《電動力學(xué)(第三版)》chapter1-4課件

1、第一章電磁現(xiàn)象的普遍規(guī)律第一章1.4 介質(zhì)的電磁性質(zhì)內(nèi) 容 概 要 1. 關(guān)于介質(zhì)的概念 2. 介質(zhì)的極化 3. 介質(zhì)的磁化 4. 介質(zhì)中的麥克斯韋方程組1.4 介質(zhì)的電磁性質(zhì)內(nèi) 容 概 要 1. 關(guān)于介質(zhì)1. 關(guān)于介質(zhì)的概念 介質(zhì)由分子組成. 從電磁學(xué)觀點(diǎn)看來，介質(zhì)是一個帶電粒子系統(tǒng)，其內(nèi)部存在著不規(guī)則而又迅速變化的微觀電磁場. 介質(zhì)分子的正、負(fù)電荷中心不重合，有分子電偶極矩，但因分子的無規(guī)則熱運(yùn)動，在物理小體積內(nèi)的平均電偶極矩為零，故沒有宏觀上的電偶極矩分布. 電介質(zhì)的分類：介質(zhì)分子的正、負(fù)電荷中心重合，沒有電偶極矩. 1. 關(guān)于介質(zhì)的概念 介質(zhì)由分子組成. 從電磁介質(zhì)的電特性介質(zhì)的磁特性

2、極化束縛電荷磁化電流磁化 沒有外場時，介質(zhì)內(nèi)部的宏觀電磁場為零. 有外場時，介質(zhì)中的帶電粒子受到場的作用，正負(fù)電荷發(fā)生相對位移，有極分子的取向以及分子電流的取向呈現(xiàn)一定的規(guī)則性，這就是介質(zhì)的極化和磁化現(xiàn)象. 束縛電荷和磁化電流反過來又激發(fā)起附加的宏觀電磁場，疊加外場后得到介質(zhì)內(nèi)的總電磁場. 介質(zhì)的電特性介質(zhì)的磁特性極化束縛電荷磁化電流磁化 兩大類電介質(zhì)分子結(jié)構(gòu)：有極分子：分子的正、負(fù)電荷中心在無外場時不重合，分子存在固有電偶極矩. 2. 介質(zhì)的極化H2O= 兩大類電介質(zhì)分子結(jié)構(gòu)：有極分子：分子的正、負(fù)電荷中心=CH4無極分子：分子的正、負(fù)電荷中心在無外場時重合，分子沒有固有電偶極矩. =C4-

3、H+H+H+H+CH4=CH4無極分子：分子的正、負(fù)電荷中心在無外場時重合，分子沒+-無極分子的位移極化+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-E0一致極化無外場時有外場時+-無極分子的位移極化+-+-有極分子的取向極化+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-取向無規(guī)則取向趨同極化無外場時有外場時+-有極分子的取向極化+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+電極化強(qiáng)度矢量：(1) 介質(zhì)的內(nèi)部V內(nèi)凈余的負(fù)電荷：束縛電荷束縛電荷不能自由移動，是電極化強(qiáng)度矢量之源. 由V內(nèi)通過界面 穿出去的正電荷為:電極化強(qiáng)度矢量：(1) 介質(zhì)的

4、內(nèi)部V內(nèi)凈余的負(fù)電荷：束縛電荷束縛電荷討論 均勻介質(zhì)內(nèi)部沒有束縛電荷，束縛電荷僅出現(xiàn)在自由電荷附近以及介質(zhì)界面處. 對非均勻介質(zhì) 一般存在束縛電荷 對均勻介質(zhì)束縛電荷討論 均勻介質(zhì)內(nèi)部沒有束縛電荷，束縛 若電場變化束縛電荷密度會變化極化電流極化電流密度 若電場變化束縛電荷密度會變化極化電流極化電流密度(2) 介質(zhì)界面(表面)薄層內(nèi)出現(xiàn)的凈余電荷為介質(zhì)1介質(zhì)2 介質(zhì)2通過薄層右側(cè)進(jìn)入薄層的正電荷為 ，由介質(zhì)1通過薄層左側(cè)進(jìn)入薄層的正電荷為(2) 介質(zhì)界面(表面)薄層內(nèi)出現(xiàn)的凈余電荷為介質(zhì)1介質(zhì)2 束縛電荷面密度對于表面，介質(zhì)2為真空為分界面上由介質(zhì)1指向2的法線束縛電荷面密度對于表面，介質(zhì)2為真

5、空為分界面上由介質(zhì)1指向2介質(zhì)內(nèi)的電現(xiàn)象: (i)電場使介質(zhì)極化產(chǎn)生束縛電荷; (ii)束縛電荷反過來激發(fā)電場.定義電位移矢量 自由電荷決定電位移矢量； 宏觀總電場決定于自由電荷和極化電荷. (3) 束縛電荷對電場的影響介質(zhì)內(nèi)的電現(xiàn)象: (i)電場使介質(zhì)極化產(chǎn)生束縛電荷; 定義電 對于線性介質(zhì)（鐵電材料就不是線性介質(zhì)），實(shí)驗(yàn)表明介質(zhì)電容率:介質(zhì)相對電容率:介質(zhì)極化率 對于線性介質(zhì)（鐵電材料就不是線性介質(zhì)），實(shí)驗(yàn)3. 介質(zhì)的磁化取向趨同單個分子微體積元每個電流環(huán)具有磁偶極矩微觀分子中電子的運(yùn)動，可以等效成載有電流i，面積矢量為 的電流環(huán)3. 介質(zhì)的磁化取向趨同單個分子每個電流環(huán)具有磁偶極矩微觀定

6、義磁化強(qiáng)度 單位體積內(nèi)的等效磁偶極矩 局域量 由圖可知，通過S的總磁化電流IM等于邊界線L所鏈環(huán)著的分子數(shù)目乘上每個分子的電流i. 因?yàn)槿舴肿与娏鞅贿吔缇€L鏈環(huán)著,該分子電流就對S的電流有貢獻(xiàn). 在其他情形下,或者分子電流根本不通過S, 或者從S背面流出來后再從前面流進(jìn),所以對IM沒貢獻(xiàn). 定義磁化強(qiáng)度 單位體積內(nèi)的等效磁偶極矩 由圖可知 若單位體積分子數(shù)為n，被邊界L 鏈環(huán)著的分子電流數(shù)目為穿過(穿出向外)曲面的總(凈余)磁化電流磁化電流密度磁化電流不會出現(xiàn)在均勻介質(zhì)內(nèi)部，只可能出現(xiàn)在介質(zhì)表面. 若單位體積分子數(shù)為n，被邊界L 鏈環(huán)著的分子電介質(zhì)對宏觀磁場的作用是通過誘導(dǎo)電流激發(fā)磁場. 介質(zhì)

7、對磁場的影響極化電流密度磁化電流密度磁場是傳導(dǎo)電流、磁化電流和極化電流共同激發(fā)的結(jié)果誘導(dǎo)電流密度介質(zhì)對宏觀磁場的作用是通過誘導(dǎo)電流激發(fā)磁場. 介質(zhì)對磁場的影磁場強(qiáng)度 對于各向同性非鐵磁物質(zhì),磁化強(qiáng)度M和H之間是線性關(guān)系介質(zhì)磁導(dǎo)率:介質(zhì)相對磁導(dǎo)率:介質(zhì)磁化率磁場強(qiáng)度 對于各向同性非鐵磁物質(zhì),磁化強(qiáng)度M和H之間是電位移矢量與磁場強(qiáng)度 極化電荷、極化電流、磁化電流同樣可以產(chǎn)生電磁場，故介質(zhì)中有電位移矢量與磁場強(qiáng)度 極化電荷、極化電流、磁化電流同樣可以產(chǎn) 引入個兩輔助場量：磁場強(qiáng)度電位移矢量 整理方程，有 引入個兩輔助場量：磁場強(qiáng)度電位移矢量 整理方程，有4. 介質(zhì)中的麥克斯韋方程組描述變化的磁場激發(fā)

8、電場，相關(guān)實(shí)驗(yàn)規(guī)律是法拉第“電磁感應(yīng)定律”；描述電流和變化的電場激發(fā)磁場，相關(guān)實(shí)驗(yàn)規(guī)律是畢奧-薩伐爾定律”；描述電荷激發(fā)電場，相關(guān)實(shí)驗(yàn)規(guī)律是“庫倫定律”；描述磁場是無源場(磁單極子不存在)，相關(guān)實(shí)驗(yàn)規(guī)律是“畢奧-薩伐爾定律”；自由!(1) 麥克斯韋方程組4. 介質(zhì)中的麥克斯韋方程組描述變化的磁場激發(fā)電場，相關(guān)實(shí) 介質(zhì)的電磁性質(zhì)方程（本構(gòu)方程）(2) 輔助方程 歐姆定律（微分形式）為電導(dǎo)率 洛倫茲力密度公式 電荷守恒定律對于各向同性介質(zhì) 介質(zhì)的電磁性質(zhì)方程（本構(gòu)方程）(2) 輔助方程 歐姆定律（例1 求穩(wěn)恒條件下，線性均勻介質(zhì)內(nèi)磁化電流密度與傳導(dǎo)電流密度的關(guān)系. 解：例1 求穩(wěn)恒條件下，線性均勻

9、介質(zhì)內(nèi)磁化電流密度與傳導(dǎo)電流密例2 求線性均勻?qū)w內(nèi)自由電荷密度隨時間變化的規(guī)律. 解：例2 求線性均勻?qū)w內(nèi)自由電荷密度隨時間變化的規(guī)律. 解：例3 若自由磁荷（磁單極）存在，試猜想應(yīng)當(dāng)怎樣改寫麥克斯韋方程組？例3 若自由磁荷（磁單極）存在，試猜想應(yīng)當(dāng)怎樣改寫麥克斯韋(3) 關(guān)于復(fù)雜介質(zhì)常用描述詞：(非)均勻、各向同(異)性、(非)線性. 各向同性線性介質(zhì)電磁性質(zhì)方程 各向同性線性電介質(zhì)實(shí)驗(yàn)規(guī)律： 各向同性線性非鐵磁物質(zhì)磁響應(yīng)規(guī)律： 各向同性線性導(dǎo)體中電響應(yīng)規(guī)律（歐姆定律）：(3) 關(guān)于復(fù)雜介質(zhì)常用描述詞：(非)均勻、各向同(異)性、幾個物理詞匯 均勻: 物理性質(zhì)不隨空間位置變化 各向同性: 物理性質(zhì)與方向無關(guān) 線性: 物理量之間的關(guān)系是線性函數(shù) 非均勻、非線性、非各向同性的“三非”介質(zhì)非線性非均勻各向異性幾個物理詞匯 均勻: 物理性質(zhì)不隨空間位置變化 各向同性: 一般介質(zhì)電磁性質(zhì)方程 各向異性線性電介質(zhì)，一般介電常量為張量： 各向異性非線性