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,*,第四节 介质的电磁性质,关于介质的概念,介质的极化,介质的磁化,介质的麦克斯韦方程组,Electromagnetic Property in Medium,第四节 介质的电磁性质 关于介质的概念Electroma,1,介质分子的正负电中心不重合，有分子电偶极矩，但因分子的无规则热运动，在物理小体积内的平均电偶极矩为零，故没有宏观上的电偶极矩分布。,一、介质的概念,1.概念：,介质由分子组成。从电磁学观点看来，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。,2.电介质的分类：,介质分子的正电中心和负电中心重合，没有电偶极矩。,介质分子的正负电中心不重合，有分子电偶极矩，但因分子的无规,2,3.介质的极化和磁化现象,分子是电中性的。没有外场时，介质内部的宏观磁场为零。有外场时，介质中的带电粒子受到场的作,用，正负电荷发生相对位移，有极分子的取向以及分子电流的取向呈现一定的规则性，这就是介质的极化和磁化现象。,由于极化和磁化，介质内部及表面出现宏观的电荷,电流分布，即束缚电荷和磁化电流。宏观电荷电流反过来又激发起附加的宏观电磁场，从而叠加外场而得到介质内的总电磁场。,3.介质的极化和磁化现象分子是电中性的。没有外场时，介质内,3,二、介质的极化,1.介质的极化,电极化强度矢量,P,：在外场作用下，电介质内部出现,束缚电荷密度,p,和电极化强度,P,之间的关系,如右图：我们用简化模型来描述介质中的分子。设每个分子由相距为,l,的一对正负电荷,q,构成。,宏观电偶极矩分布，用电极化强度矢量,P,描述。,二、介质的极化1.介质的极化 电极化强度矢量P：在外场作,4,由图可见，当偶极子的负电荷处于体积,l,d,S,内时，同一偶极子的正电荷就穿出界面d,S,外边。,设单位体积内分子数为,n,，则穿出,d,S,外面的正电荷为：,对包围区域,V,的闭合界面,S,积分，则由,V,内通过界面,S,穿出去的正电荷为：,由于介质是电中性的，它也等于,V,内净余的负电荷。即有,把面积分化为体积分，可得上式的微分形式,由图可见，当偶极子的负电荷处于体积l dS内时，同一偶极,5,两介质分界面上的束缚电荷的概念,(,P,1,P,2,),d,S,，以,P,表示,侧面进入介质2的正电荷为,P,2,d,S,，由介质1通过薄层左侧进,由此，,n,为分界面上由介质1指向介质2的法线。,如图：由公式,可知，通过薄层右,入薄层的正电荷为,P,1,d,S,，因此，薄层内出现,的净余电荷为,束缚电荷面密度，有,两介质分界面上的束缚电荷的概念(P1 P2)dS,6,2.介质与场的相互作用,介质与场的作用是相互的.介质对宏观场的作用就,在实际问题中,束缚电荷不易受实验条件限制,我们,是通过束缚电荷激发电场.因此,在麦氏方程中的电,引入电位移矢量,D,，定义为,可以得,荷密度包括自由电荷密度和束缚电荷密度,故有,可以将其消去,得：,2.介质与场的相互作用介质与场的作用是相互的.介质对宏观场,7,D,和,E,之间的实验关系,对于一般各向同性线性介质，极化强度和电场,e,称为介质的极化率。,之间有简单的线性关系,于是,D和E之间的实验关系对于一般各向同性线性介质，极化强度和,8,在没有外场时，介质不出现宏观电流分布，在外场作用下，分子电流出现有规则分布，形成了宏观电流密度,J,M,1.磁化电流密度与磁化强度的引入,三、介质的磁化,宏观磁化电流密度,J,M,分子电流可以用磁偶极矩描述，把分子电流看作载有电流,i,的小线圈，线圈面积为,a,，则与分子电流相应的磁矩为,m,=,i,a,，介质磁化后，出现宏观磁偶极矩分布，用磁化强度,M,，其定义为：,磁化强度,M,在没有外场时，介质不出现宏观电流分布，在外场作用下，分子电流,9,2.磁化电流密度与磁化,强度的关系,由图可见，若分子电流被边界线,L,链环着,这分子电流就对,S,的电流有贡献。在其他情形下,或者分子电流根本不通过,S,或者从S背面流出来后再从前面流进,所以对,I,M,没贡献。因此,通过S的总磁化电流,J,M,等于边界线,L,所链环着的分子数目乘上每个分子的电流,i,。,2.磁化电流密度与磁化强度的关系由图可见，若分子电流被边界线,10,图示边界线,L,上的一个线元,d,l,。设分子电流圈的面积为,a,.由图可见，若分子中心位于体积为,a,d,l,的柱体内，则该分子电流就被d,l,所穿过。因此，若单位体积分子数为,n,，则被边界线L链环着的分子电流数目为,此数目乘上每个分子的电流,i,即得从S背面流向前面的总磁化电流,以,J,M,表示磁化电流密度，有,图示边界线L上的一个线元dl。设分子电流圈的面积为a.由图,11,把线积分变为,M,的面积分，由,S,的任意性可得微分形式,3.极化电流,J,P,定义：,当电场变化时，介质的极化强度,P,发生变化，这种变化产生另一种电流,称为极化电流。,由,x,i,是,V,内每个带电粒子的位置，其电荷为,e,i,。,可得极化电流密度的表示式,把线积分变为M的面积分，由S的任意性可得微分形式3.极化,12,场的作用是通过诱导电流,J,P,+,J,M,激发磁场。因此，麦氏方程中的,J,包括自由电流密度,J,P,和介质内的诱导电流密度,J,P,+,J,M,在内，则在介质中的麦氏方程为,利用,得,4.介质和磁场的相互作用,介质与磁场是相互作用、相互制约的。介质对磁,场的作用是通过诱导电流JP+JM激发磁场。因此，麦氏方程中的,13,引入磁场强度,H,，定义为,改写上式为,B,和,H,之间的实验关系,实验指出，对于各向同性非铁磁物质，磁化强度,M,和,H,之间有简单的线性关系,M,称为磁化率。,称为磁导率，,r,为相对磁导率。,由此可得：,引入磁场强度H，定义为改写上式为 B和H之间的实验关系实验,14,四、介质中的麦克斯韦方程组,对于导电介质,四、介质中的麦克斯韦方程组对于导电介质,15,