第三章靜態(tài)電磁場中的介質(zhì) 姜宇 哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院電子科學(xué)技術(shù)研究所 本章內(nèi)容安排3 1靜電場中的導(dǎo)體3 2靜電場中電介質(zhì)的極化3 3介質(zhì)中的靜電場方程3 4物質(zhì)的磁化3 5磁介質(zhì)中的磁場方程3 6標(biāo)量磁位 第三章靜態(tài)電磁場中的介質(zhì) 3 1靜電場中的導(dǎo)體 第三章靜態(tài)電磁場中的介質(zhì) 導(dǎo)體建立靜電平衡狀態(tài)的過程 靜電平衡導(dǎo)體上電荷分布具有以下特點 導(dǎo)體內(nèi)體電荷密度處處為零 電荷只分布在導(dǎo)體表面 導(dǎo)體表面上的面電荷密度與該處表面外附近的場強在數(shù)值上成正比 第三章靜態(tài)電磁場中的介質(zhì) 3 2靜電場中電介質(zhì)的極化3 2 1介質(zhì)的極化 1 非極性分子 位移極化特點 當(dāng)無外加電場的時候 非極性分子所帶正負(fù)電荷的中心重合 根據(jù)電偶極矩的概念可以知道 固有電偶極矩為零 當(dāng)將非極性分子置于外電場中的時候 在外電場的作用之下使得分子的正負(fù)電荷中心發(fā)生微小位移 產(chǎn)生附加電偶極矩 并且附加電偶極矩沿著外電場的方向 第三章靜態(tài)電磁場中的介質(zhì) 第三章靜態(tài)電磁場中的介質(zhì) 非極性分子 2 極性分子 取向極化特點 當(dāng)無外加電場時極性分子所帶正負(fù)電荷的中心不重合 其固有電偶極矩不為零 雖然每一個極性分子均具有固有電偶極矩 但是由于分子的不規(guī)則運動 在一塊介質(zhì)中 所有分子的固有電偶極矩的矢量和平均值為零 即宏觀電矩為零 當(dāng)把電介質(zhì)放入到外部電場時 每個分子的電偶極矩受到力矩的作用 使分子的電偶極矩方向轉(zhuǎn)向外加電場的方向 雖然各個分子仍然在做熱運動 但其電偶極矩指向大致相同 第三章靜態(tài)電磁場中的介質(zhì) 極化 外電場作用之下 或者使電介質(zhì)的分子產(chǎn)生附加電偶極矩 或者使電介質(zhì)分子的固有電偶極矩沿外電場方向取向的這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化 第三章靜態(tài)電磁場中的介質(zhì) 極性分子 3 2 2極化強度與束縛電荷極化強度 為了衡量介質(zhì)被極化的程度以及極化性質(zhì)或者束縛電荷 由于介質(zhì)極化 體積V中的正 負(fù)電荷可能不完全抵消 從而出現(xiàn)凈余的正電荷或者負(fù)電荷 即出現(xiàn)宏觀電荷分布 我們稱這種電荷為極化電荷或者束縛電荷 第三章靜態(tài)電磁場中的介質(zhì) 第三章靜態(tài)電磁場中的介質(zhì) 介質(zhì)極化示意圖 1 極化體電荷與極化強度之間的關(guān)系 2 面極化電荷與極化強度之間的關(guān)系 第三章靜態(tài)電磁場中的介質(zhì) 面極化電荷 3 3介質(zhì)中的靜電場方程3 3 1介質(zhì)中的高斯定理 1 介質(zhì)中靜電場高斯定理的微分形式 2 介質(zhì)中靜電場高斯定理的積分形式 第三章靜態(tài)電磁場中的介質(zhì) 3 3 3介電常數(shù)組成關(guān)系 對于線性各向同性的介質(zhì)而言 實驗表明其組成關(guān)系為介質(zhì)的結(jié)構(gòu)方程 第三章靜態(tài)電磁場中的介質(zhì) 3 4物質(zhì)的磁化3 4 1磁化的概念磁化 在外磁場的作用之下 電子的運動狀態(tài)要發(fā)生變化 稱這種現(xiàn)象為物質(zhì)的磁化 而能被引起磁化的物質(zhì)為磁介質(zhì) 第三章靜態(tài)電磁場中的介質(zhì) 3 4 2磁化強度磁化強度 描述磁介質(zhì)磁化的程度或者 第三章靜態(tài)電磁場中的介質(zhì) 3 4 4磁化電流磁化電流 當(dāng)磁介質(zhì)被外加磁場磁化之后 可以將其看作是真空中一系列磁偶極子 那么磁介質(zhì)產(chǎn)生的附加磁場實質(zhì)上就是這些磁偶極子在真空中產(chǎn)生的磁場 磁介質(zhì)中由于分子磁矩的有序排列而呈現(xiàn)宏觀磁效應(yīng) 取向排列的分子電流同樣會引起宏觀電流分布 從而在介質(zhì)內(nèi)部要產(chǎn)生某一個方向的凈電流 在介質(zhì)的表面也要產(chǎn)生宏觀面電流 我們稱之為磁化電流 也叫作束縛電流 第三章靜態(tài)電磁場中的介質(zhì) 3 5磁介質(zhì)中的磁場方程3 5 1磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理磁介質(zhì)中的磁場強度 第三章靜態(tài)電磁場中的介質(zhì) 磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理 1 微分形式 2 積分形式