Chapter1-2(介質(zhì)的電磁性質(zhì))

1、1第二節(jié)第二節(jié) 介質(zhì)的電磁性質(zhì)介質(zhì)的電磁性質(zhì) 關(guān)于介質(zhì)的概念關(guān)于介質(zhì)的概念 介質(zhì)的極化介質(zhì)的極化 介質(zhì)的磁化介質(zhì)的磁化 介質(zhì)的麥克斯韋方程組介質(zhì)的麥克斯韋方程組2一、介質(zhì)的概念一、介質(zhì)的概念 電（磁）介質(zhì)是指對(duì)外加電磁場(chǎng)有（顯著）電磁響應(yīng)的物質(zhì)。電（磁）介質(zhì)是指對(duì)外加電磁場(chǎng)有（顯著）電磁響應(yīng)的物質(zhì)。 從電磁學(xué)觀點(diǎn)看來，介質(zhì)是一個(gè)帶電粒子系統(tǒng)，其內(nèi)部存在從電磁學(xué)觀點(diǎn)看來，介質(zhì)是一個(gè)帶電粒子系統(tǒng)，其內(nèi)部存在著不規(guī)則而又迅速變化的微觀電磁場(chǎng)。著不規(guī)則而又迅速變化的微觀電磁場(chǎng)。 一方面介質(zhì)被電極化或磁化，另一方面原電磁場(chǎng)被極化電荷一方面介質(zhì)被電極化或磁化，另一方面原電磁場(chǎng)被極化電荷或磁化電流改變?；虼?/p>

2、化電流改變。1. 概念概念3 沒有外場(chǎng)時(shí)，介質(zhì)內(nèi)部的宏觀電場(chǎng)、磁場(chǎng)為零。沒有外場(chǎng)時(shí)，介質(zhì)內(nèi)部的宏觀電場(chǎng)、磁場(chǎng)為零。 有外場(chǎng)時(shí)，介質(zhì)中的帶電粒子受到場(chǎng)的作用，有外場(chǎng)時(shí)，介質(zhì)中的帶電粒子受到場(chǎng)的作用，正負(fù)電荷發(fā)生正負(fù)電荷發(fā)生相對(duì)位移、有極分子相對(duì)位移、有極分子發(fā)生發(fā)生轉(zhuǎn)向、以及分子電流的取向轉(zhuǎn)向、以及分子電流的取向從雜亂無從雜亂無章到章到呈現(xiàn)一定的規(guī)則性呈現(xiàn)一定的規(guī)則性等等等等，進(jìn)而進(jìn)而產(chǎn)生極化電荷、磁化電流。產(chǎn)生極化電荷、磁化電流。這就是介質(zhì)的極化和磁化現(xiàn)象。這就是介質(zhì)的極化和磁化現(xiàn)象。 由于極化和磁化，介質(zhì)內(nèi)部及表面出現(xiàn)宏觀的電荷、電流分由于極化和磁化，介質(zhì)內(nèi)部及表面出現(xiàn)宏觀的電荷、電流分布，

3、即束縛電荷和磁化電流。布，即束縛電荷和磁化電流。 宏觀電荷電流反過來又激發(fā)起附加的宏觀電磁場(chǎng)，從而疊加宏觀電荷電流反過來又激發(fā)起附加的宏觀電磁場(chǎng)，從而疊加外場(chǎng)而得到介質(zhì)內(nèi)的總電磁場(chǎng)：外場(chǎng)而得到介質(zhì)內(nèi)的總電磁場(chǎng)：2. 介質(zhì)的極化和磁化現(xiàn)象介質(zhì)的極化和磁化現(xiàn)象BBBEEE004H+H+H+H+C-4無極分子：CH4有極分子：H2OH+H+O-3.1 3.1 電介質(zhì)電介質(zhì) 分子中的正負(fù)電荷束縛很緊，介質(zhì)內(nèi)部幾乎分子中的正負(fù)電荷束縛很緊，介質(zhì)內(nèi)部幾乎沒有自由電荷。沒有自由電荷。3 3 電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化有極分子電介質(zhì)無極分子電介質(zhì)電介質(zhì)電介質(zhì)5 + + +E0E0+0EEEE + + +E00E

4、EE + + +E03.2 3.2 電介質(zhì)的極化過程電介質(zhì)的極化過程無極分子的位移極化無極分子的位移極化有極分子的轉(zhuǎn)向極化有極分子的轉(zhuǎn)向極化6VpPi 0p沒極化：沒極化： 0p極化時(shí)：極化時(shí)：3.3 3.3 電極化強(qiáng)度矢量電極化強(qiáng)度矢量 用單位體積內(nèi)電偶極矩的矢量和來反映電介質(zhì)被極化的程度：用單位體積內(nèi)電偶極矩的矢量和來反映電介質(zhì)被極化的程度： 束縛電荷密度束縛電荷密度 P和電極化強(qiáng)度和電極化強(qiáng)度P之間的關(guān)系。簡(jiǎn)化模型之間的關(guān)系。簡(jiǎn)化模型: 每個(gè)分每個(gè)分子由相距為子由相距為l的一對(duì)正負(fù)電荷的一對(duì)正負(fù)電荷 q構(gòu)成。構(gòu)成。L PPSd7 當(dāng)偶極子的負(fù)電荷處于體積當(dāng)偶極子的負(fù)電荷處于體積l dS內(nèi)

5、時(shí)，同一偶極子的正電荷就穿內(nèi)時(shí)，同一偶極子的正電荷就穿出界面出界面dS外邊。設(shè)單位體積內(nèi)分子數(shù)為外邊。設(shè)單位體積內(nèi)分子數(shù)為n，則穿出，則穿出dS外面的正電外面的正電荷為，荷為，SdPSdpnSdlnq 對(duì)包圍區(qū)域?qū)Π鼑鷧^(qū)域V的閉合界面的閉合界面S積分，則由積分，則由V內(nèi)通過界面內(nèi)通過界面S穿出去的正穿出去的正電荷為，電荷為，SSdP 由于介質(zhì)是電中性的，由于介質(zhì)是電中性的，V內(nèi)應(yīng)出現(xiàn)等量異號(hào)電荷。即有，內(nèi)應(yīng)出現(xiàn)等量異號(hào)電荷。即有，SVPSdPdV P與與dS的方向？的方向？8 把面積分化為體積分，可得微分形式把面積分化為體積分，可得微分形式PSdPdVPSVP3.4 兩介質(zhì)分界面上的束縛電荷的

6、概念兩介質(zhì)分界面上的束縛電荷的概念 通過薄層右側(cè)面進(jìn)入介質(zhì)通過薄層右側(cè)面進(jìn)入介質(zhì)2的的正電荷為正電荷為P2 dS 由介質(zhì)由介質(zhì)1通過薄層左側(cè)進(jìn)入薄通過薄層左側(cè)進(jìn)入薄層的正電荷為層的正電荷為P1 dS 因此，薄層內(nèi)凈余電荷為因此，薄層內(nèi)凈余電荷為 (P2 P1) dS ，以，以 P表示束縛電荷面密表示束縛電荷面密度，有度，有1212PPnSdPPdSPP1294.介質(zhì)與場(chǎng)的相互作用介質(zhì)與場(chǎng)的相互作用 介質(zhì)與場(chǎng)是相互作用的。介質(zhì)對(duì)宏觀場(chǎng)的作用就是通過束縛電介質(zhì)與場(chǎng)是相互作用的。介質(zhì)對(duì)宏觀場(chǎng)的作用就是通過束縛電荷激發(fā)電場(chǎng)。因此，在麥?zhǔn)戏匠讨械碾姾擅芏劝ㄗ杂呻姾擅芏群杉ぐl(fā)電場(chǎng)。因此，在麥?zhǔn)戏匠讨械碾?/p>

7、荷密度包括自由電荷密度和束縛電荷密度，故有和束縛電荷密度，故有PfE0 在實(shí)際問題中在實(shí)際問題中,束縛電荷不易受實(shí)驗(yàn)條件限制，我們可以將其束縛電荷不易受實(shí)驗(yàn)條件限制，我們可以將其消去，得消去，得PPfPE0fDPED0 其中其中為電位移矢量。為電位移矢量。10EPe0 e稱為介質(zhì)的極化率。稱為介質(zhì)的極化率。errED1 ,0于是于是對(duì)于一般各向同性線性介質(zhì)，電極化強(qiáng)度和電場(chǎng)強(qiáng)度之間有簡(jiǎn)單對(duì)于一般各向同性線性介質(zhì)，電極化強(qiáng)度和電場(chǎng)強(qiáng)度之間有簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，的線性關(guān)系， D和和E之間的實(shí)驗(yàn)關(guān)系之間的實(shí)驗(yàn)關(guān)系11分子或原子的磁效應(yīng)，可等效于一個(gè)圓電流，稱為分子或原子的磁效應(yīng)，可等效于一個(gè)圓電流，稱為

8、“分分子電流子電流”。分子電流的磁矩稱為。分子電流的磁矩稱為“分子磁矩分子磁矩”。+-分子磁矩分子磁矩mp三、介質(zhì)的磁化三、介質(zhì)的磁化1. 分子磁矩分子磁矩12四類磁介質(zhì)：四類磁介質(zhì)：（1）順磁性介質(zhì)順磁性介質(zhì)： 介質(zhì)磁化后呈弱磁性介質(zhì)磁化后呈弱磁性。附加磁場(chǎng)附加磁場(chǎng)B 與外場(chǎng)與外場(chǎng)B0同向。同向。 B B0 , r 1（2）抗磁性介質(zhì)抗磁性介質(zhì)： 介質(zhì)磁化后呈弱磁性介質(zhì)磁化后呈弱磁性。附加磁場(chǎng)附加磁場(chǎng)B 與外場(chǎng)與外場(chǎng)B0反向。反向。 B B0 , r B0 , r 1（4）完全抗磁體完全抗磁體：（ r 0）：）： B 0，磁介質(zhì)內(nèi)，磁介質(zhì)內(nèi)的磁場(chǎng)等于零（如超導(dǎo)體）。的磁場(chǎng)等于零（如超導(dǎo)體）。

9、13 順磁質(zhì)：分子固有磁矩不為零。順磁質(zhì)：分子固有磁矩不為零。0mp0mp 抗磁質(zhì)：抗磁質(zhì)：分子固有磁矩等于零。分子固有磁矩等于零。0mp0mp無外磁場(chǎng)：無外磁場(chǎng)：2. 順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)14（1 1）順磁質(zhì)的轉(zhuǎn)向磁化）順磁質(zhì)的轉(zhuǎn)向磁化-+mp+-mp+-mp+-mp-+mp-+mp3. 處于外磁場(chǎng)中時(shí)：處于外磁場(chǎng)中時(shí)：15（2 2）每個(gè)分子磁矩本身會(huì)產(chǎn)生與外磁場(chǎng)反向的附加磁矩）每個(gè)分子磁矩本身會(huì)產(chǎn)生與外磁場(chǎng)反向的附加磁矩 在抗磁質(zhì)和順磁質(zhì)中都會(huì)存在分子磁矩的在抗磁質(zhì)和順磁質(zhì)中都會(huì)存在分子磁矩的抗磁效應(yīng)抗磁效應(yīng)。 只是抗磁效應(yīng)與順磁效應(yīng)相比較要小得多，因此在順磁質(zhì)中，只是抗磁效應(yīng)與順

10、磁效應(yīng)相比較要小得多，因此在順磁質(zhì)中，抗磁效應(yīng)被順磁效應(yīng)所掩蓋?？勾判?yīng)被順磁效應(yīng)所掩蓋。+imBv-imLFLF+-vimBim16mP 0BmPmPmPmPmPmPmPmP 順磁質(zhì)順磁質(zhì)mpmp0mp0B與與 同向同向 抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)0mp0B與與 反向反向174、 磁化強(qiáng)度矢量磁化強(qiáng)度矢量 磁化電流磁化電流0BsILS0BsI順磁質(zhì)順磁質(zhì)0BsILS0BsI抗磁質(zhì)抗磁質(zhì)180BsILS0BsI以抗磁質(zhì)為例以抗磁質(zhì)為例nnjLSnSIVppMssmm定義磁化強(qiáng)度矢量：定義磁化強(qiáng)度矢量：內(nèi)）（LsLIlMd與磁化電流的關(guān)系：與磁化電流的關(guān)系：190BsILS0BsI以抗磁質(zhì)為例以抗磁質(zhì)為例ns

11、SsLsSLsLjMSjISMIlMdd)(d內(nèi)）（內(nèi)）（MBHJHMJJJBS000000)()(205. 極化電流極化電流JP當(dāng)電場(chǎng)變化時(shí)，介質(zhì)的極化強(qiáng)度當(dāng)電場(chǎng)變化時(shí)，介質(zhì)的極化強(qiáng)度P P發(fā)生變化，這發(fā)生變化，這種變化產(chǎn)生另一種電流，稱為種變化產(chǎn)生另一種電流，稱為極化電流極化電流。b.表示式表示式 xi是是V內(nèi)每個(gè)帶電粒子的內(nèi)每個(gè)帶電粒子的位置，其電荷為位置，其電荷為ei 。PiiiiJVvetPVxePa.定義：定義：c. 介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的作用是通過誘導(dǎo)電流介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的作用是通過誘導(dǎo)電流 JP+ JM 激發(fā)磁場(chǎng)。激發(fā)磁場(chǎng)。d. 因此，麥?zhǔn)戏匠讨械囊虼耍準(zhǔn)戏匠讨械腏包括自由電流密度包括自由電

12、流密度JP 和介質(zhì)內(nèi)的誘導(dǎo)和介質(zhì)內(nèi)的誘導(dǎo)電流密度電流密度 JP+ JM 在內(nèi)，則在介質(zhì)中的麥?zhǔn)戏匠虨樵趦?nèi)，則在介質(zhì)中的麥?zhǔn)戏匠虨閠EJJJBPMf00121tDJHPEDtPJMJfPM022 B和和H之間的實(shí)驗(yàn)關(guān)系之間的實(shí)驗(yàn)關(guān)系實(shí)驗(yàn)指出，對(duì)于各向同性非鐵磁物質(zhì)，磁化強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)指出，對(duì)于各向同性非鐵磁物質(zhì)，磁化強(qiáng)度M和和H之間有簡(jiǎn)之間有簡(jiǎn)單的線性關(guān)系單的線性關(guān)系HMM M稱為磁化率。稱為磁化率。 稱為磁導(dǎo)率，稱為磁導(dǎo)率， r為相對(duì)磁導(dǎo)率。為相對(duì)磁導(dǎo)率。MrrHB1 ,023四、介質(zhì)中的麥克斯韋方程組四、介質(zhì)中的麥克斯韋方程組. 0,BDtDJHtBEMrrHB1 ,0errED1 ,0EJ)()(BJEfBvEqF這些公式構(gòu)成經(jīng)典電這些公式構(gòu)成經(jīng)典電磁現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)。磁現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)。24 物質(zhì)電、磁性質(zhì)的多樣性；物