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1-8 若标量函数为
试求在点处的梯度。
解 已知梯度,将标量函数(代入得
再将P点的坐标代入,求得标量函数( 在P点处的梯度为
1-15 若C为常数,A及k为常矢量,试证:
① ;
② ;
③ 。
证明 ①证明。
利用公式,则
而
求得 。
②证明。
利用公式,则
再利用①的结果,则
③证明。
利用公式,则
再利用①的结果,则 。
1-24 若
试求,及。
解 ①;
;
;
②
;
(此处利用了习题26中的公式)
③
;
;
将矢量的各个坐标分量代入上式,求得
1-25 若矢量,试求,式中V为A所在的区域。
解 在球坐标系中,,
将矢量的坐标分量代入,求得
1-26 试求,式中S为球心位于原点,半径为5的球面。
解 利用高斯定理,,则
2-4 已知真空中两个点电荷的电量均为C,相距为2cm, 如习题图2-4所示。试求:①P点的电位;②将电量为C的点电荷由无限远处缓慢地移至P点时,外力必须作的功。
解 根据叠加原理,点的合成电位为
因此,将电量为的点电荷由无限远处缓慢地移到点,外力必须做的功为
2-10 已知电荷密度为及的两块无限大面电荷分别位于x = 0及x = 1平面,试求及区域中的电场强度。
解 无限大平面电荷产生的场强分布一定是均匀的,其电场方向垂直于无限大平面,且分别指向两侧。因此,位于x = 0平面内的无限大面电荷,在x 0区域中产生的电场强度,在x 0区域中产生的电场强度。位于x = 1平面内的无限大面电荷,在x 1区域中产生的电场强度,在x 1区域中产生的电场强度。
由电场强度法向边界条件获知,
即
由此求得
根据叠加定理,各区域中的电场强度应为
2-19 已知内半径为a,外半径为b的均匀介质球壳的介电常数为,若在球心放置一个电量为q的点电荷,试求:①介质壳内外表面上的束缚电荷;②各区域中的电场强度。
解 先求各区域中的电场强度。根据介质中高斯定理
在区域中,电场强度为
在区域中,电场强度为
在区域中,电场强度为
再求介质壳内外表面上的束缚电荷。
由于,则介质壳内表面上束缚电荷面密度为
外表面上束缚电荷面密度为
2-27 同轴圆柱电容器的内导体
半径为a,外导体半径为b,其
内一半填充介电常数为的介
质,另一半填充介质的介电常
数为,如习题图2-27所示。
当外加电压为V时,试求:①电容器中的电场强度;
②各边界上的电荷密度;③电容及储能。
解 ① 设内导体的外表面上单位长度的电量为,外导体的内表面上单位长度的电量为。取内外导体之间一个同轴的单位长度圆柱面作为高斯面,由高斯定理
求得
已知,在两种介质的分界面上电场强度的切向分量必须连续,即,求得
内外导体之间的电位差为
即单位长度内的电荷量为
故同轴电容器中的电场强度为
由于电场强度在两种介质的分界面上无法向分量,故此边界上的电荷密度为零。
内导体的外表面上的电荷面密度为
;
外导体的内表面上的电荷面密度为
;
③单位长度的电容为
电容器中的储能密度为
5-4 已知无限长导体圆柱半径为a,通过的电流为I,且电流均匀分布,试求柱内外的磁感应强度。
解 建立圆柱坐标系,令圆柱的轴线为Z轴。那么,由安培环路定律得知,在圆柱内线积分仅包围的部分电流为,又,则
即
在圆柱外,线积分包围全部电流,那么
即
5-5 已知无限长导体圆柱的半径为a,其内部存在的圆柱空腔半径为b,导体圆柱的轴线与空腔圆柱的轴线之间的间距为c,如习题图5-5(a)所示。若导体中均匀分布的电流密度为,试求空腔中的磁感应强度。
解 柱内空腔可以认为存在一个均匀分布的等值反向电流,抵消了原有的电流而形成的。那么,利用叠加原理和安培环路定律即可求解。已知半径为,电流密度为的载流圆柱在柱内半径r处产生的磁场强度H1为
求得 ,或写为矢量形式
对应的磁感应强度为
同理可得半径为,电流密度为的载流圆柱在柱内产生的磁场强度为
对应的磁感应强度为
上式中的方向及位置如习题图5-5(b)示。因此,空腔内总的磁感应强度为
7-3 已知正弦电磁场的频率为100GHz,试求铜及淡水中位移电流密度与传导电流密度之比。
解 设电场随时间正弦变化,且,则位移电流
,
其振幅值为
传导电流,振幅为,可见
;
在海水中,,,则
;
在铜中,,,则
7-4 设真空中的磁感应强度为
试求空间位移电流密度的瞬时值。
解 由麦克斯韦方程知,而真空中传导电流,则位移电流为
,
求得
7-12 已知真空中正弦电场的复矢量为
① 试证电场强度E的等相面为平面;② 试求磁感应强度B、平均储能密度w及复能流密度矢量Sc。
解 ①令空间相
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