某一均匀平面波在理想介质中沿+z方向传播,其电场强度为:[ vec(E)(z,t) = vec(e)_x ( 2pi times 10^8 t - kz + (pi)/(3) ) , (V/m) ]介质参数为: 相对介电常数varepsilon_r = 4,相对磁导率mu_r = 1,电导率sigma = 0。请计算:(1) 波的角频率omega与频率f;(2) 波数k和相位常数beta;(3) 相速v_p和波长lambda;(4) 介质的波阻抗eta以及对应的磁场强度表达式;(5) 平均坡印廷矢量vec(S)_(av)。(6) 若此波在z=0处垂直入射到理想导体表面,求反射波电场表达式。
某一均匀平面波在理想介质中沿$+z$方向传播,其电场强度为:
$\vec{E}(z,t) = \vec{e}_x \left( 2\pi \times 10^8 t - kz + \frac{\pi}{3} \right) \, \text{V/m}$
介质参数为: 相对介电常数$\varepsilon_r = 4$,相对磁导率$\mu_r = 1$,电导率$\sigma = 0$。
请计算:
(1) 波的角频率$\omega$与频率$f$;
(2) 波数$k$和相位常数$\beta$;
(3) 相速$v_p$和波长$\lambda$;
(4) 介质的波阻抗$\eta$以及对应的磁场强度表达式;
(5) 平均坡印廷矢量$\vec{S}_{av}$。
(6) 若此波在$z=0$处垂直入射到理想导体表面,求反射波电场表达式。
题目解答
答案
以下是本题的完整解答,按问题顺序结构化呈现:
(1) 角频率 ω 与频率 f
从电场表达式 $\vec{E}(z, t) = \vec{e}_x \cos(2\pi \times 10^8 t - k z + \frac{\pi}{3})$ 直接读取:
- 角频率:$\omega = 2\pi \times 10^8 \, \text{rad/s}$
- 频率:$f = \frac{\omega}{2\pi} = 10^8 \, \text{Hz}$
(2) 波数 k 与相位常数 β
介质无损耗(σ=0),波数等于相位常数:
$k = \beta = \omega \sqrt{\mu \varepsilon} = \omega \sqrt{\mu_0 \cdot 4\varepsilon_0} = \frac{2\omega}{c} = \frac{4\pi}{3} \, \text{rad/m}$
(3) 相速 $v_p$ 与波长 $\lambda$
- 相速:$v_p = \frac{1}{\sqrt{\mu \varepsilon}} = \frac{c}{2} = 1.5 \times 10^8 \, \text{m/s}$
- 波长:$\lambda = \frac{2\pi}{\beta} = 1.5 \, \text{m}$
(4) 波阻抗 η 与磁场强度 $\vec{H}(z,t)$
- 波阻抗:$\eta = \sqrt{\frac{\mu}{\varepsilon}} = \frac{\eta_0}{2} = 60\pi \, \Omega$
- 磁场方向由右手定则确定为 $+\vec{e}_y$,幅值为 $E_0 / \eta$,故:
$\vec{H}(z, t) = \vec{e}_y \frac{1}{60\pi} \cos\left(2\pi \times 10^8 t - \frac{4\pi}{3} z + \frac{\pi}{3}\right) \, \text{A/m}$
(5) 平均坡印廷矢量 $\vec{S}_{av}$
对于沿 z 方向传播的均匀平面波:
$\vec{S}_{av} = \frac{E_0^2}{2\eta} \vec{e}_z = \frac{1}{120\pi} \vec{e}_z \, \text{W/m}^2$
(6) 反射波电场表达式(z=0 处垂直入射理想导体)
理想导体反射系数 $\Gamma = -1$,反射波沿 -z 方向传播,相位与入射波在边界处匹配:
$\vec{E}_r(z, t) = -\vec{e}_x \cos\left(2\pi \times 10^8 t + \frac{4\pi}{3} z + \frac{\pi}{3}\right) \, \text{V/m}$