EEE 431Computational Methods inElectrodynamicsLecture 2
By
Rasime Uyguroglu
Boundary Conditions
Maxwell’s Equations are partial differentialequations,
Boundary conditions are needed to obtain aunique solution,
Maxwell’s differential equations do not applyon the boundaries because the fields arediscontinuous
Our target is to determine the electric andmagnetic fields in a certain region of space dueto excitations satisfying the problem’sboundary conditions
Finite Conductivity Case
Finite Conductivity Case (Cont.)
Applying Faraday’s Law we get
As             the RHS vanishes and weget;
Or
Finite Conductivity Case (Cont.)
It follows that the tangential component ofthe electric field is continuous.
Finite Conductivity Case (Cont.)
Similarly, starting with the modifiedAmpere’s law
(no current J at the interface), we get:
Or
Finite Conductivity Case (Cont.)
   It follows that the tangential componentof the magnetic field intensity iscontinuous if there are no boundaryelectric currents.
Assuming there are no surface charges, Gauss’s law
gives
It follows that
Finite Conductivity Case (Cont.)
Or alternatively
But as,
Finite Conductivity Case (Cont.)
Normal components of the electric field arediscontinuous across the interface.
Finite Conductivity Case (Cont.)
Similarly, by applying Gauss’s law formagnetic fields we get
It follows that
Finite Conductivity Case (Cont.)
But as
Normal components of the magneticfields are discontinuous.
Finite Conductivity Case (cont.)
no interface surface magnetic currents
no interface surface electric currents
 
Finite Conductivity Case (cont.)
no interface surface electric charges, whenperfect dielectric materials are assumed (zeroconductivity):
no interface magnetic surface charges
Boundary Conditions withSources
Boundary conditions must be changed totake into account the existence ofsurface currents and surface charges.
Boundary Conditions withSources
Applying the modified Ampere’s law weget:
As
Boundary Conditions withSources
     is the surface current density in (A/m)
Boundary Conditions withSources
We see that:
Tangential components of the magnetic fieldintensity are discontinuous if surface electriccurrent density exists.
Boundary Conditions withSources (Cont.)
If medium 2 is a perfect conductor:
Similarly, starting with Faraday’s Law:
Boundary Conditions withSources (Cont.)
For a perfect conductor
Boundary Conditions withSources (Cont.)
Applying Gauss’s law for the showncylinder we have
Boundary Conditions withSources (Cont.)
Gauss’s Law:
Summary of the BoundaryConditions
We have,
Time Harmonic ElectromagneticFields
If sources are sinusoidal and themedium is linear then the fieldseverywhere are sinusoidal as well. Thefield at each point is characterized by itsamplitude and phase (Phasor).
Time Harmonic ElectromagneticFields (Cont.)
Example
Time Harmonic ElectromagneticFields (Cont.)
Similarly for all field quantities we canwrite:
Time Varying Electromagnetic Fields(Cont.)
Maxwell’s equations for the time-harmonic case are obtained by replacingeach time vector by its correspondingphasor vector and replacing
Time Harmonic ElectromagneticFields (Cont.)
Maxwell’s equation’sin time form:
Time Harmonic ElectromagneticFields (Cont.)
Maxwell’s Equation’s in phasor forms:
Time Harmonic ElectromagneticFields (Cont.)
Apply the same boundary conditions.
Wave Equation’s
Maxwell’s Equation’s are coupled firstorder differential equations which aredifficult to apply when solving boundaryvalue problems.
Wave equation is decoupled secondorder differential equation which is usefulfor solving problems.
Wave Equations
For a linear, isotropic, homogeneous,source free medium:
Wave Equation
We obtain the wave equation for H:
Wave Equation (Cont.)
Each of the vector equations has threecomponents:
Each component of the wave equationshas the form in free space:
Wave Equation (Cont.)
Wave equation in phasor form: