介质的电磁性质.ppt

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,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。,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。,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。,由图可见，当偶极子的负电荷处于体积l dS内时，同一偶极子的正电荷就穿出界面dS外边。,设单位体积内分子数为n，则穿出dS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,两介质分界面上的束缚电荷的概念,(P1 P2)dS，以P表示,侧面进入介质2的正电荷为P2 dS，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P1 dS，因此，薄层内出现的净余电荷为,束缚电荷面密度，有,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：,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,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JM,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JM,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=ia，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,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IM没贡献。因此,通过S的总磁化电流JM 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。,图示边界线L上的一个线元dl。设分子电流圈的面积为a.由图可见，若分子中心位于体积为adl 的柱体内，则该分子电流就被dl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JM表示磁化电流密度，有,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JP,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,xi是V内每个带电粒子的位置，其电荷为ei。,可得极化电流密度的表示式,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J包括自由电流密度JP和介质内的诱导电流密度JP+JM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,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：,四、介质中的麦克斯韦方程组,对于导电介质,