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1、1.5 介质的电磁性质Electromagnetic Property in Medium,对于介质，从微观上看都是由带正电或负电的粒子组成的集合.介质的存在相当于真空中存在着大量的带电粒子，因此从这个角度讲介质的存在本质上没有什么特殊的地方。宏观电动力学(经典电动力学)不是考察个别粒子产生的微观电磁场，而是考察它们的宏观平均值。由于介质在宏观电磁场的作用下，将被极化和磁化，即出现宏观的附加电荷和电流，这些附加的电荷和电流也要激发电磁场，使原来的宏观电磁场有所改变。所以在介质的极化和磁,化过程中，电荷和电场、电流和磁场是互相制约的，介质的内部宏观电磁现象就是这些电荷、电流分布和电磁场之间相互作
2、用的结果。本节将要研究的是介质在外场作用下可能出现哪些附加电荷和电流。1、介质的极化（polarization of dielectric)介质的极化说明介质对电场的反映，在有电场的情况下，介质中的正负电荷分别受到方向相反的作用力，因此正负电荷间的距离拉开了。另外，那,些有极分子在电场作用下按一定方向有序排列，从宏观上来看这两种行为都相当于产生了一个电偶极矩。在电磁学中，曾引进了极化强度矢量：其中 是第 i 个分子的电偶极矩，即,求和是对 体积中所有分子进行的。a)极化电荷体密度与极化强度的关系 由于极化，正负电荷间发生了相对位移，每处的正负电荷可能不完全抵消，这样就呈现宏观电荷，,，称之为极
3、化电荷。若极化时正负电荷拉开的位移为，设介质分子密度为n，则通过 面跑出去的正电荷数目为 从 面跑出去的电荷,于是通过任一封闭曲面跑出去的总电荷为,由于介质是电中性的，也等于V内净余的负电荷，即因为式中V是S所包围的体积，所以,即由此可见，负电荷为极化源头，正电荷为极化尾闾。b)极化电流密度与极化强度的关系 当电场随时间改变时，极化过程中正负电荷的相对位移也将随时间改变，由此产生的电流称为极化电流。极化电流和极化电荷也满足连续性方程：即,所以 c)极化电荷面密度与极化强度的关系 因为在非均匀介质内部，极化后一般出现极化电荷。在均匀介质中，极化电荷只出现在介质界面上。在介质1和介质2分界面上取一
4、个面元为，在分界面两侧取一定厚度的薄层，使分界面包围在薄层内。,介质1,介质2,通过薄层进入介质2的正电荷为，由介质1通过薄层下侧面进入薄层的正电荷为 因此薄层出现的净余电荷为以 为极化电荷面密度，则有得到2、介质的磁化（magnetization of dielectric)介质的磁化说明介质对磁场的反映,介质内部分,的电子运动构成微观环形电流，这种环形电流相当于一个磁偶极子。在没有外磁场时，这些磁矩取向是无规则的，不呈现宏观电流效应，一旦在外磁场作用下，环形电流出现有规则取向，形成宏观电流效应，这就是磁化现象。在电磁学中，引入了磁化强度矢量，其定义为单位体积内的磁偶极子数，即其中 是第i
5、个环形电流的磁偶极子，即,为第i个分子环流的面积，求和是对 中所有环流进行。a)磁化电流密度与磁化强度的关系 由于磁化，引起介质内部环形电流有规则取向，呈现宏观电流效应，这种由磁化引起的电流称为磁化电流。设S为介质内部的一个曲面，其边界线为L，环形电流通过S面有两种情况:一种是在S面中间通过两次的环形电流，为1、2、3，这种电流环对总电流没有贡献；而另一种是在S,面中间通过一次的环流，如4、5、7，这种电流环对总电流有贡献，但这种情形只能发生在边界上。当然，在S面外的电流环8，对总电流同样无贡献。每一个环形电流贡献为 或-i，在S面上一共有多少这种电流呢？在边界线L上取一线元，设环形电流圈 的
6、面积为，则 由图可见，若分子中心位于体积元 的柱体内，则该环形电流就被 所穿过。因此，若单位体积,i,内分子数为n，则被边界线L穿过的环形电流数目为此数目乘上每个环形电流i，即得从S背面流向前面的总磁化电流：以 表示磁化电流密度，有,所以故得对 两边取散度，得这就说明磁化电流不引起电荷的积累，不存在磁化电流的源头。b)磁化电流面密度与磁化强度的关系 对于均匀介质，磁化后介质内部的 为一常矢量。可见，即介质内部。但,表面上却有电流分布。为此，要引入面电流密度的概念。面电流实际上是靠近表面的相当多分子层内的平均宏观效应，对于宏观来说薄层的厚度趋于零，则通过电流的横截面变为横截线。面电流密度（或叫线
7、电流密度）的大小定义为垂直通过单位横截面（现在为线）的电流,它们方向即为该点电流的方向。,现在来看两介质交界面上的磁化电流分布情况。如图所示的回路中，有,即根据矢量分析则得到 即 又因为故得到,3、介质中的方程组（equations in medium)由上述讨论可知，介质存在时空间电荷包括自由电荷和极化电荷，即介质中出现的电流有传导电流(自由电流)、极化电流、磁化电流。即因此，在介质存在的情况下，Maxwells equations应修改为：,若令,则得到4、电磁性质方程（electromagnetic property equs)宏观Maxwells equations是包含有 这四个场量
8、。显然在导入量 之间的关系尚未确定之前是无法求出方程组的解。这些关系隐含在,和 之中，一般说来，它们的函数关系视各种介质的性质而定，所以必须引入一些关系来反映介质电磁性质，这些关系常称为介质的电磁性质方程。或者称为介质的电磁性质的本构关系。大多数物质在场强不是很强的情况下，介质对场的反应是线性的。尤其在各向同性的物质内，线性关系写成简单的比例关系：,其中 都是比例常数，通常分别被称为极化率、介电常数、磁化率和导磁系数。将电磁性质方程与 的定义式比较，有式中 称为相对介电常数，称为相对导磁系数。在导电物质中，有 称为电导率，因此，电磁性质方程的,应当指出，在高频情况下，由于场变化很快，以致于极化
9、电荷和磁化电流跟不上场的变化，所以极化率和磁化率都将是场变化频率的函数，即。其次在铁电和铁磁物质或强场情况下，之间将不再是齐次线性关系。另外，对于各向异性的介质来说，介电常数和导磁系数都是张量，场强和感应场强之间的关系推广为,对于导电介质来说，有推广的欧姆定定律：因此，要注意电磁性质方程的适用范围。,本节主要内容回顾,1.电极化,极化电荷密度与极化强度之间关系,极化电流密度与极化强度之间关系,积分形式,微分形式,根据电荷守恒定律推导得,极化电荷面密度与极化强度之间关系,整体,微观,2.磁磁化,磁化电流密度与磁化强度之间关系,积分形式,微分形式,磁化电流面密度与磁化强度之间关系,整体,微观,3.介质中电荷、电流,电磁场中的介质中电荷密度和电流密度,4.介质中Maxwells Equations,与真空中Maxwells Equations相比较,用介质中电荷密度、电流密度将真空中的电流密度与电荷密度代替即可。,5.介质中电磁性,介质的电磁性质方程,介质中Maxwells Equations可简化为,Class is Over!,Thank you!Boys and girls!,
