导电媒质中的平面电磁波课件

导电媒质中的平面电磁波课件REPORTING2023WORKSUMMARY目录CATALOGUE电磁波基本概念平面电磁波在导电媒质中传播特性边界条件下平面电磁波反射与折射规律导电媒质中平面电磁波极化特性研究数值计算方法在导电媒质中平面电磁波问题应用实验验证导电媒质中平面电磁波传播规律PART01电磁波基本概念电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。电磁波具有波粒二象性，波长越短其粒子性越显著，波长越长其波动性越显著。电磁波定义与特性电磁波特性电磁波定义电磁场电磁场是有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体和总称。随时间变化的电场产生磁场，随时间变化的磁场产生电场，两者互为因果，形成电磁场。电磁场与电磁波关系电磁场是电磁波的传播媒质，而电磁波是电磁场的一种运动形态。在变化的电磁场中，电和磁是不可分割的，它们总是交替出现，并形成一个统一的电磁场。电磁场与电磁波关系导电媒质中的自由电荷在电磁场作用下运动，形成传导电流。传导电流产生焦耳热，使电磁波能量不断转化为热能而耗散掉。因此导电媒质对电磁波有吸收和衰减作用。导电媒质对电磁波的影响当高频电磁波在导电媒质中传播时，由于电磁感应作用使得电流主要集中在导体表面附近流动，这种现象称为趋肤效应。趋肤效应导致电磁波的衰减随频率的增加而增大。趋肤效应电磁波在导电媒质中传播PART02平面电磁波在导电媒质中传播特性导电媒质中电磁波的传播速度小于真空中的速度，且随着频率的增加而减小。传播速度导电媒质中电磁波的衰减常数与媒质的电导率、频率和电磁波的波数有关，随着频率的增加而增大。衰减常数传播速度与衰减常数相速度01导电媒质中电磁波的等相位面在媒质中传播的速度，与媒质的折射率和频率有关。群速度02导电媒质中电磁波包络面（即波包）在媒质中传播的速度，与媒质的折射率和频率的导数有关。关系03相速度和群速度在一般情况下不相等，但在无色散媒质中相等。此外，群速度描述了电磁波能量的传播速度，而相速度描述了电磁波的相位传播速度。相速度与群速度概念及关系趋肤效应与穿透深度分析当电磁波在导电媒质中传播时，由于媒质的导电性，电磁波的能量主要集中在媒质的表面附近传播，这种现象称为趋肤效应。趋肤深度是描述趋肤效应的一个重要参数，它表示电磁波能量衰减到表面值的1/e时的深度。趋肤效应导电媒质对电磁波的衰减作用使得电磁波在媒质中的传播深度有限，这个深度称为穿透深度。穿透深度与趋肤深度有密切关系，但二者并不完全等同。穿透深度一般比趋肤深度要小。穿透深度PART03边界条件下平面电磁波反射与折射规律

垂直入射时反射与折射现象反射系数与透射系数当电磁波从一种媒质垂直入射到另一种媒质时，反射波与入射波的振幅之比称为反射系数，透射波与入射波的振幅之比称为透射系数。反射波与透射波相位关系反射波与入射波在界面处的相位相反，透射波与入射波在界面处的相位相同。能量守恒定律反射系数平方与透射系数平方之和等于1，满足能量守恒定律。当电磁波从一种媒质斜入射到另一种媒质时，入射角、反射角和折射角之间满足Snell定律，即入射角正弦与折射角正弦之比等于两种媒质的折射率之比。入射角、反射角与折射角斜入射时，反射系数和透射系数与入射角、两种媒质的电磁参数有关，一般需要通过计算得到。反射系数与透射系数当电磁波从光密媒质斜入射到光疏媒质时，反射波和透射波将发生偏振现象，即反射波和透射波的电场矢量不再与入射波的电场矢量在同一平面内。偏振现象斜入射时反射与折射现象全反射条件当光从光密媒质射向光疏媒质时，如果入射角大于临界角，则会发生全反射现象，即光全部被反射回光密媒质中，没有光进入光疏媒质中。临界角计算临界角是发生全反射时的最小入射角，其正弦值等于两种媒质的折射率之比的反比。应用举例全反射现象在许多光学器件中有重要应用，如光纤通信中的光纤、光学显微镜中的物镜和目镜等。此外，全反射还可以用于制作各种光学薄膜和光学元件。全反射条件及应用举例PART04导电媒质中平面电磁波极化特性研究极化定义极化是描述电磁波中电场矢量在空间中的取向和随时间变化特性的物理量，反映了电磁波在传播过程中的振动状态。分类方法根据电场矢量在空间中的轨迹形状，极化可分为线极化、圆极化和椭圆极化三种类型。极化定义及分类方法线极化电场矢量在空间中沿着一条直线振动，其振动方向与传播方向垂直。线极化波具有方向性，其电场强度在某一方向上最大，而在与之垂直的方向上为零。圆极化电场矢量在空间中沿着一个圆形轨迹振动，其振动方向与传播方向垂直。圆极化波具有无方向性，即电场强度在各个方向上均匀分布，没有特定的最大或最小值。椭圆极化电场矢量在空间中沿着一个椭圆轨迹振动，其振动方向与传播方向垂直。椭圆极化波是线极化和圆极化的中间状态，具有两者的部分特点。椭圆极化波的极化状态可以用椭圆的长轴和短轴之比、椭圆取向角等参数来描述。线极化、圆极化和椭圆极化特点比较当电磁波在导电媒质中传播时，由于媒质的导电性，电磁波的能量会逐渐被吸收和转化为热能，导致电磁波的振幅减小，这种现象称为极化损失。极化损失与媒质的导电性、电磁波的频率和传播距离等因素有关。极化损失去极化是指电磁波在传播过程中，由于媒质的不均匀性、各向异性或散射等作用，导致电磁波的极化状态发生改变的过程。去极化过程会导致电磁波的极化纯度降低，即椭圆极化的椭圆度减小，甚至退化为线极化或圆极化。去极化过程与媒质的物理性质、电磁波的频率和传播环境等因素有关。去极化过程极化损失和去极化过程分析PART05数值计算方法在导电媒质中平面电磁波问题应用用差分代替微分，将连续问题离散化，便于数值计算。差分格式稳定性条件收敛性为保证计算过程中误差的传递和积累可控，需要满足一定的稳定性条件。当时间步长和空间步长趋近于零时，数值解应逼近于精确解。030201有限差分法基本原理介绍递推公式根据差分格式和边界条件，建立递推公式，用于更新每个时间步长上的函数值。初始条件和边界条件处理给出初始条件和边界条件，用于启动递推过程和约束求解区域。网格剖分将求解区域划分为离散的网格，每个网格点上的函数值作为未知量。时域有限差分法求解过程展示将时域方程通过傅里叶变换转换为频域方程，便于处理频域问题。频域方程同样需要对求解区域进行网格剖分和离散化，将连续问题转化为离散问题。网格剖分和离散化利用迭代法或直接法求解离散化后的线性方程组，得到频域解。线性方程组求解频域有限差分法求解过程展示PART06实验验证导电媒质中平面电磁波传播规律实验装置搭建和测试方法介绍实验装置包括信号发生器、发射天线、接收天线、示波器和导电媒质样品等。测试方法采用透射和反射两种方式进行测试，观察电磁波在导电媒质中的传播规律。实验结果通过示波器观察到电磁波在导电媒质中的传播波形，分析其振幅、相位和频率等特性变化。结果讨论根据实验结果，分析导电媒质对电磁波传播的影响，如衰减、色散等现象，并与理论预测进行比较。实验结果展示与讨论VS分析实