講6媒質(zhì)的電磁特性課件

真空中靜電場的計算公式真空中靜電場的基本方程真空中恒磁場的計算公式真空中恒磁場的基本方程靜電場的基本方程恒磁場的基本方程

★電荷會產(chǎn)生電場，電場是否能產(chǎn)生電荷？

★電流能夠產(chǎn)生磁場，磁場是否能產(chǎn)生電流？★電荷在非真空物質(zhì)中產(chǎn)生的電場的怎么計算？

★電流在非真空物質(zhì)中的磁場怎么計算？電荷在真空中產(chǎn)生電場的原因是電荷對電荷的作用力可以在真空中作用，從而電磁波可以在真空中傳播2.4媒質(zhì)的電磁特性

根據(jù)物質(zhì)在電場作用下的特性，分為兩類：

導(dǎo)電物質(zhì)：導(dǎo)體內(nèi)部有大量能自由運(yùn)動的電荷，在外電場下可以做宏觀運(yùn)動，可形成感應(yīng)電荷。

電介質(zhì)：導(dǎo)電性能很差,電子被原子核緊緊束縛住，稱為束縛電荷。在外電場作用下，束縛電荷不能做宏觀運(yùn)動，發(fā)生微觀的位移，稱為極化電荷，產(chǎn)生極化電場。

磁介質(zhì)：電子的軌道運(yùn)動和自旋運(yùn)動形成小環(huán)電流（分子電流），在外加磁場的作用下，分子電流取向發(fā)生變化變化，稱為磁化電流，產(chǎn)生磁化磁場。

2.4.1電介質(zhì)的極化電位移矢量

2.4.2磁介質(zhì)的磁化磁場強(qiáng)度

2.4.3媒質(zhì)的傳導(dǎo)特性媒質(zhì)對電磁場的響應(yīng)可分為三種情況：極化、磁化和傳導(dǎo)。描述媒質(zhì)電磁特性的參數(shù)為：介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率。無極分子有極分子有外加電場E

當(dāng)介質(zhì)被放入電場時，介質(zhì)表面或介質(zhì)中心出現(xiàn)某種電荷分布，這種現(xiàn)象稱為介質(zhì)的極化。極化而產(chǎn)生的電荷叫做極化電荷或束縛電荷。

非極性分子：無外電場時，介質(zhì)分子的正、負(fù)電荷中心重合。H2、N2、Cl2、CO2、CS2、CH4。無外加電場時，分子不規(guī)則運(yùn)動，所有分子的固有電矩的矢量和平均起來互相抵消，宏觀電矩為零。

極性分子：無外電場時，介質(zhì)分子的正、負(fù)電荷中心不重合，形成一定的電偶極矩，叫做分子的固有電矩。

氯化氫分子的固有電矩為3.43×10-30C.m、水分子6.03×10-30

C.m

。無極分子有極分子無外加電場2.4.1電介質(zhì)的極化電位移矢量有極性分子，在外加電場的作用下，每個分子電偶極矩受到力矩的作用使分子電矩方大體與外加電場的方向一致。有極分子的極化稱為取取向極化。

無極性分子置于電場中時，外電場使得分子正負(fù)電荷發(fā)生位移，形成許多排列方向與外電場方向大體一致的電偶極子，它們對外產(chǎn)生的電場不為0。無極分子的極化稱為位移極化。極化介質(zhì)中每一個分子都是一個電偶極子，整個介質(zhì)可以看成真空中電偶極子有序排列的集合體。極化強(qiáng)度極化強(qiáng)度代表單位體積中電矩的矢量和。極化強(qiáng)度取決于介質(zhì)的材料特性和外加電場強(qiáng)度。極化介質(zhì)中每一個分子都是一個電偶極子，整個介質(zhì)可以看成真空中電偶極子有序排列的集合體?？臻g總電場是自由電荷產(chǎn)生的電場與極化電荷產(chǎn)生的電場的總和。E0E0電介質(zhì)中的場方程介質(zhì)中高斯定理自由電荷電介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系電偶極矩電偶極子的場圖等位線電場線電偶極子是由相距很近、帶等值異號的兩個點(diǎn)電荷組成的電荷系統(tǒng)，其遠(yuǎn)區(qū)電場強(qiáng)度為◆電偶極子的電場強(qiáng)度(P40例2.1.1)和電位函數(shù)(P93例3.1.1）+q電偶極子zol－q11

P點(diǎn)與Q點(diǎn)的電位差是把單位正電荷從P點(diǎn)移動到Q點(diǎn)電場力所做的功。電壓是電位差

靜電平衡狀態(tài)導(dǎo)體為等位面（原因是導(dǎo)體內(nèi)部電場為0，導(dǎo)體表面切向電場為0）。時變情況下，導(dǎo)體不是等位面。1213E0電偶極子的電位+q電偶極子zol－q14E0在外電場的作用下，使原來雜亂無章的有極分子沿著外電場的方向轉(zhuǎn)向，產(chǎn)生轉(zhuǎn)向極化（無極分子的正、負(fù)電荷中心重合，在外電場的作用下使分子中的正負(fù)電荷中心沿電場方向只產(chǎn)生位移極化）．如果外電場是交變的，那末有極分子的轉(zhuǎn)向也要隨電場的變化而不斷改變方向。在這個過程中，由于分子間的相互碰撞，將使電能轉(zhuǎn)化為分子的動能，然后再轉(zhuǎn)化為熱能，使物體的溫度升高。表征介質(zhì)在外電場作用下極化程度的物理量叫介電常數(shù)。在交變電場作用下，介質(zhì)的介電常數(shù)是復(fù)數(shù)，虛數(shù)部分反映了介質(zhì)的損耗。實(shí)際上，介電常數(shù)并不是一個不變的數(shù)，在不同的條件下，其介電常數(shù)也不相同．例如水在微波條件下的介電常數(shù)和損耗比一般物質(zhì)大很多，因此較容易吸收微波能量而被加熱．《微波加熱技術(shù)基礎(chǔ)》均勻、線性、各向同性介質(zhì)ε為常數(shù)均勻介質(zhì)：ε不隨介質(zhì)的位置而變。線性介質(zhì)：ε與E的大小無關(guān)。各向同性介質(zhì)：電場強(qiáng)度與電位移矢量相同。各向異性介質(zhì)表2.4.1部分電介質(zhì)的相對介電常數(shù)例2.4.1(V4)半徑為a的球形區(qū)域內(nèi)充滿介電常數(shù)為的電介質(zhì)ε，球外為真空。若已知電場分布如下，求空間電荷體密度。解：ε例：介質(zhì)球及與其同心的空心介質(zhì)球構(gòu)成一個雙介質(zhì)球系統(tǒng)，內(nèi)部球的半徑為a，充滿介電常數(shù)為ε1的介質(zhì)，電荷密度為ρ1外部球的半徑為b，充滿介電常數(shù)為ε2的介質(zhì)，電荷密度為ρ2，系統(tǒng)之外為真空。求空間電場強(qiáng)度和電位移矢量。解：由于電荷分布具有球?qū)ΨQ性，所以電場具有球?qū)ΨQ性在球坐標(biāo)系下例題2.6(北郵P40)設(shè)有一填充兩層均勻電介質(zhì)的同軸電纜，內(nèi)導(dǎo)體的半徑為a=5mm，外導(dǎo)體的內(nèi)半徑為b=15mm，兩介質(zhì)分界面的半徑為c，內(nèi)外兩層介質(zhì)的介電常數(shù)分別為εr1=2.7(聚苯乙烯),εr2=3(紙)，且聚苯乙烯和紙的擊穿場強(qiáng)各為求：當(dāng)兩介質(zhì)分界面半徑c為何值時，兩層介質(zhì)均被擊穿？解:設(shè)內(nèi)外導(dǎo)體沿軸線方向單位長度帶電量分別為+ρl和-ρl。bcoaz

因為電荷分布對圓柱的軸線對稱分布，所以與電纜同軸且半徑為ρ的圓柱面上場強(qiáng)的大小相等、方向為，a高斯面S為以電纜的軸線為軸線的封閉圓柱面，圓柱的高度為1應(yīng)用高斯定理②①bcoza1ρ2.4.2磁介質(zhì)的磁化磁場強(qiáng)度1.

磁介質(zhì)的磁化

介質(zhì)中分子或原子內(nèi)的電子運(yùn)動形成分子電流，形成分子磁矩。無外加磁場外加磁場在外磁場作用下，分子磁矩定向排列，宏觀上顯示出磁性，這種現(xiàn)象稱為磁介質(zhì)的磁化。無外磁場作用時，分子磁矩不規(guī)則排列，宏觀上不顯磁性。分子磁矩磁偶極子產(chǎn)生的磁場B2.磁化強(qiáng)度矢量磁化強(qiáng)度是描述磁介質(zhì)磁化程度的物理量，定義為單位體積中的分子磁矩的矢量和，即單位為A/m。磁化電流體密度磁化電流面密度3.磁化電流磁介質(zhì)被磁化后，在其內(nèi)部與表面上可能出現(xiàn)宏觀的電流分布，稱為磁化電流。4.磁場強(qiáng)度介質(zhì)中安培環(huán)路定理

磁場強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度磁介質(zhì)的安培環(huán)路定理磁介質(zhì)的磁通連續(xù)性原理：介質(zhì)的磁化率（磁化系數(shù)）：介質(zhì)的磁導(dǎo)率簡單磁介質(zhì)的分類5.磁介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系：介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率簡單磁介質(zhì)：均勻、線性、各向同性的磁介質(zhì)。各向異性磁介質(zhì)順磁質(zhì)抗磁質(zhì)鐵磁質(zhì)

例：

有一磁導(dǎo)率為μ

，半徑為a的無限長導(dǎo)磁圓柱，其軸線處有無限長的線電流I，圓柱外是空氣，求圓柱內(nèi)外的磁場強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度解:

由于電流具有軸對稱性，所以磁場具有軸對稱性應(yīng)用安培環(huán)路定理導(dǎo)體的定義：含有大量可以自由移動的帶電粒子的物質(zhì)。導(dǎo)體分為兩種由自由電子導(dǎo)電。由帶電離子導(dǎo)電。電解質(zhì)導(dǎo)體：金屬導(dǎo)體：大量電荷的定向運(yùn)動形成電流。2.4.3媒質(zhì)的傳導(dǎo)特性

傳導(dǎo)電流：帶電微粒(如金屬中的自由電子、電解質(zhì)溶液中的正負(fù)離子、氣體中的離子和電子)在電場作用下，在導(dǎo)體內(nèi)部做定向運(yùn)動而形成的電流。

運(yùn)流電流:電荷在不導(dǎo)電的空間，如真空或極稀薄氣體中的有規(guī)則運(yùn)動所形成的電流。真空電子管中由陰極發(fā)射到陽極的電子流,帶電的運(yùn)動著的雷云運(yùn)動所形成的電流都是運(yùn)流電流。

對于線性和各向同性導(dǎo)電媒質(zhì)，媒質(zhì)內(nèi)任一點(diǎn)的電流密度矢量和電場強(qiáng)度

成正比歐姆定律的微分形式。σ稱為媒質(zhì)的電導(dǎo)率，單位是S/m（西/米）。幾種材料在常溫（20℃）下的電導(dǎo)率7金屬導(dǎo)體內(nèi)部有電流會產(chǎn)生熱效應(yīng)，電能損失。

自由電子在運(yùn)動過程中不斷與金屬晶格點(diǎn)陣上的質(zhì)子碰撞，把自身的能量傳遞給質(zhì)子，使晶格點(diǎn)陣的熱運(yùn)動加劇，導(dǎo)致溫度上升，是電流的熱效應(yīng)，由電能轉(zhuǎn)換過來的熱能稱為焦耳熱。當(dāng)體密度為ρ的帶電粒子以速度

運(yùn)動時，單位時間內(nèi)電場力對dV體積內(nèi)的電荷所做的功，即功率導(dǎo)體內(nèi)任一點(diǎn)的熱功率密度對恒定電流和時變電流的都成立。焦耳定律的微分形式

導(dǎo)體中沿電流線方向取一長度為△l、截面為△S的體積元，體積元內(nèi)消耗的功率為導(dǎo)體內(nèi)任一點(diǎn)的熱功率密度

當(dāng)導(dǎo)體兩端的電壓為U、流過的電流為I時，單位時間內(nèi)電場力對電荷所做的功，即功率是在恒定電流和時變電流的情況下都成立。

對運(yùn)流電流不適用，因為運(yùn)流電流中電場力對電荷所做的功不變成熱量，而變成電荷的動能。歐姆定律的微分形式焦耳定律的微分形式電流熱效應(yīng)的用處：電爐子、電褥子、電吹風(fēng)、電磁爐上的鍋（感應(yīng)電流的熱效應(yīng)）電流熱效應(yīng)的弊端（導(dǎo)體損耗）：電力線損耗

在靜電感應(yīng)過程中，金屬導(dǎo)體內(nèi)的大量自由電子在外電場驅(qū)使下會發(fā)生定向運(yùn)動，形成宏觀電流，但這電流的持續(xù)時間是極短暫的。在導(dǎo)體內(nèi)形成恒定電流必須在導(dǎo)體內(nèi)建立一個恒定電場，保持兩點(diǎn)間電勢差不變。若將導(dǎo)體兩端接到電源的兩極上，就能在導(dǎo)體內(nèi)形成長時間持續(xù)的電流。導(dǎo)體內(nèi)恒定電場的建立