高考申論題
111年
[電子工程] 電磁學
第 二 題
📖 題組:
將兩片無限大的金屬平板平行於 yz 平面擺放,使該兩片金屬板的 x 坐標分別為 x = 0 及 x = a。當 TE(transverse electric)波模態在兩片金屬板間傳播時,令其電場為 E = y_hat E₀ sin(kₓ x) e^(-jk_z z)。
將兩片無限大的金屬平板平行於 yz 平面擺放,使該兩片金屬板的 x 坐標分別為 x = 0 及 x = a。當 TE(transverse electric)波模態在兩片金屬板間傳播時,令其電場為 E = y_hat E₀ sin(kₓ x) e^(-jk_z z)。
📝 此題為申論題,共 4 小題
小題 (二)
推導對應的磁場表達式。(10 分)
思路引導 VIP
已知 E 場求 H 場。1. 工具選擇:馬克士威方程 ∇ × E = -jωμH。2. 運算過程:對 E = y_hat E_y 進行旋度運算,會得到 x 與 z 分量的磁場。3. 整理係數:H = (1/-jωμ) ∇ × E。
小題 (一)
從邊界條件推論 kₓ 的可能解。(5 分)
思路引導 VIP
金屬板視為理想導體(PEC)。邊界條件要求:切線電場在導體表面必須為零。1. 辨識切線方向:電場在 y 方向,與平行於 yz 平面的金屬板切連。2. 設定邊界條件:在 x=0 和 x=a 處,E_y = 0。3. 代入公式求 kₓ。
小題 (三)
推導對應的複數(complex)Poynting 向量 z 分量的表達式。(10 分)
思路引導 VIP
複數坡印廷向量公式為 S = (1/2) E × H*。1. 提取分量:E 只有 y 分量,H 有 x 和 z 分量。2. 叉積運算:a_y × a_x* = -a_z。3. 計算 z 分量:S_z = (1/2) (E_y ⋅ H_x*),此處需注意 H_x 的共軛。
小題 (四)
推導使複數(complex)Poynting 向量 z 分量為實數時的頻率條件。(5 分)
思路引導 VIP
S_z 為實數代表有「淨功率」向 z 方向傳遞。1. 分析 S_z 公式:當 k_z 為實數且不為零時,S_z 趨向實數。2. 連結色散關係:k_z = √(k² - kₓ²) = √[(ω/c)² - (nπ/a)²]。3. 判斷實數條件:根號內必須大於 0。這引出了截止頻率(Cut-off frequency)的概念。
平行板波導磁場推導
💡 運用法拉第定律微分形式,由電場旋度求得磁場表達式。
🔗 TE 模態磁場推導邏輯鏈
- 1 法拉第定律基礎 — 建立 H 與電場旋度之數學連結公式
- 2 旋度分量展開 — 利用行列式拆解出 ax 與 az 之偏微分項
- 3 空間導數運算 — 對 sin 與指數項進行正確偏微分運算
- 4 項次合併與化簡 — 整合 E0、係數與相項完成最終向量式
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🔄 延伸學習:延伸學習:利用推導結果計算波導內的平均功率流(Poynting Vector)。