电磁场理论基础 第2版 国家精品课程配套教材 教学课件 作者 柯亨玉 龚子平 电磁场理论（第七章2011）.pptVIP

* * 小孔衍射图 7.6 各向异性介质中的电波传播 各向异性介质 如果介质的极化、磁化或传导特性与外加电磁 场方向相关，称为各异性介质。如晶体介质的 极化常数一般为： E 极化强度张量. 如果 与外加场强度无关的常数, 称为线性均匀各向异性 又如置于外磁场H0之中的铁氧体（由Fe2O3和其它金 属氧化物混合经高温烧结而成）；对时变电磁场的 磁导率是是各异性的，即 称为磁导率张量。 H 等离子体： 当物质温度升高或受到其它激发，组成物质的原子 或分子电离，形成由电子、离子和部分未电离的中 性分子组成的混合体，称为等离子体。 等离子体中总的正、负电荷量相等，对外显中性， 是一种类似于金属中的电子，但密度小得多。 .　磁化电离子体（电离层） 太阳光中的紫外线或 高速粒子使高空大气 电离，形成环绕地球 的高空电离层，它是 我们人类拥有的最大 的天然等离子体，对 人类的生成和发展有 重要的作用。 ＋ － 高空大气密度很小，太阳辐射粒子强，使大气电 离概率低，电离气体密度小 离地球距离逐渐减小，大气密度增加，太阳辐 　射粒子电离大气概率增加，气体电离密度增大 随着离地球距离的进一步减小，大气密度增加， 太阳辐射粒子密度迅速减小，电离密度小 忽略等离子体中电子与离子之间的碰撞(冷等离 子体),电离层中电离的电子受力及运动方程为： m： 电子的质量 e ： 电子的电荷量 B0 ： 地球恒定磁场 E : 电离层中传播的电场 H : 电离层中传播的时变磁场 磁化冷等离子体模型 地磁场一般远大于电离层中传播的电磁场的磁 场，所以有近似关系 电子受到的作用力可近似为： 入射电磁波激励下电子的运动方程为： 电子的回旋角频率 B0 电子回旋运动 v 电子的回旋角频率 磁化等离子体中传导电流密度 磁化等离子体中的Maxwell为： 电离层的张量介电常数 对上述结果稍作分析得到： ① 当 时，电磁波的圆频率与电子自 旋频率相同，电磁波能量被电离层中电 子极大的吸收而处于磁旋共振状态，导 致电磁波能量极大被损耗。如果 这说明当频率为1.4MHz的电磁波入射电 离层时吸收最大。这是短波通信应该尽 量回避的频率。 ② 对于B0=0的非磁化等离子体，张量介电常 数退化为各向同性的标量介电常数，即： 等离子体电磁波满足的波动方程与各向 同性介质中的方程相同。 在等离子体中传播的电磁波的波数 当 ， 电磁波随传播距离增加而按指数规律衰减， 不再具有电磁波特点。所以 称为等离子 体临界频率，与等离子体电子密度有关。 对于地球上空的电离层，其电子密度随海拔 高度变化而变化，密度最大值大约为 ： 因此，为了实现地球与卫星之间的通信，其频 率必须高于电离层最大临界频率，否则信号将 不能穿过电离层。另一方面，小于临界频率的 电磁波不能穿透在电离层，必然被反射到地面 电离层中电波传播 电离层反射传播 3、电离层中的平面波 为了突出电离层中的电磁波的传播问题， 假设电离层是无耗、均匀、线性的充满整 个空间。其最简单的平面电磁波是： 上述平面电磁波在电离层中能否存在？ 如果存在，该平面波具有那些基本特性？ 将平面电磁波可能解代入Maxwell方程组 得到电场满足的方程是： 矩阵方是一个关于波数 k 的代数方程，称为 Appleton—Hartree方程。k 每个取值与电离 层中可存在的平面电磁波模式相互对应。 特例一：设 由于电场矢量与恒定外加磁场方向平行，等离子 体中的电子在电场力作用下，其运动方向与恒定 外磁场方向相同，恒定外加磁场对运动电子没有 力的作用。其结果同非磁化等离子体完全相同。 电离层电子浓度的垂测 特例二：设 特例三：设 如果 其解为右旋圆极化波； 其解为左旋圆极化波； 如果 即： 电离层 电离层 7.7 电磁波的频谱 自从Hertz应用电磁振荡方法产生电磁波以 来，大量实验证明了光是一类频率很高的 电磁波，1895年德国科学家Rontgen发现 的X射线等，电磁波频谱进一步得到拓展 无线电波 微波 红外线 可见光 紫外线 可见光 X射线 γ射线 极低频（ELF）：3-30 Hz 特低频（SLF）：30-300 Hz 超低频（ULF）：300-3000 Hz 甚低频（VLF）：3-30 kHz 低 频（