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微波炉的工作原理 电磁场与电磁波 第3章 媒质的电磁性质和边界条件 * 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。 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。 ?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：当电介质上的外加电场足够大时，束缚电荷有 可能克服原子结构的吸