《工程电磁场导论》PPT课件

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1、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。微波炉的工作原理引言☺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。☺

2、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：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

3、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：式中：称为电子的迁移率，其单位为。如图：单位时间内通过的电量为：式中：为自由电子密度。故电流密度为：可得：若设：则：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

4、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。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

5、子。1.电介质的特性无极分子：有极分子：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。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：极化强度的单位是。介质中的每一点极

6、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。4.束缚电荷电介质中体积内的的全部电偶极子，在场点产生的电位：其中：表面是体积的封闭界面。束缚面电荷在场点产生的电位束缚体电荷在场点产生的电位束缚电荷的面密度为：束缚电荷的体密度为：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：5.电介质的物态方程电介质极化后，场域中除了自由电荷之外，又多了束缚电荷，根据高斯定律：可得：定义一个新矢量：其中：称为相对介电常数。已知：令：材料的介电常数表示为：电介质的物态方程介质的击穿：当电介质上

7、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。6.介质的击穿常见电介质的相对介电常数见教材上的表3-2。结论：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。高斯定律：积分形式：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。解：按题意该电场为球对称场，选球坐标系，用高斯定律所以：例1：点电荷位于介质球壳的球心，球壳内半径为，外半径为球壳的相对介电常数为，壳内外为真空。求：球壳中任一点的电位移矢量、电场强度、极化强度及

8、电位。电位：极化强度：RROO在外磁场作用下，呈现出明显磁性的物质称为磁介质。三、磁介质1.什么是磁介质？2.磁介质的磁化演示原子磁矩：电子轨道磁矩电子自旋磁矩原子核自旋磁矩在外磁场作用下，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