单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,电动力学,关于介质的概念,介质的极化,介质的磁化,介质中的麦克斯韦方程组,1.4 介质的电磁性质,1,关于介质的概念1.4 介质的电磁性质1,什么是介质？,为什么要研究介质？,介质是由大量分子（或原子）组成的宏观物体。从电磁学观点来看，介质是一个带电粒子系统，其内部存在着不规则而又迅速变化的微观电磁场。,介质放入外场后，内部结构受外场的作用而发生变化，并且反过来影响外场，使原来的场分布发生变化，同时也使其物理性能发生变化。,介质的极化(Polarization),介质的磁化(Magnetization),1.关于介质的概念,1.4 介质的电磁性质,2,什么是介质？介质是由大量分子（或原子）组成的宏观物体,2.介质的极化,介质中分子和原子的正负电荷在外加电场的作用下发生小的位移，形成定向排列的电偶极矩；或原子、分子固有电偶极矩不规则的分布，在外场作用下形成规则排列。,1.4 介质的电磁性质,3,2.介质的极化介质中分子和原子的正负电荷在外加电场的作用下发,极化电荷密度,区域中产生的净余负电荷（极化电荷）,极化电荷密度,p,与极化强度,P,的,关系,概念：极化强度矢量,P,，,穿出,d,V,右,表面,d,S,的,（正）电荷为,穿出区域表面,S,的（,正）电荷为,介质内部,分子电偶极矩,p,=,ql,1.4 介质的电磁性质,引入极化电荷密度,p,，,4,极化电荷密度区域中产生的净余负电荷（极化电荷）极化电荷密度,（2）线性均匀介质中，极化迁出的电荷与迁入的电荷相等，不出现极化电荷分布。,（3）在两种不同均匀介质交界面上的一个很薄的层内，由于两种物质的极化强度不同，存在极化面电荷分布。,（1）不均匀介质或由多种不同结构物质混合而成的介质，可出现极化电荷。,1.4 介质的电磁性质,极化电荷的分布,5,（2）线性均匀介质中，极化迁出的电荷与迁入的电荷相等，不出现,两均匀介质界面的极化电荷,介质极化的界面（表面）,在介质分界面附近考虑一薄层，界面法线规定为由1,指向,2。设界面极化电荷面密度为,p,薄层右侧进入介质2的正电荷：,介质1进入薄层左侧的正电荷：,1.4 介质的电磁性质,6,两均匀介质界面的极化电荷介质极化的界面（表面）在介质分界面附,介质内的电现象：,自由电荷（,f,)和极化电荷(,p,）,引入电位移矢量,宏观总电场,E,决定于自由电荷和极化电荷分布；电位移矢量决定于自由电荷分布。,1.4 介质的电磁性质,各向同性的线性介质,D,与,E,的关系：,7,介质内的电现象：自由电荷（f)和极化电荷(p）引入电位移,3.介质的磁化,介质中分子或原子内的电子运动形成分子电流，微观上形成不规则分布的磁偶极矩。在外磁场力作用下，磁偶极矩定向排列，形成宏观上的磁偶极矩。,1.4 介质的电磁性质,8,3.介质的磁化介质中分子或原子内的电子运动形成分子电流，微观,顺磁质：,介质磁化后在介质内部产生的附加磁场与原磁场同方向，即总的磁场加强。,抗磁质：,附加磁场与原磁场反向，总的磁场削弱。,弱磁质：,附加磁场相对很小，影响较弱。,铁磁质（强磁质）：,附加磁场远大于原磁场，总的磁场得到大大增强。,1.4 介质的电磁性质,9,顺磁质：介质磁化后在介质内部产生的附加磁场与原磁场同方向，即,顺磁质,1.4 介质的电磁性质,10,顺磁质1.4 介质的电磁性质10,磁化强度和磁化电流,外场,分子电流有规则取向,宏观,磁化电流密度,J,M,设分子电流为,i,，面积矢量为,a,，则分子磁矩为,从,S,背面流向前面的总磁化电流,J,M,与,M,的关系,若单位体积分子数为,n,，则被边界线,L,穿过的环形电流数目为,1.4 介质的电磁性质,11,磁化强度和磁化电流外场分子电流有规则取向宏观磁化电流密度,定义磁化电流密度,变化的电场也会诱导极化电流密度,J,p,极化电流,极化电流密度,12,定义磁化电流密度变化的电场也会诱导极化电流密度Jp极化电流极,定义磁场强度,1.4 介质的电磁性质,介质中的磁现象,13,定义磁场强度1.4 介质的电磁性质介质中的磁现象13,真空,介质,导电介质,反映各向同性线性介质的宏观电磁性质,4.介质中的麦克斯韦方程组,1.4 介质的电磁性质,14,真空介质导电介质反映各向同性线性介质的宏观电磁性质4.介质中,例题：设各向同性均匀线性介质,电容率为，自由电荷量密度为,f,，极化电荷体密度为,p,，求,p,和,f,之间的关系。,解：,1.4 介质的电磁性质,15,例题：设各向同性均匀线性介质电容率为，自由电荷量密度为f,例题：由麦克斯韦方程组出发，求电导率为,、电容率为的均匀介质内部自由电荷量密度,与时间t的关系（设初始密度为,0,）,解：,当t,，,0：静电平衡时，介质内自由电荷的密度为零。,1.4 介质的电磁性质,16,例题：由麦克斯韦方程组出发，求电导率为、电容率为的均匀介,1）各向异性（线性）介质：,（i,j=1,2,3),2）非线性介质（任意介质）：,3）铁磁和铁电物质是非线性介质，且“BH”与“ED”是非单值关系（磁滞回线、电滞回线）。,复杂介质,1.4 介质的电磁性质,17,1）各向异性（线性）介质：（i,j=1,2,3)2）非线性,1.4 介质的电磁性质,当磁场强度周期性变化时，铁磁性物质或亚铁磁性物质磁滞现象的闭合磁化曲线。当铁磁质达到磁饱和状态后，如果减小磁化场H，介质的磁化强度M（或磁感应强度B）并不沿着起始磁化曲线减小，M（或B）的变化滞后于H的变化。,18,1.4 介质的电磁性质当磁场强度周期性变化时，铁磁性物质,BiFeO3（多铁材料）,Science;,Mar 14,2003;299,5613,19,BiFeO3（多铁材料）Science;Mar 14,2,强光作用下,一般有,复杂介质-材料非线性光学特性,20,强光作用下一般有复杂介质-材料非线性光学特性20,1.4 介质的电磁性质,21,1.4 介质的电磁性质21,