中国地质大学（武汉）：《电磁场与电磁波 Electromagntic Fields and Electromagntic waves》课程教学资源（课件讲稿）第3章 媒质的电磁性质和边界条件

电磁场与电磁波 第3章媒质的电磁性质和边界条件 合≤K>I 第3章媒质的电磁性质和边界条件 引言 一、导体 二、电介质 三、磁介质 四、媒质中的麦克斯韦方程组 五、电磁场的边界条件

电磁场与电磁波 第3章 媒质的电磁性质和边界条件 第3章 媒质的电磁性质和边界条件 一、 导体 二、电介质 三、 磁介质 四、媒质中的麦克斯韦方程组 五、电磁场的边界条件 引言

电磁场与电磁波 第3章媒质的电磁性质和边界条件 合长CKI 引言 微波炉的工作原理 微波炉是利用电磁波的能量来加热食物的。 ÷微波炉由一个磁控管将电能转化为电磁波，然后照射到食 物上。 食物被电磁场加热的原因：因为食物中含有水分子，而水 分子具有一定的电偶极矩，在高频电磁场作用下，正负电 荷将受到电场力的作用，电偶极矩发生迅速变化和旋转， 使得水分子运动加剧，温度上升，熟化食物。 H+ H+1

电磁场与电磁波 第3章 媒质的电磁性质和边界条件  微波炉是利用电磁波的能量来加热食物的。  微波炉由一 个磁控管将电能转化为电磁波，然后照射到食 物上。  食物被电磁场加热的原因：因为食物中含有水分子，而水 分子具有一定的电偶极矩，在高频电磁场作用下，正负电 荷将受到电场力的作用，电偶极矩发生迅速变化和旋转， 使得水分子运动加剧，温度上升，熟化食物。 微波炉的工作原理 1 H  2 O  1 H  1 H  2 O  1 H  1 H  2 O  1 H  1 H  2 O  1 H  引言

电磁场与电磁波 第3章媒质的电磁性质和边界条件 合长CKI 媒质在电磁场作用下可发生现象： ©导体的传导现象： 在外电场的作用下，这些带电粒子将发生定向运动， 形成电流。这种现象称为传导。能发生传导现象的材料称 为导体。 ©电介质的极化现象： 这种在外加电场作用下，分子的电偶极矩将增大或发 生转向的现象称为电介质的极化现象。 ©磁介质的磁化现象： 还有一些材料对磁场较敏感，例如螺丝刀在磁铁上放 一会儿，螺丝刀就具有一定的磁性，能吸起小螺钉。这种 现象称为磁化现象。能产生磁化现象的材料称为磁介质

电磁场与电磁波 第3章 媒质的电磁性质和边界条件 ☺导体的传导现象： 在外电场的作用下，这些带电粒子将发生定向运动， 形成电流。这种现象称为传导。能发生传导现象的材料称 为导体。 ☺电介质的极化现象： 这种在外加电场作用下，分子的电偶极矩将增大或发 生转向的现象称为电介质的极化现象。 ☺磁介质的磁化现象： 还有一些材料对磁场较敏感，例如螺丝刀在磁铁上放 一会儿，螺丝刀就具有一定的磁性，能吸起小螺钉。这种 现象称为磁化现象。能产生磁化现象的材料称为磁介质。 媒质在电磁场作用下可发生现象：

电磁场与电磁波 第3章媒质的电磁性质和边界条件「 合长K>】 一、导体 1.导体的定义：含有大量可以自由移动的带电粒子的物质。 金属导体：由自由电子导电。 导体分为两种 电解质导体：由带电离子导电。 2.静电场中的导体 静电平衡状态的特点演示 (1)导体为等位体； 夕内 (2）)导体内部电场为零； (3)导体表面的电场处处与导体表 面垂直，切向电场为零(E,=O); (4)感应电荷只分布在导体表面上，导体内部感应电 荷为零(pr=0)

电磁场与电磁波 第3章 媒质的电磁性质和边界条件 一、导体 1. 导体的定义：含有大量可以自由移动的带电粒子的物质。 导体分为两种 金属导体： 电解质导体： 由自由电子导电。 由带电离子导电。 2. 静电场中的导体 静电平衡状态的特点演示 （1）导体为等位体； （2）导体内部电场为零； （3）导体表面的电场处处与导体表 面垂直，切向电场为零 (Et  0) ；  （4）感应电荷只分布在导体表面上，导体内部感应电 荷为零 ( 0) V  。 + + + + + + - - - - - - E外 E内

电磁场与电磁波 第3章媒质的电磁性质和边界条件 合≤K>I 3.恒定电场中的导体 将一段导体与直流电源连接，则导体内部会存在恒定电场。 导体中的自由电子受到电场力的 作用，逆电场方向运动。其平均 ds ⊕ 电子速度称为漂移速度： ⊕ 4=-4E 式中：4称为电子的迁移率， 如图： 其单位为(mV.s)。 单位时间内通过dS的 故电流密度为：Jc=-Nea 电量为： dg=-N.evadS 可得：Jc=Ne4E 式中：N为自由电子密度

电磁场与电磁波 第3章 媒质的电磁性质和边界条件 3. 恒定电场中的导体 将一段导体与直流电源连接，则导体内部会存在恒定电场。 导体中的自由电子受到电场力的 作用，逆电场方向运动。其平均 电子速度称为漂移速度：   d e   E 式中： 称为电子的迁移率， 其单位为 。  e 2 (m /V s)  如图： 单位时间内通过 的 电量为： dS e d d d q N e S    式中：Ne 为自由电子密度。 故电流密度为： C e d J N e    C e e 可得： J N e E  

电磁场与电磁波 第3章媒质的电磁性质和边界条件「 合≤K>I 4.导电材料的物态方程 Jc Neu E 若设：o=4.Ne一 导体的电导率 则： j。=o龙 描述导电材料的电磁特性的物态方程

电磁场与电磁波 第3章 媒质的电磁性质和边界条件 C e e J N e E   若设：    e e N e C 则： J E  描述导电材料的电磁特性的物态方程。 导体的电导率 4. 导电材料的物态方程

电磁场与电磁波 第3章媒质的电磁性质和边界条件 合长K>】 5.导体的电导率 电导率是表征材料导电特性的一个物理量。 电导率除了与材料性质（如N。,4)有关外，还与环境 温度有关。 (1)导体材料： 随着温度的升高，金属电导率变小。有些导体在低温条件 下电导率非常大，使电阻率趋向于零，变成超导体。 如铝在时1.2K时，就呈现超导状态。 (2)半导体材料：o=4eNe+4,Ne 随着温度的升高，电导率明显增大。 不同材料的电导率数据见教材上表3-1

电磁场与电磁波 第3章 媒质的电磁性质和边界条件 5. 导体的电导率 电导率是表征材料导电特性的一个物理量。 电导率除了与材料性质（如 ， ）有关外，还与环境 温度有关。 Ne e (1)导体材料： 随着温度的升高，金属电导率变小。有些导体在低温条件 下电导率非常大,使电阻率趋向于零，变成超导体。 如铝在时 1.2K 时，就呈现超导状态。 不同材料的电导率数据见教材上表3-1。 (2)半导体材料： 随着温度的升高，电导率明显增大。    = e e h h N e N e 

电磁场与电磁波 第3章媒质的电磁性质和边界条件 合长K>I 二、电介质 1.电介质的特性 电介质是一种绝缘材料，在外电场作用下不能发生传导现 象，可以发生极化现象。 电介质有多种形态：固态，液态和气态。 无极分子 电介质分子可分为两类： 有极分子 无极分子：当外电场不存在时，电介质中分子的正负电荷 的“重心”是重合的。 有极分子：当外电场不存在时，电介质中的正负电荷“重心” 不重合，因此每个分子可等效为一个电偶极子

电磁场与电磁波 第3章 媒质的电磁性质和边界条件 二、电介质 电介质是一种绝缘材料，在外电场作用下不能发生传导现 象，可以发生极化现象。 电介质有多种形态：固态，液态和气态。 电介质分子可分为两类： 无极分子 有极分子 当外电场不存在时，电介质中分子的正负电荷 的“重心”是重合的。 当外电场不存在时，电介质中的正负电荷“重心” 不重合，因此每个分子可等效为一个电偶极子。 1. 电介质的特性 无极分子： 有极分子：

电磁场与电磁波 第3章媒质的电磁性质和边界条件 合K 2、电介质的极化 定义：这种在外电场作用下，电介质中出 现有序排列的电偶极子，表面上出现束缚 电荷的现象，称为电介质的极化。 (1)无极分子的极化：位移极化演示 在外电场作用下，由无极分子组成的电介质中，分子的正 负电荷“重心”将发生相对位移，形成等效电偶极子。 (2)有极分子的极化：转向极化演示 在外电场作用下，由有极分子组成的电介质，各分子的 电偶极矩转向电场的方向

电磁场与电磁波 第3章 媒质的电磁性质和边界条件 2、电介质的极化 定义：这种在外电场作用下，电介质中出 现有序排列的电偶极子，表面上出现束缚 电荷的现象，称为电介质的极化。 (1)无极分子的极化：位移极化演示 (2)有极分子的极化：转向极化演示 在外电场作用下，由无极分子组成的电介质中，分子的正 负电荷“重心”将发生相对位移，形成等效电偶极子。 在外电场作用下，由有极分子组成的电介质，各分子的 电偶极矩转向电场的方向

电磁场与电磁波 第3章媒质的电磁性质和边界条件 合长K>】 3.极化强度 极化强度：描述电介质极化程度的物理量。 极化强度定义：单位体积中分子电矩的矢量和。 设介质中任一小体积△V中所有分子的电矩矢量和为∑D, 极化强度为： ∑n P=lim AV→0 △V 极化强度的单位是C/m。 介质中的每一点极化强度矢量与该点的电场强度成正比，即 =E 称为电极化系数

电磁场与电磁波 第3章 媒质的电磁性质和边界条件 3. 极化强度 极化强度：描述电介质极化程度的物理量。 设介质中任一小体积 中所有分子的电矩矢量和为 ， 极化强度为： V i i  p 0 lim i i V p P   V    极化强度的单位是 C/m2 。 P E   e 0 介质中的每一点极化强度矢量与该点的电场强度成正比，即 称为电极化系数。 极化强度定义：单位体积中分子电矩的矢量和