西北工业大学：《电磁场与电磁波》课程教学资源（PPT电子教案）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KK心 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KK心 引言 微波炉的工作原理 冷微波炉是利用电磁波的能量来加热食物的。 冷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。 冷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 H H O H+1 H CH+++I H+

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KK心 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 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KK心 、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:由自由电子导电。 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 E (1)导体为等位体 ++++++ E (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(E1=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(n=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KK心 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 e- 电子速度称为漂移速度: E⊕ E 式中:称为电子的迁移率, 如图: 其单位为(m2/V.s)。 单位时间内通过dS的 故电流密度为 电量为: ev dq=-neevads 可得:Jc=Ne/E 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KK心 4.导电材料的物态方程 J=Neue 若设:G=Ne 导体的电导率 则:JC=aE 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KK心 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,1)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:=kNe+nNne 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KK心 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。 电介质分子可分为两类:』无极分子 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KK心 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B 电荷的现象,称为电介质的极化。 G (1)无极分子的极化:位移极化演示 E 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KK心 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△中所有分子的电矩矢量和为∑P 极化强度为 ∑p =lm △→>0△ 极化强度的单位是C/m2。 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

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