第18讲电磁场与电磁波精.ppt

第18讲电磁场与电磁波1第1页，本讲稿共20页5.3 均匀平面波在导电媒质中的传播均匀平面波在导电媒质中的传播l 导电媒质的典型特征是电导率导电媒质的典型特征是电导率 0；l 电磁波在导电媒质中传播时，有传导电流电磁波在导电媒质中传播时，有传导电流 J=E 存在，同时存在，同时 伴随着电磁能量的损耗；伴随着电磁能量的损耗；l 电磁波的传播特性与非导电媒质中的传播特性有所不同。电磁波的传播特性与非导电媒质中的传播特性有所不同。2第2页，本讲稿共20页沿沿 z 轴传播的均匀平面波解为轴传播的均匀平面波解为令令，则均匀平面波解为，则均匀平面波解为5.3.1 导电媒质中的均匀平面波导电媒质中的均匀平面波 称为电磁波的称为电磁波的传播常数传播常数。是是衰减因子衰减因子，称为称为衰减常数衰减常数，单位：单位：Np/m（奈培（奈培/米）米）是是相位因子相位因子，称为称为相位常数相位常数，单位：单位：rad/m（弧度（弧度/米）米）瞬时值形式瞬时值形式振幅有衰减振幅有衰减波动方程波动方程3第3页，本讲稿共20页本征阻抗本征阻抗导电媒质中的电场与磁场导电媒质中的电场与磁场非导电媒质中的电场与磁场非导电媒质中的电场与磁场 相伴的磁场相伴的磁场本征阻抗为复数本征阻抗为复数磁场滞后于电场磁场滞后于电场4第4页，本讲稿共20页相速不仅与媒质参数相速不仅与媒质参数有关，还与电磁波的有关，还与电磁波的频率有关（色散）频率有关（色散）传播参数传播参数5第5页，本讲稿共20页平均电场能量密度平均电场能量密度:平均磁场能量密度平均磁场能量密度:平均坡印廷矢量平均坡印廷矢量6第6页，本讲稿共20页 导电媒质中导电媒质中均匀平面波均匀平面波的传播特点的传播特点l 电场强度电场强度E、磁场强度、磁场强度H与波的传播方向相互垂直，是横电与波的传播方向相互垂直，是横电 磁波（磁波（TEM波）；波）；l 媒质的本征阻抗为复数，电场与磁场相位不同，媒质的本征阻抗为复数，电场与磁场相位不同，磁场滞后于磁场滞后于 电场电场 角角；l 在波的传播过程中，电场与磁场的振幅呈指数衰减；在波的传播过程中，电场与磁场的振幅呈指数衰减；l 波的传播速度（相速度）不仅与媒质参数有关，而且与频率波的传播速度（相速度）不仅与媒质参数有关，而且与频率 有关有关 （有色散）（有色散）；l平均磁场能量密度大于平均电场能量密度。平均磁场能量密度大于平均电场能量密度。7第7页，本讲稿共20页弱导电媒质弱导电媒质：5.3.2 弱导电媒质中的均匀平面波弱导电媒质中的均匀平面波 弱导电媒质中均匀平面波的特点弱导电媒质中均匀平面波的特点 相位常数和非导电媒质中的相位常数大致相等；相位常数和非导电媒质中的相位常数大致相等；电场和磁场存在较小的相位差。电场和磁场存在较小的相位差。衰减小；衰减小；8第8页，本讲稿共20页良导体良导体：5.3.3 良导体中的均匀平面波良导体中的均匀平面波 良导体中的参数良导体中的参数:波长波长：相速相速：金、银、铜、铁、铝等金属金、银、铜、铁、铝等金属对于无线电波均是良导体。对于无线电波均是良导体。例如铜例如铜：9第9页，本讲稿共20页趋肤效应：趋肤效应：电磁波的频率越高，衰减系数越大，高频电磁波电磁波的频率越高，衰减系数越大，高频电磁波 只能只能 存在于良导体的表面层内，称为趋肤效应。存在于良导体的表面层内，称为趋肤效应。趋肤深度趋肤深度（）：）：电磁波进入良导体后电磁波进入良导体后，其振幅下降到表面，其振幅下降到表面 处振幅的处振幅的1/e 时所传播的距离。即时所传播的距离。即趋肤深度趋肤深度 10第10页，本讲稿共20页铜：铜：11第11页，本讲稿共20页 表示厚度为表示厚度为 的导体每平方米的电阻，称为导体的表面的导体每平方米的电阻，称为导体的表面电阻率，简称为表面电阻，相应的电阻率，简称为表面电阻，相应的 称为表面电抗；称为表面电抗；称为表面阻抗。称为表面阻抗。本征阻抗本征阻抗良导体中电磁波的良导体中电磁波的磁场强度的相位滞后于电场强度磁场强度的相位滞后于电场强度45o。式中式中12第12页，本讲稿共20页表表5.3.1一些金属材料的趋肤深度和表面电阻一些金属材料的趋肤深度和表面电阻材料名称材料名称电导率电导率/(S/m)趋肤深度趋肤深度/m表面电阻表面电阻RS /银银6.17107 紫铜紫铜5.8107 铝铝3.72107 钠钠 2.1107 黄铜黄铜1.6107 锡锡0.87107 石墨石墨0.0110713第13页，本讲稿共20页例例5.3.1 一沿一沿 x 方向极化的线极化波在海水中沿方向极化的线极化波在海水中沿+z轴方向传播。已轴方向传播。已知海水的媒质参数为知海水的媒质参数为r =81、r=1、=4S/m，在，在z=0处的电场处的电场Ex=100cos(107t)V/m。求：。求：（1）衰减常数、相位常数、本征阻抗、相速、波长及趋肤深度；）衰减常数、相位常数、本征阻抗、相速、波长及趋肤深度；（2）电场强度幅值减小为）电场强度幅值减小为z=0处的处的1/1000时，波传播的距离时，波传播的距离（3）z=0.8m处的电场强度和磁场强度的瞬时表达式；处的电场强度和磁场强度的瞬时表达式；（4）z=0.8m处穿过处穿过1m2面积的平均功率。面积的平均功率。解解：（：（1）根据题意，有根据题意，有所以所以此时海水可视为良导体。此时海水可视为良导体。114第14页，本讲稿共20页故衰减常数故衰减常数相位常数相位常数本征阻抗本征阻抗相速相速波长波长趋肤深度趋肤深度15第15页，本讲稿共20页（2）令令e-z1/1000，即即ez1000，由此得到电场强度幅值减小，由此得到电场强度幅值减小为为z=0处的处的1/1000时，波传播的距离时，波传播的距离故在故在z=0.8m 处，电场的瞬时表达式为处，电场的瞬时表达式为磁场的瞬时表达式为磁场的瞬时表达式为（3）根据题意，电场的瞬时表达式为）根据题意，电场的瞬时表达式为16第16页，本讲稿共20页 （4）在）在z=0.8m 处的平均坡印廷矢量处的平均坡印廷矢量穿过穿过 1m2 的平均功率的平均功率 Pav=0.75 mW 由此可知，电磁波在海水中传播由此可知，电磁波在海水中传播时衰减很快，尤其在高频时，衰减更时衰减很快，尤其在高频时，衰减更为严重，这给潜艇之间的通信带来了为严重，这给潜艇之间的通信带来了很大的困难。若为保持低衰减，工作很大的困难。若为保持低衰减，工作频率必须很低，但即使在频率必须很低，但即使在1kHz的低频下，衰减仍然很明显。的低频下，衰减仍然很明显。海水中的趋肤深度随频率变海水中的趋肤深度随频率变化的曲线化的曲线17第17页，本讲稿共20页例例5.3.2 在进行电磁测量时，为了防止室内的电子设备受外界电磁在进行电磁测量时，为了防止室内的电子设备受外界电磁场的干扰，可采用金属铜板构造屏蔽室，通常取铜板厚度大于场的干扰，可采用金属铜板构造屏蔽室，通常取铜板厚度大于5就能满足要求。若要求屏蔽的电磁干扰频率范围从就能满足要求。若要求屏蔽的电磁干扰频率范围从10kHz到到100MHz，试计算至少需要多厚的铜板才能达到要求。铜的参数，试计算至少需要多厚的铜板才能达到要求。铜的参数为为=0、=0、=5.8107 S/m。解解：对于频率范围的低端：对于频率范围的低端 fL=10kHz，有，有对于频率范围的高端对于频率范围的高端 fH=100MHz，有，有18第18页，本讲稿共20页为了满足给定的频率范围内的屏蔽要求，故铜板的厚度为了满足给定的频率范围内的屏蔽要求，故铜板的厚度d至少应为至少应为由此可见，在要求的频率范围内均可将铜视为良导体，故由此可见，在要求的频率范围内均可将铜视为良导体，故19第19页，本讲稿共20页作业：5.4、5.5、5.6、5.23第18次课结束！20第20页，本讲稿共20页