电磁场与电磁波媒质的电磁性质和边界条件
媒质的电磁性质和边界条件
磁导率
表示物质在磁场中导磁能力的物理量，单位为亨利/米（H/m）。
磁导
表示磁场中物质磁导能力的物理量，单位为亨利（H）。
电容率和电感率
电容率
表示电场中物质储存电荷能力的物理 量，单位为法拉/米（F/m）。
电感率
表示磁场中物质储存磁能能力的物理 量，单位为亨利/米（H/m）。
介电常数和磁导率
要点一
介电常数和磁导率的应用案例
介电常数：表示电介质极化程度的物 理量，单位为法拉（F）。
磁导率：表示磁性材料对磁场的影响 能力的物理量，单位为亨利（H）。
应用案例：在电磁波传播和微波工程 中，介电常数和磁导率的应用十分重 要。介电常数决定了电磁波在介质中 的传播速度和波长，而磁导率则影响 微波器件的性能。例如，在天线设计 和微波传输线中，需要选择具有适当 介电常数和磁导率的材料以确保电磁 波的正常传播和有效辐射。此外，介 电常数和磁导率的变化还可以用于制 造电磁波吸收材料和隐身技术等。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
06 结论
研究成果总结
媒质的电磁性质对电磁波的传播和散射具有重 要影响，研究媒质的电磁性质有助于深入理解 电磁波与物质相互作用的过程。
边界条件是描述媒质交界处电磁场行为的条件， 对于电磁波的传播和散射具有关键作用。
不同媒质的电磁性质和边界条件会导致电磁波 传播和散射的差异，这在实际应用中具有重要 的意义。
同一媒质间的边界条件
01
在同一媒质中，由于存在不均匀性或异常情况，电磁波的传播 也会受到限制或影响。
02
同一媒质间的边界条件描述了波在媒质中的传播行为，如吸收、
散射、折射等。
这些边界条件通常由物理定律和数学公式来描述，如波动方程、
电磁场与电磁波总结
电磁场与电磁波总结首先，电磁场是由带电粒子所产生的一种物质的存在状态，它是电磁相互作用的媒介。
电磁场可以通过电流、电荷或者磁体来产生，它包括电场和磁场两个部分。
电场是由电荷引起的，它的强度和方向由电荷的性质和位置决定。
磁场是由电流或者磁体引起的，它的强度和方向由电流大小和方向或者磁体性质和位置决定。
电磁场可以用矢量表示，它具有能量、动量和角动量等物理量。
电磁波是电磁场的一种传播形式，它是由振荡的电场和磁场组成。
电磁波具有极高的传播速度，它在真空中的速度接近光速，约为3×10^8米每秒。
电磁波可以根据频率不同分为很多种类，包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等。
不同频率的电磁波具有不同的性质和应用。
电磁场和电磁波具有许多特性和规律。
首先，电磁场遵循麦克斯韦方程组的规律，其中包括电场和磁场之间的关系、电荷和电流的守恒定律等。
电磁波是在麦克斯韦方程组的基础上通过推导得出的解。
其次，电磁场和电磁波在空间中传播时具有波动性质，它们可以发生折射、反射、干涉和衍射等现象。
电磁波的传播速度与频率和介质的性质有关。
当电磁波从一种介质传播到另一种介质时，会发生折射现象。
折射可以用斯涅尔定律来描述。
另外，电磁波的传播还受到衍射和干涉等现象的影响，这些现象对于解释电磁波的性质和应用具有重要意义。
电磁场和电磁波具有广泛的应用。
首先，无线通信是电磁波应用的重要领域之一、从无线电到移动通信，无线电波是信息传输的基础。
其次，电磁波在遥感和雷达中也发挥着重要作用。
通过接收和分析不同频率的电磁波，可以获取地球表面的信息，用于环境监测和资源探测等。
此外，电磁波还广泛用于医学诊断和治疗，如X射线和磁共振成像等。
除了应用领域，电磁场和电磁波的研究也对于理解物质结构和宇宙演化等问题具有重要意义。
总之，电磁场和电磁波是物理学中的重要概念，可以用来描述电磁现象和电磁辐射。
电磁场由电场和磁场组成，它可以通过电荷和电流来产生。
电磁场与电磁波教材
电磁场与电磁波摘要:电磁场与电磁波课程与电气专业息息相关，是我们电气专业学生必须学习的，这学期我们进行了电磁场与电磁波的学习。
主要讲解了矢量分析，电磁场的基本定律，时变电磁场，简述了静态电磁场极其边值问题的解。
第一章:矢量分析是研究电磁场在空间分布和变化规律的基本数学工具之一。
第二章以大学物理（电磁学）为基础，介绍电磁场的基本物理量和基本规律，第三章分别介绍了静电场、恒定电场和恒定磁场的分析方法。
第四章主要讨论时变电磁场的普遍规律。
一、矢量分析电磁场是是分布在三维空间的矢量场，矢量分析是研究电磁场在空间的分布和变化规律的基本教学工具之一。
1：标量和矢量(1) 标量：一个只用大小描述的物理量。
矢量：一个既有大小又有方向特性的物理量，常用黑体字母或带箭头的字母表示。
矢量一旦被赋予“物理单位”，则成为一个具有物理意义的矢量，如：电场强度矢量E 、磁场强度矢量H 、作用力矢量F 、速度矢量v 等。
(2) 两个矢量A 与B 相加，其和是另一个矢量D 。
矢量D=A+B 可按平行四边形法则得到：从同一点画出矢量A 与B ，构成一个平行四边形，其对角线矢量即为矢量D 。
两个矢量A 与B 的点积是一个标量，定义为矢量A 与B 的与它们之间较小的夹角的余弦之积。
(3) 两个矢量A 与B 的叉积是一个矢量，它垂直于包含矢量A 和B 的平面，大小定义为矢量A 与B 的与它们之间较小的夹角的正弦之积，方向为当右手四个手指从矢量A 到B 旋转时大拇指的方向。
2：标量场的梯度（1）等值面: 标量场取得同一数值的点在空间形成的曲面，形象直观地描述了物理量在空间的分布状态。
对任意给定的常数C ，方程C z y x u ),,(就是等值方程。
（2）梯度的概念：标量场u 在点M 处的梯度是一个矢量，它的方向沿场量u 变化率最大的方向，大小等于其最大变化率，并记作grad u,即 grad u= e l |max直角坐标系中梯度的表达式为grad u=,标量场u 的梯度可用哈密顿算符表示为grad u=()．u =（3）标量场的梯度具有以下特性：①标量场u 的梯度是一个矢量场，通常称▽u为标量场u 所产生的梯度场；②标量场u （M ）中，再给定点沿任意方向l 的方向导数等于梯度在该方向上的投影；③标量场u （M ）中每一点M 处的梯度，垂直于过该点的等值面，且指向u （M ）增加的方向。
波导的边界条件
波导的边界条件引言波导是一种用于传输电磁波的结构，常用于微波和光纤通信中。
波导的边界条件是指波导内外的电场和磁场满足的约束条件。
本文将全面、详细、完整地探讨波导的边界条件，包括边界条件的定义、类型、性质以及其对波导内部波的传播和特性的影响。
二级标题1：边界条件的定义三级标题1.1：电场和磁场的切向分量在波导边界上，电场和磁场的切向分量必须连续。
这意味着电场E和磁场H的切向分量在波导内外的共同边界上取相同的值。
三级标题1.2：法向电场和磁场的分量在波导边界上，电场和磁场的法向分量可能会发生变化，取决于边界材料的性质。
常见的边界条件有电场法向分量连续和磁场法向分量连续两种。
二级标题2：波导的边界条件类型三级标题2.1：理想导体边界条件理想导体是指具有无限高电导率和无限大的功率因数的材料。
在理想导体边界上，电场垂直于边界且强度为零，即E n=0。
磁场则必须满足磁场切向分量连续和磁场法向分量连续的边界条件。
三级标题2.2：理想介质边界条件理想介质是指具有无限高绝缘性能的材料。
在理想介质边界上，电场必须满足电场切向分量连续和电场法向分量连续的边界条件，即E t1=E t2和D n1=D n2。
磁场则可以发生变化。
三级标题2.3：混合边界条件混合边界条件是指波导边界上既有理想导体又有理想介质的情况。
混合边界条件要求电场和磁场的切向分量和法向分量均连续。
二级标题3：边界条件的性质三级标题3.1：唯一性定理唯一性定理指出，如果波导中的电磁场满足波动方程和边界条件，那么该波导中的电磁场解是唯一的。
三级标题3.2：边界条件和模式的关系不同的边界条件会导致不同的波导模式。
例如，理想导体边界条件将产生截止频率，低于截止频率的波将无法在波导中传播。
三级标题3.3：边界条件对波导特性的影响波导的边界条件决定了波导中电磁场的分布和传播特性。
边界条件的改变可能会改变波导的色散关系、带宽、损耗等特性。
三级标题3.4：边界条件与波导的有效性波导的边界条件必须恰当地选择，以确保波导能够有效地传输电磁波。
电磁场与电磁波知识点总结
电磁场与电磁波知识点总结电磁场知识点总结篇一电磁场知识点总结电磁场与电磁波在高考物理中属于非主干知识点，多以选择题的形式出现，题目难度较低，属于必得分题目，重点考察考生对基本概念的理解和掌握情况。
下面为大家简单总结一下高中阶段需要大家掌握的电磁场与电磁波相关知识点。
电磁场知识点总结一、电磁场麦克斯韦的电磁场理论：变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场。
理解：* 均匀变化的电场产生恒定磁场，非均匀变化的电场产生变化的磁场，振荡电场产生同频率振荡磁场* 均匀变化的磁场产生恒定电场，非均匀变化的磁场产生变化的电场，振荡磁场产生同频率振荡电场* 电与磁是一个统一的整体，统称为电磁场（麦克斯韦最杰出的贡献在于将物理学中电与磁两个相对独立的部分，有机的统一为一个整体，并成功预言了电磁波的存在）二、电磁波1、概念：电磁场由近及远的传播就形成了电磁波。
（赫兹用实验证实了电磁波的存在，并测出电磁波的波速）2、性质：* 电磁波的传播不需要介质，在真空中也可以传播* 电磁波是横波* 电磁波在真空中的传播速度为光速* 电磁波的波长=波速*周期3、电磁振荡LC振荡电路：由电感线圈与电容组成，在振荡过程中，q、I、E、B 均随时间周期性变化振荡周期：T = 2πsqrt[LC]4、电磁波的发射* 条件：足够高的振荡频率；电磁场必须分散到尽可能大的'空间* 调制：把要传送的低频信号加到高频电磁波上，使高频电磁波随信号而改变。
调制分两类：调幅与调频# 调幅：使高频电磁波的振幅随低频信号的改变而改变# 调频：使高频电磁波的频率随低频信号的改变而改变（电磁波发射时为什么需要调制？通常情况下我们需要传输的信号为低频信号，如声音，但低频信号没有足够高的频率，不利于电磁波发射，所以才将低频信号耦合到高频信号中去，便于电磁波发射，所以高频信号又称为“载波”）5、电磁波的接收* 电谐振：当接收电路的固有频率跟收到的电磁波频率相同时，接受电路中振荡电流最强（类似机械振动中的“共振”）。
媒质的电磁性质和边界条件
媒质的电磁性质和边界条件众所周知，物质是由原子核和电子组成的，原子核带正电，电子带负电。
就是说任何物质材料，不论是气体、液体还是固体都含有带电粒子，这些带电粒子的周围一定存在着电场；同时电子一方面绕原子核运动，另一方面也作自旋运动，电荷的运动形成电流，这些电流周围存在磁场。
从微观上看，材料中这些带电粒子是存在电磁效应的，但从宏观上看，由于相邻原子产生的场相互抵消，及大量带电粒子热运动的平均结果，使自然状态下的物质仍呈现电中性。
倘若存在外加电磁场，则由于带电粒子和外加电磁场的相互作用，介质的分子电矩和磁矩将部分或全部取向一致，引起宏观电或磁效应，相当于在材料内部存在附加的场源，这样就需要对真空中的电磁学定律作进一步推广。
在第二章中，我们研究了在真空（或近似真空的空气）中电磁场各场量，如H B D E和,,所遵循的普遍规律，并得到一组麦克斯韦方程组。
麦克斯韦方程组的积分形式描述大尺度（如一个线段、曲面或体积）上的电磁特性，而微分形式描写空间任意一点的电磁场，但归根结底两者描述的仍然是宏观电磁现象。
这一章我们要研究物质的微观模型和性质,把麦克斯韦方程组推广到一般电磁材料中去.本章先研究由材料中带电粒子和电磁场的相互作用而产生的三个基本现象：传导、极化和磁化。
每一种物质在电磁场中均有传导、极化和磁化三种现象，根据某种主要的现象，可将材料分为导体、半导体、电介质和磁介质等。
讨论材料的电磁性质之后，我们可获得三个物态方程和一般媒质中的麦克斯韦方程组。
最后我们研究在不均匀媒质中电磁场所遵循的规律——边界条件。
§3.1 电场中的导体导体是一种含有大量可以自由移动的带电粒子的物质。
导体可分为两种——金属导体和电解质导体。
金属导体的导电靠的是自由电子，由于自由电子的质量比原子核的质量小得多，所以导电过程中没有明显的质量迁移，也不伴随任何化学变化。
而碱、酸、和盐溶液等电解液则属于第二种导体，其导电靠的是带电离子，导电过程中伴随有质量迁移，也要发生化学变化。
吸收边界条件,阻抗边界条件,响应边界条件,辐射边界条件-概述说明以及解释
吸收边界条件,阻抗边界条件,响应边界条件,辐射边界条件-概述说明以及解释1.引言1.1 概述本文旨在介绍不同类型的边界条件，包括吸收边界条件、阻抗边界条件、响应边界条件和辐射边界条件。
在仿真和建模领域中，边界条件的选择和应用对于准确模拟和分析电磁问题至关重要。
吸收边界条件是一种用于模拟无限大空间中的电磁问题的技术。
通过在仿真模型的边界上引入吸收材料，能够有效地消除反射并吸收通过边界传播的电磁波。
本文将详细介绍吸收边界条件的原理、应用和优势。
阻抗边界条件是一种在电磁波传播问题中常用的边界条件。
它模拟了电磁波在传播过程中遇到的边界上的阻抗。
阻抗边界条件常用于模拟导体表面的电磁问题，例如导体内的电流分布和电磁波的反射和传播。
本文将探讨阻抗边界条件的应用领域、数学描述和数值求解方法。
响应边界条件是一种在传输线和波导等电磁结构模拟中常用的边界条件。
它通过限定边界处的电磁场响应来刻画边界的特性。
响应边界条件能够有效地解决电磁波与电磁结构边界之间的相互作用问题，以及信号在导体间的传输问题。
本文将探讨响应边界条件的基本原理、适用范围和求解方法。
辐射边界条件是一种用于模拟辐射场的特殊边界条件。
它通过描述辐射场与边界的相互作用来模拟电磁波辐射问题。
辐射边界条件常用于天线、散射和辐射场的仿真和分析中。
本文将详细介绍辐射边界条件的原理、应用和准确性评估。
通过研究和了解吸收边界条件、阻抗边界条件、响应边界条件和辐射边界条件的原理和应用，我们可以更准确地模拟和分析各种电磁问题。
这将为电磁波的传播、电磁结构的设计和电磁场的控制提供有力的工具和方法。
在接下来的章节中，我们将详细讨论每种边界条件的要点和实际应用。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以按照以下方式进行编写：本文共分为三个主要部分：引言、正文和结论。
在引言部分，我们首先对边界条件进行了概述，包括吸收边界条件、阻抗边界条件、响应边界条件和辐射边界条件。
然后，我们介绍了本文的结构，包括各个章节的内容和组织方式。
电磁场的源与边界条件
q 所趋近的极限值就定义为点 P 的电 V
(r ) lim
式中 r 是源点的位失。
V 0
q dq V dV
2、 电荷面密度 在实际问题中，常会遇到电荷分布在薄层内的情况，如果薄层的厚度趋近于零，可近似 认为电荷分布在曲面上， 可以用电荷面密度 S (r ) 来描述其分布。 设曲面 S 上任一面元 S 内所包围的电荷量为 q ，则 S (r ) 定义为
3、磁感应强度 B 的散度、旋度和边界条件 （1）磁感应强度 B 的散度 根据磁通连续性原理的微分形式可知恒定磁场为无散场，故
B0
磁通连续性原理表明自然界无孤立的磁荷存在。上式即为麦克斯韦第二方程的微分形式。 （2）磁感应强度 B 的旋度 根据安培环路定理可得恒定磁场的磁感应强度 B 的旋度为
二、
电流及电流分布
电荷做定向运动形成电流，通常以电流强度来描述其大小。在电磁理论研究中，常用到 体电流模型，面电流模型和线电流模型。 1、 体电流 电荷在某一体积内定向流动形成的电流成为体电流。体电 流在导体内某一截面的分布用电流密度矢量 J 来描述，其定义 为：空间任一点 J 的方向是该点正电荷运动的方向， J 的大小 等于通过该点与 J 垂直的单位面积的电流，即
Nqd dS P dS P endS
因此，穿出闭合面 S 的正电荷为 P dS 。与之对应，留在闭合面 S 内的极化电荷量为
S
q p P dS PdV
S V
又由于
qP P dV
V
故有
P P
（2）极化强度 P 的旋度 对于各向同性和线性介质，有 P e 0 E ，其中合成电场强度 E 为自由电荷产生的外 电场 E 0 和极化电荷产生的附加电场 E 的叠加，由于两种电场强度的旋度都为零，故
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
6.介质的击穿
介质的击穿： 当电介质上的外加电场足够大时 ，束缚电荷有可能克服原子结构的吸引力，成 为自由电荷。此时，介质呈现导体特性。
击穿场强： 介质所能承受的最大电场强度。它 在高压技术中是一个表征材料性能的重要参数。
三、磁介质
1.磁介质的磁化
? 磁偶极矩
r pm
?
r IdS
I —分子电流
Am 2
3. 极化电荷（束缚电荷）
由于电场作用产生极化 ,从而使介质内部出
现极化体电荷 ,介质表面出现极化面电荷 .我们
定义:
极化体电荷密度 极化面电荷密度
r
?P ? ??? P
? Ps
?
r P
?
r a
n
若电介质中还存在自由电荷分布时，电介质中 一点总的电位为：
? ? ?A
?
1
4π?0
?V ? ? P dV?? 1
? 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。
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：由自由电子导电 电解质导体：由带电离子导电
2. 极化强度
为了描述介质极化的状态， 引入极化强度 矢量.定义单位体积内的电偶极矩为 极化强度 矢量(Polarization Intensity Vector), 即
ur
r P?
lim ?
p
?V? 0 ? V
C / m2
式中 ?为p体积元 内?电V偶极矩的矢量和，
pr的方向从负极化电荷指向正极化电荷。
（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；
（4）感应电荷只分布在导体表面上，导体内 部感应电荷为零。
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：
随着温度的升高，电导率明显增大。不同材料的电导率数源自见教材上表 3-1。二、电介质
1.电介质的极化
(1)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(Polarized) 。
(2)分类
非极性分子
位移极化
极性分子
取向极化
(3)极化的结果
极化的结果是在电介质的内部和表面形成 极化 电荷， 这些极化电荷在介质内激发出与外电场方 向相反的电场 ,从而使介质中的电场不同于介质外 的电场。
?vd
?
v
??eE
式中：?
称为电子的迁移率，
e
其单位为 (m。2/V ?s)
v 故电流密度为： J C
?
? Nee?vd
可得：
v JC ?
v
Nee? eE
如图，单位时间内通过 dS的电量为：
dq ? ? Nee? ddS
式中：Ne为自由电子密度。
?导体材料的物态方程
v
v
J C ? Nee? eE
若设：? ? ?e Nee
媒质的电磁性质 和边界条件
引言 导体 电介质 磁介质 媒质中的麦克斯韦方程组 电磁场的边界条件
引言
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。
V? R
4 π? 0
? PS dS?
S? R
4. 电介质中的高斯定理
?
? ?E ?
?v ?0
????v0b??
?v ? ? ?0
? ?P
?
? ? (?0E ? P) ? ? v
? ??
?
?
? ? D ? ?v
?
? ? D? ? ?0E ? P
? ? Ddv ?
V
V ? vdv
?
? ? 介质中的
?D ? dS ? q S
2. 静电场中的导体
?在自然状态下，导体中自由电子所带负电荷 和原子核所带正电荷处处等量分布，相互抵消， 因此导体呈电中性状态。 ?在外加静电场的作用下，导体中自由电子做 宏观定向运动，使电荷重新分布，称之为 静电 感应现象 。
?由于导体内部感应电荷产生的内电场的方向 与外电场的方向相反，且逐渐增强。所以当两 者相等时，导体内部总电场为零，电荷定向运 动终止，电荷分布不随时间改变，达到 静电平 衡状态。 ?达到静电平衡状态的导体具有以下状态。
v
v
则： J C ? ? E
导体的电导率
描述导电材料的电磁特性的物态方程。
4. 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，e ?）e 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。
(2)半导体材料 ： ? = ? e Nee ? ? h Nhe
?
r pm
?
0
2. 磁化强度
磁化强度的定义：单位体积内，所有磁矩
的矢量和。
? v
M ? lim
r pmi
?V? 0 ? V
如果 Mv，? 说0 明该物质已经被磁化。
3. 束缚电流（磁化电流）
r
r
Jm ? ?? M
r r
J ms
?
r M
?
r an
a 为媒质表面外法线方向 n
介质磁化后束缚电流在空间产生的矢量磁位 ：
磁偶极子
电子轨道磁矩 主要考虑 原子磁矩 电子自旋磁矩
原子核自旋磁矩
? ? 在没有外磁场作用时
r pm
?
0
? 在外磁场的作用下，发生磁化现象。
在外磁场作用下，物质中的 原子磁矩都将受到一个扭矩作 用，所有原子磁矩都趋于和外 磁场方向一致排列，结果对外 产生磁效应，这种现象称为物 质的磁化。
磁偶极子受 磁场力而转动
令：?r ? 1? ? e
v
vv
D ? ?r?0E ? ? E
电介质的物态方程
其中：?r 称为相对介电常数。
材料的介电常数表示为：? ? ?r?0 ? 各向同性：媒质的特性不随电场的方向而改变 ,
反之称为各向异性；
? 线性：媒质的参数不随电场的值而变化；
? 均匀：媒质参数不随空间坐标（ x,y,z ）而变化。
高斯定理
?从形式上看，真空中和介质中的高斯定理完 全 在一可样Dr中，。但事实上，计划电荷的影响已经包含
?穿过任意封闭曲面的电通量，只与曲面中包 围的自由电荷有关，而与介质的极化状况无关。
5. 电介质的物态方程
v vv
D ? ?0E ? P
v
v
D ? (1? ? e )?0E
v
v
已知：P ? ? e?0 E