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地特三等申論題 110年 [電子工程] 電磁學

第 二 題

📖 題組:
於真空中,一金屬圓環半徑 a,導磁係數 μ₀,受正弦平面波磁場入射,波長為 λ ≫ a。
📝 此題為申論題,共 2 小題

小題 (二)

推導該金屬圓環感應之電動力振幅。(10 分)

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看到「波長 λ ≫ a」的條件,應立刻聯想到「準靜態近似(Quasi-static approximation)」,這意味著圓環範圍內的磁場空間分佈可視為均勻。解題核心在於直接應用法拉第電磁感應定律(Faraday's Law),先求出穿過圓環的均勻磁通量,再對時間偏微分即可求得感應電動勢及其振幅。

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【解題思路】利用準靜態近似(Quasi-static approximation)與法拉第電磁感應定律推導感應電動勢。 【詳解】 已知:

小題 (一)

當此金屬圓環如何相對與入射平面波磁場 B(或 H)放置,使金屬圓環產生之電動力(electromotive force)最大,並以原理或繪圖說明解釋。(10 分)

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看到此題應先聯想「法拉第電磁感應定律」,感應電動勢大小取決於磁通量的時間變化率。由於波長遠大於圓環半徑(λ ≫ a),可視圓環所在區域的磁場為空間均勻場,故解題關鍵轉化為尋找使「穿過圓環面積的磁通量」達到最大的幾何相對位置,即探討面積法向量與磁場向量的內積關係。

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【解題思路】利用法拉第電磁感應定律(Faraday's Law of Induction),分析均勻時變磁通量與圓環相對夾角的關係,以求得最大感應電動勢。 【詳解】 已知:正弦平面波波長 $\lambda \gg a$,在圓環尺寸範圍內空間相位變化極小,故可將入射磁場視為「空間均勻、隨時間變化」的磁場。假設 $\mathbf{B}(t) = B_0 \sin(\omega t) \hat{b}$,其中 $\hat{b}$ 為磁場方向的單位向量。

📝 準靜態電磁感應推導
💡 利用準靜態近似簡化空間相位,再透過法拉第定律求解感應電動勢。

🔗 感應電動勢振幅推導邏輯

  1. 1 準靜態判定 — 確認波長遠大於圓環半徑,簡化場量為空間均勻。
  2. ↓
  3. 2 場量表示 — 寫出時變磁場函數 B(t),包含角頻率與初始振幅。
  4. ↓
  5. 3 磁通量計算 — 計算磁場穿過圓環面積的積分,考慮法向量夾角。
  6. ↓
  7. 4 時間微分 — 套用法拉第定律 V = -dΦ/dt 進行求導運算。
  8. ↓
  9. 5 振幅提取 — 由結果函數擷取與時間無關的係數項作為最大值。
🔄 延伸學習:延伸學習:當波長與物體尺寸接近時,須考慮相位延遲效應。
🧠 記憶技巧:VIP 會員可查看這題的記憶口訣與速記法
⚠️ 常見陷阱:VIP 會員可查看這題最常被誘答的陷阱整理
準靜態近似 法拉第定律 時變電磁場 平面波性質

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