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1、电磁场与电磁波基础(第8章)1本讲稿第一页，共十七页 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。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。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。本讲稿第二页，共十七页沿沿 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8.1 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，单位，单位：1/m是是衰减因子
2、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本讲稿第三页，共十七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本讲稿第四页，共十七页相速不仅与媒质参数相速不仅与媒质参数有关，而且与电磁波有关，而且与电磁波的频率有关的频率有关 传播参数传播参数本讲稿第五页，共十七页平均坡印廷矢
3、量平均坡印廷矢量 导电媒质中均匀平面波的传播特点：导电媒质中均匀平面波的传播特点：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，是横与波的传播方向相互垂直，是横 电磁波（电磁波（TEM波）；波）；媒质的本征阻抗为复数，电场与磁场不同相位，媒质的本征阻抗为复数，电场与磁场不同相位，磁场滞后于磁场滞后于 电场电场 角角；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；波的传播速度（相度）不仅与媒质参数有关，而且与频率有波的传播速度（相度）不仅与媒质参数有关，而且与频率有 关（有色散）关（有色散）。本讲稿第六页，共十七页弱导电媒质弱
4、导电媒质：8.2 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；衰减小；衰减小；电场和磁场之间存在较小的相位差。电场和磁场之间存在较小的相位差。本讲稿第七页，共十七页良导体良导体：8.3 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：本讲稿第八页，共十七页趋肤效应趋肤效应：电磁波的频率越高，衰减系数
5、越大，高频电磁波只能电磁波的频率越高，衰减系数越大，高频电磁波只能 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，其振幅下降到表面处振幅的其振幅下降到表面处振幅的 1/e 时所传播的距离。即时所传播的距离。即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磁强度磁场强度的相位滞后于电磁强度45o。趋肤深度趋肤深度 本讲稿第九页，共十七页铜：铜：本讲稿第十页，共十七页表表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
6、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0.01107本讲稿第十一页，共十七页 例例8.1 一沿一沿 x 方向极化的线极化波在海水中传播，取方向极化的线极化波在海水中传播，取+z 轴轴方向为传播方向。已知海水的媒质参数为方向为传播方向。已知海水的媒质参数为r =81、r=1、电导率为电导率为 4 S/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
7、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=0.8 m 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=0.8 m 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。本讲稿第十二页，共十七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本讲稿第十三页，共十七页 （2）令令e-z1/1000，即即ez1000，由此得到电场强度幅值减小为，
8、由此得到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，波传播的距离故在故在 z=0.8 m 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本讲稿第十四页，共十七页 （4）在）在 z=0.8 m 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
9、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 1 kHz 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本讲稿第十五页，共十七页 例例8.2 在进行电磁测量时，为了防止室内的电子设备受外界电磁场的干扰，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。若要求屏就能满足要求。若要求屏蔽的电磁干扰频率范围从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，试计算至少需要多厚的铜板才能达到要求。铜的参数为才能达到要求。铜的参数为=0、=0、电导率为电导率为 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，有本讲稿第十六页，共十七页由此可见，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 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至少应为至少应为本讲稿第十七页，共十七页