1.5 1.5 介质的电磁性质介质的电磁性质Electromagnetic Property in Medium 对对于于介介质质，从从微微观观上上看看都都是是由由带带正正电电或或负负电电的的粒粒子子组组成成的的集集合合. .介介质质的的存存在在相相当当于于真真空空中中存存在在着着大大量量的的带带电电粒粒子子，因因此此从从这这个个角角度度讲讲介介质质的的存存在在本本质质上上没没有有什什么么特特殊殊的的地地方方。宏宏观观电电动动力力学学( (经经典典电电动动力力学学) )不不是是考考察察个个别别粒粒子子产产生生的的微微观观电电磁磁场场，而而是是考考察察它它们们的的宏宏观观平平均均值值。由由于于介介质质在在宏宏观观电电磁磁场场的的作作用用下下，将将被被极极化化和和磁磁化化，即即出出现现宏宏观观的的附附加加电电荷荷和和电电流流，这这些些附附加加的的电电荷荷和和电电流流也也要要激激发发电电磁磁场场，使使原原来的宏观电磁场有所改变。所以在介质的极化和磁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，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用的结果。和电磁场之间相互作用的结果。 本节将要研究的是介质在外场作用下可能出现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。哪些附加电荷和电流。1、介质的极化介质的极化（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：矩。在电磁学中，曾引进了极化强度矢量：其中其中 是第是第 i 个分子的电偶极矩，即个分子的电偶极矩，即 , 求和求和是对是对 体积中所有分子进行的。体积中所有分子进行的。 a) a) a) a) 极化电荷体密度与极化强度的关系极化电荷体密度与极化强度的关系极化电荷体密度与极化强度的关系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，的正负电荷可能不完全抵消，这样就呈现宏观电荷，称之为极化电荷。，称之为极化电荷。 若极化时正负电荷拉开的位移为若极化时正负电荷拉开的位移为 ，设介质分子，设介质分子密度为密度为n n，则通过则通过 面跑出去的正电荷数目为面跑出去的正电荷数目为 从从 面跑出去的电荷面跑出去的电荷 , ,于是通过于是通过任一封闭曲面跑出去的总电荷为任一封闭曲面跑出去的总电荷为+ql+q+q-q-q-q 由于介质是电中性的，由于介质是电中性的， 也等于也等于V内净余的负内净余的负电荷，即电荷，即因为因为式中式中V是是S所包围的体积，所以所包围的体积，所以即即由此可见，负电荷为极化源头，正电荷为极化尾闾。由此可见，负电荷为极化源头，正电荷为极化尾闾。 b) b) b) b) 极化电流密度与极化强度的关系极化电流密度与极化强度的关系极化电流密度与极化强度的关系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：化电流。极化电流和极化电荷也满足连续性方程：即即所以所以 c) c) 极化电荷面密度与极化强度的关系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电荷。在均匀介质中，极化电荷只出现在介质界面上。在介质上。在介质1 1和介质和介质2 2分界面上取一个面元为分界面上取一个面元为 ，在，在分界面两侧取一定厚度的薄层，使分界面包围在薄分界面两侧取一定厚度的薄层，使分界面包围在薄层内。层内。介质介质1介质介质2 通过薄层进入介质通过薄层进入介质2 2的正电荷为的正电荷为 ，由介质，由介质1 1通过薄层下侧面进入薄层的正电荷为通过薄层下侧面进入薄层的正电荷为 因此薄层因此薄层出现的净余电荷为出现的净余电荷为以以 为极化电荷面密度，则有为极化电荷面密度，则有得到得到2 2、介质的磁化介质的磁化（magnetization of dielectric) ) 介质的磁化说明介质对磁场的反映介质的磁化说明介质对磁场的反映, ,介质内部分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。效应，这就是磁化现象。 在电磁学中，引入了磁化强度矢量在电磁学中，引入了磁化强度矢量 ，其定义，其定义为单位体积内的磁偶极子数，即为单位体积内的磁偶极子数，即其中其中 是第是第i 个环形电流的磁偶极子，即个环形电流的磁偶极子，即为为第第i个个分分子子环环流流的的面面积积，求求和和是是对对 中中所所有有环环流流进进行。行。 a) a) 磁化电流密度与磁化强度的关系磁化电流密度与磁化强度的关系磁化电流密度与磁化强度的关系磁化电流密度与磁化强度的关系 由由于于磁磁化化，引引起起介介质质内内部部环环形形电电流流有有规规则则取取向向，呈呈现现宏宏观观电电流流效效应应，这这种种由由磁磁化化引引起起的的电电流流称称为为磁磁化电流。化电流。 设设S为介质内部的一个曲为介质内部的一个曲面，其边界线为面，其边界线为L，环形电流环形电流通过通过S面有两种情况面有两种情况: 一一种种是是在在S面面中中间间通通过过两两次次的的环环形形电电流流，为为1、2、3，这种电流环对总电流没有贡献；而另一种是在，这种电流环对总电流没有贡献；而另一种是在SLS87612345面面中中间间通通过过一一次次的的环环流流，如如4、5、7，这这种种电电流流环环对对总总电电流流有有贡贡献献，但但这这种种情情形形只只能能发发生生在在边边界界上上。当当然，在然，在S面外的电流环面外的电流环8，对总电流同样无贡献。，对总电流同样无贡献。 每每一一个个环环形形电电流流贡贡献献为为 或或-i，在在S面面上上一一共共有有多多少这种电流呢？少这种电流呢？ 在边界线在边界线L上取一线元上取一线元 ，设环，设环形电流圈形电流圈 的面积为的面积为 ，则，则 由图可见，若分子中心位于体由图可见，若分子中心位于体积元积元 的柱体内，则该环形电流的柱体内，则该环形电流就被就被 所穿过。因此，若单位体积所穿过。因此，若单位体积i内分子数为内分子数为n，则被边界线则被边界线L穿过的环形电流数目为穿过的环形电流数目为此数目乘上每个环形电流此数目乘上每个环形电流i ，即得从即得从S背面流向前面背面流向前面的总磁化电流：的总磁化电流：以以 表示磁化电流密度，有表示磁化电流密度，有所以所以故得故得对对 两边取散度，得两边取散度，得这这就就说说明明磁磁化化电电流流不不引引起起电电荷荷的的积积累累，不不存存在在磁磁化化电流的源头。电流的源头。 b) b) b) b) 磁化电流面密度与磁化强度的关系磁化电流面密度与磁化强度的关系磁化电流面密度与磁化强度的关系磁化电流面密度与磁化强度的关系 对对于于均均匀匀介介质质，磁磁化化后后介介质质内内部部的的 为为一一常常矢矢量。可见量。可见 ，即介质内部，即介质内部 。但。但表面上却有电流分布。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（或叫线电流密度）的大变为横截线。面电流密度（或叫线电流密度）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。它们方向即为该点电流的方向。现现在在来来看看两两介介质质交交界界面面上上的的磁磁化化电电流流分分布布情情况况。如如图所示的回路中，有图所示的回路中，有介质介质2介质介质1即即根据矢量分析根据矢量分析则得到则得到 即即 又因为又因为故得到故得到3、介质中的方程组介质中的方程组（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，即由电荷和极化电荷，即介质中出现的电流有传导电流介质中出现的电流有传导电流(自由电流自由电流)、极化电、极化电流、磁化电流。流、磁化电流。即即因此，在介质存在的情况下，因此，在介质存在的情况下，Maxwells equations应应修改为：修改为：若令若令则得到则得到4 4、电磁性质方程电磁性质方程电磁性质方程电磁性质方程（electromagnetic property electromagnetic property equequs)s) 宏观宏观Maxwells equations是包含有是包含有 这四这四个场量。显然在导入量个场量。显然在导入量 之间的关系尚未确之间的关系尚未确定之前是无法求出方程组的解。这些关系隐含在定之前是无法求出方程组的解。这些关系隐含在 和和 之中，一般说来之中，一般说来 ，它它们们的的函函数数关关系系视视各各种种介介质质的的性性质质而而定定，所所以以必必须须引引入入一一些些关关系系来来反反映映介介质质电电磁磁性性质质，这这些些关关系系常常称称为为介介质质的的电电磁磁性性质质方方程程。或或者者称称为为介介质的电磁性质的质的电磁性质的本构关系本构关系。 大大多多数数物物质质在在场场强强不不是是很很强强的的情情况况下下，介介质质对对场场的的反反应应是是线线性性的的。尤尤其其在在各各向向同同性性的的物物质质内内，线线性关系写成简单的比例关系：性关系写成简单的比例关系：其中其中 都是比例常数，通常分别被称为极都是比例常数，通常分别被称为极化率、介电常数、磁化率和导磁系数。化率、介电常数、磁化率和导磁系数。 将电磁性质方程与将电磁性质方程与 的定义式比较，有的定义式比较，有式中式中 称为相对介电常数，称为相对介电常数， 称为相对导磁系数。称为相对导磁系数。 在导电物质中，有在导电物质中，有 称为电导率，因此，电磁性质方程的称为电导率，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，应当指出，在高频情况下，由于场变化很快，以致于极化电荷和磁化电流跟不上场的变化，所以以致于极化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极化率和磁化率都将是场变化频率的函数，即的函数，即 。其次在铁电和铁磁物质或强场。其次在铁电和铁磁物质或强场情况下，情况下， 之间将不再是齐次线性关系。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：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。因此，要注意电磁性质方程的适用范围。本节主要内容回顾本节主要内容回顾1.电极化电极化极化电荷密度与极化强度之间关系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.磁磁化磁磁化磁化电流密度与磁化强度之间关系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、电流介质中电荷、电流电磁场中的介质中电荷密度和电流密度电磁场中的介质中电荷密度和电流密度4.介质中介质中Maxwells Equations与与真真空空中中Maxwells Equations相相比比较较,用用介介质质中中电电荷荷密密度度、电流密度将真空中的电流密度与电荷密度代替即可。电流密度将真空中的电流密度与电荷密度代替即可。5.介质中介质中电磁性电磁性介质的电磁性质方程介质的电磁性质方程介质中介质中Maxwells Equations可简化为可简化为Class is Over!Thank you! Boys and girls!