴的方向符合右手螺旋关系且导体平板的表面在，平面内。计算处的电场时，在（）处放一镜像电荷，如图（b）所示，用其等效在导体平板上的感应电荷，因此计算处的电场时，在（）处放一镜像电荷如图（c）所示，用其等效在导体平板上的感应电荷，因此175、空气中平行地放置两根长直导线，半径都是2厘米，轴线间距离为12厘米。若导线间加1000V电压，求两圆柱体表面上相距最近的点和最远的点的电荷面密度。解：由于两根导线为长直平行导线，因此当研究它们附近中部的电场时可将它们当作两根无限长且平行的直导线。在此假定下，可采用电轴法求解此题，电轴的位置及坐标如图所示。由于对称 而 设负电轴到点的距离矢量为，正电轴到点的距离矢量为（点应在认为半径的两个圆之外），则点的电位为 两根导体之间的电压为，因此右边的圆的电位为，即 由此可得 于是 由于两根导线带的异号电荷互相吸引，因而在两根导线内侧最靠近处电场最强电荷密度最大，而在两导线外侧相距最远处电荷密度最小。 18、对于空气中下列各种电位函数分布，分别求电场强度和电荷体密度：（1）、（2）、（3）、（4）、解：求解该题目时注意梯度、散度在不同坐标中的表达式不同。（1）、（2）、 （3）、 （4）、 解：（1）、设内球中的电位函数为，介质的介电常数为，两球表面之间的电位函数为，介质的介电常数为，则，所满足的微分方程分别为 ， 选球坐标系，则由于电荷对称，所以和均与、无关，即和只是的函数，所以 ， 定解条件为： 分界面条件： ； 电位参考点： ； 附加条件：为有限值（2）、设介电常数为的介质中的电位函数为，介电常数为的介质中的电位函数为，则、所满足的微分方程分别为 ， 选球坐标系，则由于外球壳为一个等电位面，内球壳也为一个等电位面，所以和均与、无关，即和只是的函数，所以 ， 分界面条件： 由分解面条件可知 。令 ，则在两导体球壳之间电位满足的微分方程为 电位参考点： ； 边界条件：，即 （3）、设内外导体之间介质的介电常数为，介质中的电位函数为，则所满足的微分方程分别为 ， 选球柱坐标系，则 194、一个由两只同心导电球壳构成的电容器，内球半径为，外球壳半径为，外球壳很薄，其厚度可略去不计，两球壳上所带电荷分别是和，均匀分布在球面上。求这个同心球形电容器静电能量。解：以球形电容器的心为心做一个半径为的球面，并使其介于两导体球壳之间。则此球面上任意一点的电位移矢量为 电场强度为 而电场能量密度为 球形电容器中储存的静电场能量为=195、板间距离为电压为的两平行板电极浸于介电常数为的液态介质中，如图所示。已知液体介质的密度是，问两极板间的液体将升高多少？解：两平行板电极构成一平板电容器，取如图所示的坐标，设平板电容器在垂直于纸面方向的深度为，则此电容器的电容为 电容中储存的电场能量为 液体表面所受的力为 此力应和电容器中高出电容器之外液面的液体所受的重力平衡，由此可得 即 25、内外导体的半径分别为和的圆柱形电容器，中间的非抱负介质的电导率为。若在内外导体间加电压为，求非抱负介质中各点的电位和电场强度。 解：设圆柱形电容器介质中的电位为，则 选择圆柱坐标，使轴和电容器的轴线重合，则有 假定电容器在方向上很长，并考虑到轴对称性，电位函数只能是的函数，因此所满足的微分方程可以简化为 即 ， 两边再积分得电位的通解 定解条件：， 将电位函数的通解带入定解条件，得由上述两式解得 ， 于是 而 27、一导电弧片由两块不同电导率的薄片构成，如图所示。若西门子/米，西门子/米，厘米，厘米，钢片厚度为2毫米，电极间的电压，且。求： 、弧片内的电位分布（设轴上电极的电位为0）； 、总电流和弧片的电阻；、在分界面上，是否突变？、分界面上的电荷密度。 解：（1）、设电导率为的媒质中的电位为，电导率为的媒质中的电位为，选取柱坐标研究此问题。由于在柱坐标中电极上的电位和及无关，因而两部分弧片中的电位也只是的函数，即由上边两式可得、的通解分别为 此问题的定解条件是： （a） （b）（c） （d）根据上述四式可得， ， 联立以上四式解得， ， 于是 （2）、根据 得 又，因此 而 （3）、由于电流密度的法向分量在分界面上连续，且在此题目中电流密度只有法向分量，因此 。分界面处的电场强度等于分界面处的电流密度与电导率的比值，又，因此 。对于导电媒质中的电流场，媒质的介电常数一律为，因此。（4）、 211、以橡胶作为绝缘的电缆的漏电阻通过下属办法测定：把长度为的电缆浸入盐水溶液中，然后在电缆导体和溶液之间加电压，从而可测得电流。有一段米长的电缆，浸入后加的电压，测得电流为。已知绝缘层的厚度和中心导体的半径相等，求绝缘层的电阻率。解： 设导体的电位高于盐水的电位，则绝缘层中的漏电流密度为：而绝缘层中的电场强度为： 设导体的半径为，电缆绝缘层的外半径为，则导体和盐水之间的电压为：即 将已知数据代入上式，得 321、一半径为长圆柱形导体，被一同样长度的同轴圆筒导体所包围，圆筒半径为，圆柱导体和圆筒导体载有相反方向电流。求圆筒内外的磁感应强度（导体和圆筒内外导磁媒质的磁导率均为）。解：求解此问题可将圆柱导体和圆筒导体视为无限长。在垂直于的平面上以轴和此平面的交点为心做一半径为的圆，设的方向和符合右手螺旋关系。由安培环路定律得：式中为中包含的电流，其方向与符合右手螺旋关系时为正，否则为负。考虑到在上的大小相等，方向为的切线方向，则有 即 ， 而 ， 当时，有 而 当时，有 而 当时，有 因而 333、在恒定磁场中，若两种不同媒质分解面为平面，其上有电流线密度，已知，求。解：设的区域中的磁导率、磁场强度、磁感应强度分别为、；的区域中的磁导率、磁场强度、磁感应强度分别为、。由已知条件得：； ； 由分解面条件得：； ；将已知条件代入，得：； ； 而 于是 343、已知电流分布为为常数，求矢量位和磁感应强度（注的参考点选为处）。 解：设的区域中的矢量磁位为，的区域的矢量磁位为，则、所满足的微分方程分别为： 考虑到电流密度只有分量，矢量磁位也只能有分量，上两可改写为 选圆柱坐标系，上两式变为 由于电流密度不随和变化，所以矢量磁位也不随和变化，因此上述两式可简化为 （1） （2）（1）、（2）两式的通解分别为 （3） （4）定解条件： 附加条件：当时，应为有限值；参考点处矢量磁位为0，即 分解面条件：；根据定解条件，得： （5） （6） （7） （8）即 联立上述三式解得：； ；于是 由柱坐标中的旋度公式可得：361、在磁导率的半无限大导磁媒质中距媒质分界面2cm有一载流为10A的长直细导线，试求媒质分界面另一侧（空气）中距分界面1cm处点的磁感应强度。解：此题如图1所示，图中，（设其方向和正z轴的方向一致）求空气中的磁场的等效模型如图2所示。图中的而 372、有一截面为正方形的铁磁镯环，均匀绕有匝导线，镯环内外半径分别为和，高，求线圈的自感系数。解：做一个半径为的圆，使此圆所在的平面在正方形铁磁镯环的两个端面之间，且与端面平行，圆心在铁磁镯环的轴线上。设线圈的匝数为，根据安培环路定理，得 对于此题，在上述所做的圆上磁场强度的大小处处相等，方向沿圆的切线方向，于是上述积分的结果为 即 ， 磁通为 线圈的磁链为 再由，得 373、如图所示，求真空中：（1）、沿Z轴放置的无限长直线电流和匝数为1000的矩形回路之间的互感；（2）、如矩形回路及其它长度所标尺寸的单位，不是米而是厘米，重新求互感。解：(1)、在，的半平面内 设互感磁通的方向如图中的所示，则 与线圈交链的总互感磁链为 而 （2）、如图中的尺寸的单位为厘米时381、求无限长同轴电缆单位长度内导体和外导体之间区域内所储存的磁场能量。设内导体半径为，外导体很薄，半径为，内导体和外导体之间媒质的磁导率为，电缆中的电流为。 解：设同轴电缆的横截面及内导体中电流的方向如图所示，则内外导体之间的磁场强度为（取圆柱坐标，使z轴和同轴电缆的轴线一致，其方向和的方向相同） ， 而 由 得 而 3 82、在题3 72的镯环线圈中，通以电流。求磁场能量：（1）、用求解； （2）、用求解。解： 运用题3 72的一些结果，有 ， ， （1）、 （2）、 41、长直导线中通过电流，一矩形导线框置于其近旁，两边与直导线平行，且与直导线共面，如图所示。（1）、设，求回路中的感应电动势（设框的尺寸远小于正弦电流的波长）。（2）、设，线框环路以速度向右平行移动，求感应电动势。（3）、设，且线框又向右平行移动，再求感应电动势。解：取电动势和磁通的方向如图所示，选柱坐标且使z轴与线电流重合，方向与电流的方向一致。 （1）、线圈不动，电流随时间变化： 由于和符合右手螺旋关系，所以 （2）、电流不变，线圈运动： 取积分途径的方向和电动势的方向一致，则 （3）、电流和线圈的位置都随时间变化： 42、已知一种有损耗媒质中的电流密度，若媒质的，求位移电流密度。解：用相量表达电流密度，则 电场强度为 电位移相量为 而 所以 45、由圆形极板构成的平板电容器如图所示，两极板之间充满电导率为、介电常数为、磁导率为的非抱负介质。把电容接到直流电源上，求该系统中的电流及电容器极板之间任意一点的坡印亭向量，并证明其中消耗的功率等于电源供应的功率。解：忽略边沿效应后有， 电容中任意一点的坡印亭矢量为：电流为： 电源提供的功率为：电容消耗的功率为：上式中的，和分别是电容器的外表面、介质与上极板的分界面、介质与下极板的分界面和电容器的外侧面。由于在介质与导体的分界面处，导体一侧的电场强度为0，所以47、已知空气中的电场强度为 求相应的和。解： 由 ，得 623、已知自由空间中电磁场的电场分量表达式为 这是一种什么性质的场？试求出其频率、波长、速度、相位常数、传播方向及的表达式。解：此场为一种沿负z轴方向传播的均匀平面波。， 624、某电台发射的电磁波，在离电台足够远处可以认为是平面波。设在某一点，某瞬间的电场强度为，求该点瞬间的磁场强度。若沿电磁波的传播方向前行，到达另一点，问该点要迟多少时间才具有此的电场。解：空气可以视为抱负介质，设电磁波沿方向传播，因此 设电磁波传播到点的时间为，点的坐标为，则 即 于是 根据抱负介质中磁场强度和电场强度的关系，有 当，时，有设电磁波传播到点的时间为，点的坐标为。依据题意可得即 将带入上式，得 根据上式，可得 631、均匀平面波在海水中垂直向下传播，已知，海水的，在处 求：（1）、海水中的波长及相位速度；（2）、处，和的表达式；（3）、由表面到深处，每立方米海水中损耗的平均功率。解：由于，所以此时的海水为良导体。（1）、； （2）、 在处 （3）、 633、设一均匀平面电磁波在一良导体内传播，其传播速度为光在自由空间波速的1且波长为0.3mm，设煤质的磁导率为，试决定该平面电磁波的频率及良导体的电导率。 解： ，而在良导体中： ， 由上两式得： 即 而 ， 78、已知传输线在时的分布参数为：；，。试求传输线的特性阻抗，衰减常数，相位常数，传输线上的波长及传播速度。解：特性阻抗衰减常数和相位常数： 由此可见 ， 波速和波长： , 742、特性阻抗，长度为的无损耗传输线，输出端接有负载，输入端接有内阻为、电压为的电源。试求：（1）、传输线输入端的电压；（2）、负载吸取的平均功率；（3）、负载端的电压。解：（1）、传输线的输入阻抗为 （2）、负载吸取的平均功率 由于传输线是无损线，所以负载吸取的平均功率等于传输线始端输入的平均功率 （3）、负载端的电压 717、长度为的无损耗线联接如题717图。其特性阻抗为。若要使电源发出最大功率，试决定集中参数的值及电源内阻。解： 当 时电源发出的功率最大，由此可得 即 ，