海水中电磁波传播特性的研究

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1、------------------------------------------------------------------------------------------------海水中电磁波传播特性的研究1摘要：利用电磁场传播所满足的Maxwell方程组，计算和分析出电磁波在导电媒质中传播时的特征；并以海水为例，得出一些有意义的结论，为海水中通信、信号探测、引信研究等方面工作提供理论依据。关键词：导电媒质；电磁波；传播一.前言对海水中一般性的电磁问题已进行过初步的讨论分析，尽管只有低频电磁波在海水中能传播可观的距离，但电磁波在

2、其中传播时所呈现出来的性质和在普通绝缘媒质中有很大的区别。正是这些特异性质引起了广泛的关注，并且已开始在众多应用中得到体现。以电磁场传播所满足的Maxwell方程组为出发点，计算和分析了电磁波在导电媒质中传播时的一些特征，并以海水这种导电媒质为例，分析了电磁波在其中传播时的特征，得到一些有意义的结论。二.主体1电磁波传播时导电媒质中电荷的分布特征对于均匀的导电媒质，根据以下方程：电流连续方程??6?109(??N)?1?欧姆定律的微分形式j??E介质中的高斯定理??E???——————————————————————————————————

3、————------------------------------------------------------------------------------------------------其中：j为电流密度矢量；?为电荷分布体密度；?为介质的电容率。可得出导电媒质中的电荷分布体密度满足微分方程：????????t从而解得任意时刻的电荷体密度为：?(t)??0e?(t?t0)??可见：电磁波经过时，导电媒质中的电荷分布的体密度随时间呈指数衰减,若初始时电荷体密度为0，则以后保持为0，与有无电磁波在其中传播无关。由各种导电媒质的?、

4、?可以计算?的衰减快慢。例如海水，取??4.4(??m)?1，2??0.7?10?9N/m，可以计算??6?109(??N)?1，可见其衰减是很快的，也就是?说，在均匀导电媒质中不可能有净的自由电荷出现。衰减的电荷实际上是在定向运动，必将在导电媒质表面和非均匀处重新出现。2电磁波在导电媒质中的传播特征电磁波在导电媒质中传播时，振幅不断衰减，电场和磁场强度矢量不再同相，存在色散现象；同时磁场强度比电场强度大得多，电磁波能量中以磁场能量为主，且传播时存在返流现象，这是电磁波在导电媒质中传播时出现的特殊性质。由麦克斯韦方程组，可得H、E和均匀非损

5、耗媒质中的一样，仍然满足亥姆霍兹方程:?2E(H)?k2E(H)?0——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------其中：k2???2??i???。r??t))，(1)方程的解仍然可为平面单色波形式E?E0exp(i(k?H?H0exp(i(k?r??t))，但波矢量为一复数矢量。为简单起见，可设波矢量沿某单一方向，此时其实

6、部与虚部均为单一方向的矢量，波矢量可表示为：11??22??11??k??1??i1??k0?(??i?)k0???2?2????121?其中：k为波传播方向的单位方向矢量；??1?；?2?1???1?。?2?12将它们代入平面波表达式中，可见此时的平面波为阻尼横波E0exp(??k0?r)exp(i(?k0?r?w?t))，其振幅有衰减，这是因为自由电子在入射电场的驱动下形成电流，部分电磁场的能量转变成焦耳热．(2)此时电磁波的等相面的速度可由?k0?r??t?const，两边求导得到：v???，可见即使媒质的电磁性质?、?、?和频率无关

7、，色散现象仍然存在。?(3)将E、H的表达式代入麦克斯韦方程组中，即可以得到两者的关系式为：3H?1——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------?i????E?1??kei?k0?E它们的振幅关系为：H0???kei?k0?E0，其中：??arctan()??由此可见，电场和磁场不同相，相差为?。同时很容易计算振幅的大小

8、比为：对于一般的良导体(位几乎落后45?。(4)可以计算瞬时能流密度矢量，即：2S?Re(E)?Re(H)?kE0exp(2?(k0?r))cos(?(k0?r)??t)?cos