考題幾乎全由向量空間微積分與波動偏微分推導題所主導,一題分值常高達 20~25 分,極度考驗公式推導的邏輯與幾何積分的精準度:
●對稱幾何與邊界條件綜合計算題(申論必考大題,分值極高):
○案例:一個無限長圓柱體,半徑為 \(a\),內部充滿均勻電荷密度 \(\rho _{0}\)。其外圍覆蓋一層半徑從 \(a\) 到 \(b\) 的均勻非完美介電質(介電常數為 \(\varepsilon _{1}\)),最外層(\(r > b\))則為自由空間(\(\varepsilon _{0}\))。試求:
◆試利用高斯定律(Gauss's Law),分別推導並寫出在 \(r < a\)、\(a < r < b\) 及 \(r > b\) 三個區域的電位移向量 \(D\) 與電場強度向量 \(E\)。
◆試利用靜電場邊界條件,檢驗並說明在 \(r = a\) 與 \(r = b\) 交界面上,電場的切線分量與法線分量是否連續?
◆試計算該系統在 \(a < r < b\) 介質內部的總儲存靜電能量。
●影像法與靜電力推導題(每年必考大題):
○案例:一個正點電荷 \(q\) 放置於自由空間中,距離一個接地(\(V=0\))的無限大完美導電平面的垂直高度為 \(d\)。
◆試說明如何利用影像法(Method of Images)建立等效系統?畫出等效電荷配置圖。
◆試寫出導體上方空間任一座標點 \((x, y, z)\) 的電位 \(V\) 與電場 \(E\) 表示式。
◆試推導出導體表面上的感應表面電荷密度(\(\rho _{s}\))分佈函數,並證明導體表面感應出的總電荷量恰好為 \(-q\)。
●平面電磁波傳播與有損介質計量題:
○案例:一均勻平面電磁波在某一非磁性(\(\mu = \mu_0\))的有損介質中傳播,其電場瞬時式為 \(E(z, t) = 10 e^{-20z} \cos(2\pi \times 10^9 t - 50z) a_x\,\text{V/m}\)。試求:
◆該電磁波的衰減常數(\(\alpha \))、相位常數(\(\beta \))及角頻率(\(\omega \))。
◆該介質的皮膚深度(\(\delta \))與相速度(\(v_{p}\))。
◆試寫出與該電場相對應的磁場強度相量式 \(H(z)\)。
●傳輸線與阻抗匹配計算題:
○案例:一條無損傳輸線的特性阻抗為 \(Z_0 = 50\,\Omega\),其末端接上一個負載阻抗 \(Z_L = 100 + j50\,\Omega\)。試求:(1) 負載端的電壓反射係數 \(\Gamma \) 及其大小與相位;(2) 該傳輸線上的電壓駐波比(VSWR);(3) 若欲並聯一個純電抗元件進行匹配,該元件在距離負載端多遠的位置?