Asst. Prof. Mehmet Çayören Electromagnetic Waves 2014-2015 Fall Semester Exercise 1 1. a) ๐ = ๐ฅ 2 + ๐ฆ 2 + ๐ง 2 . Find ๐ธโ if ๐ธโ = โโ๐. ๐ ๐ ๐ ๐ธโ = โ ( โโโโ ๐๐ฅ + ๐๐ฆ + โโโ โโโโ ๐ ) (๐ฅ 2 + ๐ฆ 2 + ๐ง 2 ) ๐๐ฅ ๐๐ฆ ๐๐ง ๐ง ๐ธโ = โ2๐ฅ๐โโโโ๐ฅ โ 2๐ฆ๐โโโโ๐ฆ โ 2๐ง๐ โโโ๐ง b) ๐ = ๐2 + ๐ท2 + ๐ง 2 . Find ๐ธโ if ๐ธโ = โโ๐. ๐ 1 ๐ ๐ ๐ธโ = โ ( โโโ ๐๐ + ๐๐ท + โโโ โโโโ ๐ ) (๐2 + ๐ท2 + ๐ง 2 ) ๐๐ ๐ ๐๐ท ๐๐ง ๐ง ๐ธโ = โ2๐๐โโโ๐ โ 2 ๐ท ๐ โ 2๐ง๐ โโโโ โโโ๐ง ๐ ๐ท 2. (P2.19 In Chengโs Book) For vector function ๐ด = ๐2 โโโ ๐๐ + 2๐ง๐โโโ๐ง , verify the divergence theorem for the circular cylindrical region enclosed by ๐ = 5, ๐ง = 0 and ๐ง = 4. Divergence theorem: โโโโ โซ โ. ๐ด๐๐ฃ = โฎ ๐ด. ๐๐ ๐ โ. ๐ด = ๐ 1 ๐ 1 ๐ ๐๐ด๐ง (๐ด๐ท ) + (๐๐ด๐ ) + ๐ ๐๐ ๐ ๐๐ท ๐๐ง โ =0 1 ๐ 3 ๐ (๐ ) + (2๐ง) = 3๐ + 2 โ. ๐ด = ๐ ๐๐ ๐๐ง 4 2๐ 5 โซ โ. ๐ด๐๐ฃ = โซ โซ โซ (3๐ + 2)๐ ๐๐ ๐๐ท ๐๐ง ๐ ๐ง=0 ๐ท=0 ๐=0 4 2๐ โซ โ. ๐ด๐๐ฃ = โซ โซ (๐3 + ๐2 )|5๐=0 ๐๐ท ๐๐ง = 8๐(150) = 1200๐ ๐ ๐ง=0 ๐ท=0 โโโโ = ( โซ + โซ + โซ ) (๐ด. ๐๐ โโโโ ) โฎ ๐ด. ๐๐ ๐ ๐1 ๐2 ๐3 ๐2 ๐1 On ๐1 (๐ = 5) ๐3 โโโโ = ๐ ๐๐ท ๐๐ง โโโ ๐๐ ๐๐ 1 Asst. Prof. Mehmet Çayören 2๐ 4 3 โซ ๐ ๐๐ท ๐๐ง = 125 โซ โซ ๐๐ท ๐๐ง = 8๐(125) = 1000๐ ๐1 ๐ง=0 ๐ท=0 On ๐2 (๐ง = 4) โโโโ ๐๐ = ๐ ๐๐ ๐๐ท โโโ ๐๐ง 2๐ 5 โซ 2๐ง๐ ๐๐ ๐๐ท = 4 × โซ โซ 2๐ ๐๐ ๐๐ท = 2๐ × 4 × ๐2 |5๐=0 = 8๐ × 25 = 200๐ ๐2 ๐ท=0 ๐=0 On ๐2 (๐ง = 0) ๐ด๐ง = 0 ๏จโซ๐ (๐ด. โโโโ ๐๐ ) = 0 3 โฎ ๐ด. โโโโ ๐๐ = 1000๐ + 200๐ + 0 = 1200๐ ๐ โซ โ. ๐ด๐๐ฃ = โฎ ๐ด. โโโโ ๐๐ = 1200๐ ๐ ๐ โ = 3. (P2.19 In Chengโs Book) A vector field ๐ท cos2 ๐ท ๐๐ โโโ ๐3 exists in the region between two spherical shells defined by ๐ = 1 and ๐ = 2. Evaluate โ . โโโโ a) โฎ ๐ท ๐๐ โ ๐๐ฃ b) โซ โ. ๐ท โ . โโโโ โ . โโโโ a) โฎ ๐ท ๐๐ = (โซ๐ + โซ๐ ) (๐ท ๐๐ ) where ๐1 and ๐2 represents ๐ = 1 and ๐ = 2 respectively. 1 2 On ๐1 (๐ = 1) โโโโ = โ๐ 2 sinฮธ ๐ฮธ ๐๐ท โโโ ๐๐ ๐๐ 2๐ ๐ 2๐ ๐ cos 2 ๐ท 2 1 โ . โโโโ โซ๐ท ๐๐ = โซ โซ โ ๐ sinฮธ ๐ฮธ ๐๐ท = โ โซ โซ cos2 ๐ท sinฮธ ๐ฮธ ๐๐ท 3 ๐ 1 ๐1 ๐ท=0 ฮธ=0 ๐ท=0 ฮธ=0 2๐ 2๐ โโโโ = ( โซ cos โ . ๐๐ โซ๐ท ๐1 2 ๐ท ๐๐ท) (๐๐๐ ฮธ)|๐ฮธ=0 = โ2 โซ cos2 ๐ท ๐๐ท ๐ท=0 ๐ท=0 1 cos2 ๐ฅ = (cos(2๐ฅ) + 1) 2 2๐ โโโโ = โ2 โซ โ . ๐๐ โซ๐ท ๐1 ๐ท=0 2๐ 1 1 (cos 2๐ท + 1)๐๐ท = ( sin2๐ท + ๐ท)| = โ2๐ 2 2 ๐ท=0 On ๐2 (๐ = 2) 2 Asst. Prof. Mehmet Çayören โโโโ = ๐ 2 sinฮธ ๐ฮธ ๐๐ท โโโ ๐๐ ๐๐ 2๐ ๐ 2๐ ๐ cos2 ๐ท 2 1 ๐ sinฮธ ๐ฮธ ๐๐ท = โซ โซ cos2 ๐ท sinฮธ ๐ฮธ ๐๐ท = ๐ 3 ๐ 2 โ ฮธ=0 ๐ท=0 ฮธ=0 ๐ท=0 โ . โโโโ โซ๐ท ๐๐ = โซ โซ ๐2 2๐ โ . โโโโ ( โซ + โซ ) (๐ท ๐๐ ) = โ2๐ + ๐ = โ๐ ๐1 1 ๐ 1 ๐2 ๐ 1 ๐ โ = 2 (๐ 2 ๐ท๐ ) + (๐ทฮธ ๐ ๐๐ฮธ) + (๐ท๐ท ) b) โ. ๐ท โ ๐ ๐๐ ๐๐ ๐๐ฮธ ๐ฮธ ๐๐ ๐๐ฮธ ๐๐ท =0 โ = โ. ๐ท 1 ๐ cos2 ๐ท 1 ๐ cos2 ๐ท cos2 ๐ท 2 (๐ )= 2 ( )= ๐ 2 ๐๐ ๐3 ๐ ๐๐ ๐ ๐4 ๐๐ฃ = ๐ 2 ๐ ๐๐ฮธ ๐r๐๐ท๐ฮธ ๐ 2๐ 2 โ ๐๐ฃ = โซ โซ โซ โซ โ. ๐ท ฮธ=0 ๐ท=0 ๐=1 ๐ cos 2 ๐ท ๐ ๐๐ฮธ๐r๐๐ท๐ฮธ ๐2 2๐ ๐ 2๐ 1 2 1 2 โ โซ โ. ๐ท ๐๐ฃ = โซ โซ cos ๐ท ๐ ๐๐ฮธ๐๐ท๐ฮธ ( 2 )| = โ โซ โซ cos 2 ๐ท ๐ ๐๐ฮธ๐๐ท๐ฮธ = โ๐ ๐ ๐=1 2 โ ๐ท=0 ฮธ=0 ๐ท=0 ฮธ=0 =2๐ 4. (P2.24 In Chengโs Book) Assume the vector function ๐ด = 3๐ฅ 2 ๐ฆ 2 โโโโ ๐๐ฅ โ ๐ฅ 3 ๐ฆ 2 โโโโ ๐๐ฆ a) Find โฎ ๐ด. โโโ ๐๐ around the triangular contour given in figure. โโโโ over the triangular area. b) Evaluate โซ(โ × ๐ด). ๐๐ c) Can ๐ด be expressed as the gradiant of a scalar? Explain. a) โฎ ๐ด. โโโ ๐๐ = (โซ๐ฟ + โซ๐ฟ + โซ๐ฟ ) ๐ด. โโโ ๐๐ 1 2 3 On ๐ฟ1 (๐ฅ = ๐ฆ), โโโ ๐๐ = ๐๐ฅ๐โโโโ๐ฅ + ๐๐ฆ๐โโโโ๐ฆ 2 โซ ๐ด. โโโ ๐๐ = โซ 2๐ฅ 5 ๐๐ฅ = 21 ๐ฟ1 1 On ๐ฟ2 (๐ฅ = 2), โโโ ๐๐ = ๐๐ฆ๐โโโโ๐ฆ 3 Asst. Prof. Mehmet Çayören 1 1 โโโ = โซ(โ8๐ฆ 2 )๐๐ฆ = โ โซ ๐ด. ๐๐ ๐ฟ2 2 8๐ฆ 3 8 64 56 | =โ + = 3 2 3 3 3 On ๐ฟ3 (๐ฆ = 1), โโโ ๐๐ = ๐๐ฅ๐โโโโ๐ฅ 1 โโโ = โซ(3๐ฅ 2 )๐๐ฅ = ๐ฅ 3 |12 = 1 โ 8 = โ7 โซ ๐ด. ๐๐ ๐ฟ3 2 โฎ ๐ด. โโโ ๐๐ = 21 + b) (โ × ๐ด) = | ๐๐ฅ โโโโ ๐๐ฆ โโโโ โโโ ๐๐ง ๐ ๐๐ฅ 2 2 ๐ ๐๐ฆ 3 2 ๐ | ๐๐ง 3๐ฅ ๐ฆ โ๐ฅ ๐ฆ 56 98 โ7= 3 3 = โโโโ ๐๐ฅ (โฆ ) + โโโโ ๐๐ฆ (โฆ ) + โโโ ๐๐ง ( ๐ ๐ (โ๐ฅ 3 ๐ฆ 2 ) โ (3๐ฅ 2 ๐ฆ 2 )) ๐๐ฅ ๐๐ฆ 0 ๐๐ง (โ3๐ฅ 2 ๐ฆ 2 โ 9๐ฅ 2 ๐ฆ 2 ) = โ12๐ฅ 2 ๐ฆ 2 โโโ ๐๐ง (โ × ๐ด) = โโโ โโโโ = โ๐๐ฅ๐๐ฆ๐ ๐๐ โโโ๐ง ๐ฆ=2 ๐ฅ=2 โโโโ = โซ โซ (โ × ๐ด). ๐๐ ๐ ๐ฆ=2 ๐ฅ=2 ๐ฆ=2 ๐ฅ3 โซ 12๐ฅ ๐ฆ ๐๐ฅ๐๐ฆ = 12 โซ ๐ฆ ( )| ๐๐ฆ = 4 โซ (8 โ ๐ฆ 3 ) ๐ฆ 2 ๐๐ฆ 3 ๐ฅ=๐ฆ 2 2 2 ๐ฆ=1 ๐ฅ=๐ฆ ๐ฆ=1 ๐ฆ=1 ๐ฆ=2 โซ (โ × ๐ด). โโโโ ๐๐ = 4 ( ๐ 8๐ฆ 3 ๐ฆ 6 128 256 2 32 98 โ )| =โ + + โ = 3 6 ๐ฆ=1 3 3 3 3 3 c) Since โฎ ๐ด. โโโ ๐๐ = โซ(โ × ๐ด). โโโโ ๐๐ โ 0, ๐ด cannot be expressed as gradient of a scalar. ๐ท 2 5. (P2.25 In Chengโs Book) Given the vector function ๐ด = ๐ ๐๐ ( ) โโโโ ๐๐ท , verify Stokesโs theorem over the hemispherical surface and its circular contour that are shown in figure. โซ (โ × ๐ด). โโโโ ๐๐ = โฎ ๐ด. โโโ ๐๐ ๐ ๐ถ Integral on surface; โโโโ ๐๐ = ๐ 2 ๐ ๐๐๐๐๐๐๐ท๐โโโ๐ 4 Asst. Prof. Mehmet Çayören ๐โโโ๐ 1 |๐ × ๐ด = (โ ) ๐ 2 ๐ ๐๐๐ |๐๐ ๐๐โโโโ๐ ๐ ๐๐ 0 (โ × ๐ด) = 1 0 ๐๐ ๐๐๐๐โโโโ๐ท ๐ | ๐๐ท | ๐ท ๐๐ ๐๐๐๐ ๐๐ ( ) 2 ๐ ๐ท ๐ ๐ท โโโ ( (๐๐ ๐๐๐๐ ๐๐ ( ))) โ ๐๐โโโโ๐ ( (๐๐ ๐๐๐๐ ๐๐ ( )))] ๐๐ 2 ๐๐ 2 [๐ ๐ 2 ๐ ๐๐๐ ๐ ๐ท ๐ท ๐๐๐ ๐๐ ๐๐ ( 2 ) ๐ ๐๐๐๐ ๐๐ ( 2 ) ) โโโ ๐๐ โ ( ) โโโโ ๐๐ (โ × ๐ด) = ( ๐๐ ๐๐๐ ๐๐ ๐๐๐ 2๐ ๐/2 ๐ท โซ (โ × ๐ด). โโโโ ๐๐ = โซ โซ ๐๐๐ ๐๐ ๐๐ ( ) ๐๐๐๐๐ท 2 ๐ ๐ท=0 ๐=0 Using ๐ = ๐, 2๐ 2๐ ๐ท=0 ๐ท=0 ๐ท ๐ท โโโโ = ๐ โซ ๐ ๐๐ ( ) ๐๐ท ((๐ ๐๐๐)|๐/2 ) = ๐ โซ ๐ ๐๐ ( ) ๐๐ท โซ (โ × ๐ด). ๐๐ ๐=0 2 2 ๐ 2๐ ๐ท โโโโ = โ2๐ (๐๐๐ ( ))| โซ (โ × ๐ด). ๐๐ = โ2๐(โ1 โ 1) = 4๐ 2 ๐ ๐ท=0 Integral on contour; โโโ ๐๐ = ๐๐ ๐๐๐๐๐ท๐โโโโ๐ท 2๐ ๐ท โฎ ๐ด. โโโ ๐๐ = โซ ๐ ๐๐ ( ) ๐๐ ๐๐๐๐๐ท 2 ๐ถ Using ๐ = ๐ and ๐ = ๐ท=0 ๐ 2 2๐ ๐ท โโโ == โ2๐ (๐๐๐ ( ))| โฎ ๐ด. ๐๐ = โ2๐(โ1 โ 1) = 4๐ 2 ๐ท=0 ๐ถ 6. a) If a scalar field is defined as ๐ = ๐ฅ 2 ๐ฆ 2 ๐ง 2 , show that the Laplacian โ๐ is equal to โ. (โ๐) ๐2๐ ๐2๐ ๐2๐ โ๐ = โ2 ๐ = 2 + 2 + 2 = 2๐ฆ 2 ๐ง 2 + 2๐ฅ 2 ๐ง 2 + 2๐ฅ 2 ๐ฆ 2 ๐๐ฅ ๐๐ฆ ๐๐ง ๐๐ ๐๐ ๐๐ โ. (โ๐) = โ. ( โโโโ ๐๐ฅ + ๐๐ฆ + โโโโ โโโ ๐ ) = โ. (2๐ฅ๐ฆ 2 ๐ง 2 โโโโ ๐๐ฅ + 2๐ฅ 2 ๐ฆ๐ง 2 โโโโ ๐๐ฆ + 2๐ฅ 2 ๐ฆ 2 ๐ง๐ โโโ๐ง ) ๐๐ฅ ๐๐ฆ ๐๐ง ๐ง โ. (โ๐) = ๐ ๐ ๐ (2๐ฅ๐ฆ 2 ๐ง 2 ) + (2๐ฅ 2 ๐ฆ๐ง 2 ) + (2๐ฅ 2 ๐ฆ 2 ๐ง) = 2๐ฆ 2 ๐ง 2 + 2๐ฅ 2 ๐ง 2 + 2๐ฅ 2 ๐ฆ 2 ๐๐ฅ ๐๐ฆ ๐๐ง 5 Asst. Prof. Mehmet Çayören b) If a vector field is defined as, ๐ด = ๐ฅ 2 ๐ฆ๐ง๐โโโโ๐ฅ + ๐ฅ๐ฆ 2 ๐ง๐โโโโ๐ฆ + ๐ฅ๐ฆ๐ง 2 โโโ ๐๐ง show that โ๐ด = โ(โ. ๐ด) โ โ × โ × ๐ด โ๐ด = โ2 ๐ด = ( โ๐ด = โ2 ๐ด = โโโโ ๐๐ฅ ๐2 ๐2 ๐2 + + ๐๐ฅ + ๐ด๐ฆ โโโโ ๐๐ฆ + ๐ด๐ง โโโ ๐๐ง ) ) (๐ด๐ฅ โโโโ ๐๐ฅ 2 ๐๐ฆ 2 ๐๐ง 2 ๐2 2 ๐2 ๐2 2 (๐ฅ (๐ฅ๐ฆ (๐ฅ๐ฆ๐ง 2 ) ๐ฆ๐ง) + ๐ โโโโ ๐ง) + ๐ โโโ ๐ฆ ๐ง ๐๐ฅ 2 ๐๐ฆ 2 ๐๐ง 2 โ๐ด = โ2 ๐ด = 2๐ฆ๐ง๐โโโโ๐ฅ + 2๐ฅ๐ง๐โโโโ๐ฆ + 2๐ฅ๐ฆ๐ โโโ๐ง โ(โ. ๐ด) = โ ( ๐๐ด๐ฅ ๐๐ด๐ฆ ๐๐ด๐ง + + โโโ๐ง ) = โ(2๐ฅ๐ฆ๐ง + 2๐ฅ๐ฆ๐ง + 2๐ฅ๐ฆ๐ง) = 6๐ฆ๐ง๐โโโโ๐ฅ + 6๐ฅ๐ง๐โโโโ๐ฆ + 6๐ฅ๐ฆ๐ ๐๐ฅ ๐๐ฆ ๐๐ง ๐โโโโ๐ฅ ๐ โ × โ × ๐ด = โ × || ๐๐ฅ ๐ด๐ฅ ๐โโโโ๐ฆ ๐ ๐๐ฆ ๐ด๐ฆ ๐๐ฅ โโโโ ๐โโโ๐ง ๐ ๐| = โ × || | ๐๐ฅ ๐๐ง ๐ด๐ง ๐ฅ 2 ๐ฆ๐ง ๐โโโโ๐ฆ โโโ ๐๐ง ๐ ๐ | ๐๐ฆ ๐๐ง | ๐ฅ๐ฆ 2 ๐ง ๐ฅ๐ฆ๐ง 2 โ × โ × ๐ด = โ × [๐โโโโ๐ฅ (๐ฅ๐ง 2 โ ๐ฅ๐ฆ 2 ) โ โโโโ ๐๐ฆ (๐ฆ๐ง 2 โ ๐ฅ 2 ๐ฆ) + โโโ ๐๐ง (๐ฆ 2 ๐ง โ ๐ฅ 2 ๐ง)] ๐โโโโ๐ฅ ๐ โ × โ × ๐ด = || ๐๐ฅ ๐ฅ๐ง 2 โ ๐ฅ๐ฆ 2 ๐โโโโ๐ฆ ๐๐ง โโโ ๐ ๐ || ๐๐ฆ ๐๐ง โ๐ฆ๐ง 2 + ๐ฅ 2 ๐ฆ ๐ฆ 2 ๐ง โ ๐ฅ 2 ๐ง โ × โ × ๐ด = โโโโ ๐๐ฅ (2๐ฆ๐ง + 2๐ฆ๐ง) โ โโโโ ๐๐ฆ (โ2๐ฅ๐ง โ 2๐ฅ๐ง) + โโโ ๐๐ง (2๐ฅ๐ฆ + 2๐ฅ๐ฆ) โ × โ × ๐ด = 4๐ฆ๐ง๐โโโโ๐ฅ + 4๐ฅ๐ง๐โโโโ๐ฆ + 4๐ฅ๐ฆ๐ โโโ๐ง โ(โ. ๐ด) โ โ × โ × ๐ด = (6๐ฆ๐ง๐โโโโ๐ฅ + 6๐ฅ๐ง๐โโโโ๐ฆ + 6๐ฅ๐ฆ๐ โโโ๐ง ) โ (4๐ฆ๐ง๐โโโโ๐ฅ + 4๐ฅ๐ง๐โโโโ๐ฆ + 4๐ฅ๐ฆ๐ โโโ๐ง ) โ(โ. ๐ด) โ โ × โ × ๐ด = 2๐ฆ๐ง๐โโโโ๐ฅ + 2๐ฅ๐ง๐โโโโ๐ฆ + 2๐ฅ๐ฆ๐โโโ๐ง 6
© Copyright 2026 Paperzz