导电介质中的电磁波课件.ppt

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1、导电介质中的电磁波1.导电介质的一般模型4.等离子体对波的反射重点：3.导电介质中的电磁波2.导电介质在高频与低频时的特性以导电媒质作为模型来讨论电磁波在其中的传播情况,模型建立在萨姆菲尔德（Sommerfeld）、德鲁德（Drude）和洛伦兹（Lorentz）等人的理论研究基础之上的，思路１　导电介质的一般模型修改描述分子或原子中的电荷特性的一般模型，使其能够适用于金属介质。原子中移动电荷的受力方程为低密度介质的折射率关系式为上式仅仅适用于气体，而对于密度较高的物质,如液体或固体，由于其中分子极化形成偶极子从

2、而产生局部场的原因，上式需要修改。但是金属分子或原子中的自由电荷不可能发生极化，因而对于高密度的金属媒质,上式无需修改。另一方面，由于自由电荷没有被束缚在原子周围，所以不存在着正比于位移的恢复力，同时这些电荷在原子内部也没有自然频率或谐振频率。为了利用上述一般模型来描述金属,在上面式中令于是上面的两个式子变为接下来，我们来建立这些微观模型参数与金属的电导率对于各向同性的导体,电流与场成正比，所以有在一维坐标中，则有如果电荷在x方向的平均运动速度为，那么电流则为对于单个的电荷,有由于或稳恒电流受两个相反因素的影响

3、：（i）场加速电荷的移动（ii）与晶格的碰撞减缓电荷的移动。电流得以稳恒是这两种影响平均后的结果，即其平均加速度为零。如果由2　导电介质在高频或低频时的特性1、介质的折射率与导电介质的频率特性上式变为可解得根据此式便可以定性地描述金属介质在高频或低频情况下的特性。显然,当ω→∞时，有和此时,这意味在这种假设模型下高频电磁波能够穿过金属。在低频情况下为有限值，电磁波将会有着明显的衰减。令由可知频率越高，越小（即衰减系数越大）因此，和与频率的关系应该是一种非线性关系。这种非线性关系使得电磁波在导电介质中的穿透性呈现

4、两段不同的特征，如图所示。由图可定性地看到：在低于某个频率的范围内，随着频率的增加，电磁波会呈现明显的衰减，从而表现出穿透性变差的情况，这时将出现所谓的趋肤效应；当频率高于某个数值后，电磁波会随着频率的增加呈现极好的穿透性。当电磁波的振幅衰减到时，有即因为电磁波能量与其幅值的平方成正比，所以在经过了这个传播距离之后，辐射功率就衰减到.2、导电介质的趋肤深度若将复折射率表示为那么,平面极化波中场强表示式可变为又从前面的平面极化波中场强表示式可知所以折射率的虚部决定了波穿过介质时被衰减的程度，因此当我们研究电磁波在

5、金属中的传播问题时，需要求出该金属的若将电磁波的振幅衰减到时它在介质中的趋肤深度或穿透深度定义为，根据就可以测量出电磁波在开始明显衰减之前的传播距离。3、导电介质的趋肤效应导电介质通常是作为导体来使用的，但是，当交变电流通过导体时，电流密度在导体横截面上的分布将是不均匀的，并且随着电流变化频率的升高，导体上所流过的电流将越来越集中于导体的表面附近，导体内部的电流却越来越小，这种现象称为趋肤效应。定义引起趋肤效应的原因就是涡流，当交变电流通过导体时，在它的内部和周围空间就产生环状的交变磁场，而在导体内部的交变磁场

6、激发了涡流。根据楞次定律，感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因的，所以涡流的方向在导体内部总与电流的变化趋势相反，即阻碍电流的变化。而在导体表面附近，涡流的方向却与电流的变化趋势相同。于是，交变电流不易在导体内部流动，而易于在导体表面附近流动，这就形成了趋肤效应。原因效果趋肤效应使得导体在传输高频（微波）信号时效率很低，因为信号沿它传送时衰减很大。趋肤效应可由导电媒质的麦克斯韦方程所验证。首先推导出在导电区域的电流密度方程，然后获得载流导体的表面阻抗，证明它正比于频率的平方根。验证在良导体中，位移电流远远小

7、于传导电流，于是麦克斯韦第四方程为在导电媒质中即就是导电媒质中电流密度的一般波动方程。实际上，它就是决定导体内涡流的方程。对麦克斯韦第二方程的时谐形式两端取旋度：可得代入上式得接下来讨论导电介质中的分布情况假设导体在x方向的长度为总电流在z方向以电流密度的形式分布。在处，；在处，（介质区）。为了维持导体内的有限电流，时，。电流密度必须只是y的函数，因为它在x方向均匀分布。上式可写成即方程的通解为导体内的电流分布为表明衰减系数与频率的平方根成正比，这样它将随着频率的增加而增加。式中导体内的电场强度为导体内的总电流

8、为定义在z方向每单位长度的内阻抗为处的电场与电流之比。从这个定义看，内阻抗其实又可称为表面阻抗。即或式中的定义过的趋肤深度。这里，再一次验证了内阻抗包括一个内电阻和一个内电感，即3导电介质中的电磁波1、导电介质中波的传播特性根据第7章中的内容，且假定电磁波仍然沿着z轴传播则其中电磁波的瞬时坡印廷矢量为平均坡印廷矢量为电场能量密度为磁场能量密度为由上述各式可知导电介质中的平面电磁波具有如