電磁介質(zhì)2005.4本章有機(jī)會處理

場

物質(zhì)物質(zhì)與場是物質(zhì)存在的兩種形式物質(zhì)性質(zhì)：非常復(fù)雜（只能初步地討論）要特別注意課程中討論這種問題所加的限制相互作用場物質(zhì)

有響應(yīng)？有作用？物質(zhì)固有的電磁結(jié)構(gòu)

自由電荷：宏觀移動束縛電荷：極化磁介質(zhì)磁化2005.4

物質(zhì)具有電結(jié)構(gòu)當(dāng)物質(zhì)處于靜電場中

場對物質(zhì)的作用：對物質(zhì)中的帶電粒子作用物質(zhì)對場的響應(yīng)：物質(zhì)中的帶電粒子對電場力的作用的響應(yīng)

導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體有著不同的固有電結(jié)構(gòu)不同的物質(zhì)會對電場作出不同的響應(yīng)，產(chǎn)生不同的后果，——在靜電場中具有各自的特性。導(dǎo)體中存在著大量的自由電子——靜電平衡絕緣體中的自由電子非常稀少——極化半導(dǎo)體中的參與導(dǎo)電的粒子數(shù)目介于兩者之間。2005.4電介質(zhì)極化的微觀機(jī)制

無極分子：正負(fù)電荷中心完全重合(H2、N2)微觀：電偶極矩p分子＝0，(l=0)宏觀：中性不帶電↘↗↙→←↓→↗↘↙↙↓↙↗↘

±±±±±±±±±±±±±±±

有極分子：正負(fù)電荷中心不重合(H2O、Hcl)微觀：電偶極矩p分子

0，(l

0)宏觀：中性不帶電

2005.4

無極分子

有極分子極化性質(zhì)

位移極化

取向極化

后果：出現(xiàn)極化電荷（不能自由移動）→束縛電荷

±±±±±±±±±±±±±±±

↘↗↙→←↓→↗↘↙↙↓↙↗↘2005.4極化的描繪：P、q’、E’極化強(qiáng)度矢量P：描述介質(zhì)在外電場作用下被極化的強(qiáng)弱程度的物理量定義：單位體積內(nèi)電偶極矩的矢量和

介質(zhì)的體積，宏觀小微觀大（包含大量分子）

介質(zhì)中一點(diǎn)的P(宏觀量

)

微觀量2005.4極化電荷極化后果：從原來處處電中性變成出現(xiàn)了宏觀的極化電荷可能出現(xiàn)在介質(zhì)表面

（均勻介質(zhì)）面分布可能出現(xiàn)在整個介質(zhì)中

（非均勻介質(zhì)）體分布

極化電荷會產(chǎn)生電場——附加場（退極化場）極化電荷產(chǎn)生的場外場

極化過程中：極化電荷與外場相互影響、相互制約，過程復(fù)雜——達(dá)到平衡（不討論過程）平衡時總場決定了介質(zhì)的極化程度2005.4退極化場E’附加場E’：在電介質(zhì)內(nèi)部：附加場與外電場方向相反，削弱在電介質(zhì)外部：附加場與外電場方向相同，加強(qiáng)2005.4極化的后果三者從不同角度定量地描繪同一物理現(xiàn)象

——極化，之間必有聯(lián)系，這些關(guān)系——電介質(zhì)極化遵循的規(guī)律2005.4P與q’的關(guān)系

以位移極化為模型討論設(shè)介質(zhì)極化時每一個分子中的正電荷中心相對于負(fù)電荷中心有一位移l,用q代表正、負(fù)電荷的電量,則一個分子的電偶極矩設(shè)單位體積內(nèi)有n

個分子

——有n個電偶極子

在介質(zhì)內(nèi)部任取一面元矢量dS,必有電荷因?yàn)闃O化而移動從而穿過

dS,該柱體內(nèi)極化電荷的總量為：P在dS上的通量2005.4對于介質(zhì)中任意閉合面P的通量=？

取一任意閉合曲面S以曲面的外法線方向n為正極化強(qiáng)度矢量P經(jīng)整個閉合面S的通量等于因極化穿出該閉合面的極化電荷總量

q’根據(jù)電荷守恒定律，穿出S的極化電荷等于S面內(nèi)凈余的等量異號極化電荷－

q’

均勻介質(zhì)：介質(zhì)性質(zhì)不隨空間變化

進(jìn)去=出來——閉合面內(nèi)不出現(xiàn)凈電荷

‘＝0非均勻介質(zhì)：進(jìn)去

出來，閉合面內(nèi)凈電荷

‘

0

均勻極化：P是常數(shù)

普遍規(guī)律可以證明注意區(qū)分2005.4微分形式介質(zhì)中任意一點(diǎn)的極化強(qiáng)度矢量的散度等于該點(diǎn)的極化電荷密度均勻極化的電介質(zhì)內(nèi)部2005.4均勻介質(zhì)中P與

e‘的關(guān)系在均勻介質(zhì)表面取一面元如圖則因極化而穿過面元dS的極化電荷數(shù)量為極化強(qiáng)度矢量在介質(zhì)表面的法向分量電荷層的體積2005.4極化強(qiáng)度矢量P與總場強(qiáng)E的關(guān)系

——極化規(guī)律猜測E與P可能成正比（但有條件）——兩者成線性關(guān)系（有的書上說是實(shí)驗(yàn)規(guī)律，實(shí)際上沒有做多少實(shí)驗(yàn)，可以說是定義）

極化電荷產(chǎn)生的附加場退極化場影響電極化率：由物質(zhì)的屬性決定2005.4電極化率P與E是否成比例凡滿足以上關(guān)系的介質(zhì)——線性介質(zhì)

不滿足以上關(guān)系的介質(zhì)——非線性介質(zhì)

介質(zhì)性質(zhì)是否隨空間坐標(biāo)變（空間均勻性）

e—常數(shù)：均勻介質(zhì)；

e—坐標(biāo)的函數(shù)：非均勻介質(zhì)

介質(zhì)性質(zhì)是否隨空間方位變（方向均勻性）

e—標(biāo)量：各向同性介質(zhì)；

e—張量：各向異性介質(zhì)

以上概念是從三種不同的角度來描述介質(zhì)的性質(zhì)空氣：各向同性、線性、非均勻介質(zhì)

水晶：各向異性、線性介質(zhì)

酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇：各向同性非線性介質(zhì)——鐵電體

2005.4鐵電體鐵電體的極化特征：極化狀態(tài)不僅決定于電場，還與極化歷史有關(guān)，其性質(zhì)類似于鐵磁體電滯回線：鐵電體極化過程中極化強(qiáng)度矢量P隨外場的變化曲線是非線性的，類似于鐵磁體的磁滯回線（如圖）

鐵電體是一類特殊的電介質(zhì)，其電容率的特點(diǎn)是：數(shù)值大、非線性效應(yīng)強(qiáng)；有顯著的溫度依賴性和頻率依賴性；有很強(qiáng)的壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)作為重要的功能材料絕緣和儲能方面；換能、熱電探測、電光調(diào)制；非線性光學(xué)、光信息存儲和實(shí)時處理等

2005.4鐵電體極化的微觀機(jī)制

有鐵電體特征的晶體內(nèi)部存在著各個不同方向的自發(fā)極化小區(qū)域

在每個小區(qū)域內(nèi)，極化均勻、方向相同，存在一固有電矩——電疇

電疇是不能任意取向的，只能沿著晶體的幾個特定的晶向取向，即取決于鐵電晶體原型結(jié)構(gòu)的對稱性鈦酸鋇（BaTiO3）晶片，自發(fā)極化方向可以與三個結(jié)晶軸的任一個同方向

2005.4感應(yīng)、極化自由、束縛

感應(yīng)電荷：導(dǎo)體中自由電荷在外電場作用下作宏觀移動使導(dǎo)體的電荷重新分布——感應(yīng)電荷、感應(yīng)電場

特點(diǎn)：導(dǎo)體中的感應(yīng)電荷是自由電荷，可以從導(dǎo)體的一處轉(zhuǎn)移到另一處，也可以通過導(dǎo)線從一個物體傳遞到另一個物體

極化電荷：電介質(zhì)極化產(chǎn)生的電荷特點(diǎn)：極化電荷起源于原子或分子的極化，因而總是牢固地束縛在介質(zhì)上，既不能從介質(zhì)的一處轉(zhuǎn)移到另一處，也不能從一個物體傳遞到另一個物體。若使電介質(zhì)與導(dǎo)體接觸，極化電荷也不會與導(dǎo)體上的自由電荷相中和。因此往往稱極化電荷為束縛電荷。

2005.4束縛電荷？極化電荷用摩擦等方法使絕緣體帶電絕緣體上的電荷——束縛電荷并非起源于極化，因而可能與自由電荷中和實(shí)際上它是一種束縛在絕緣體上的自由電荷

介質(zhì)在隨時間變化的電場作用下由極化產(chǎn)生的極化電荷——束縛電荷（約束在原子范圍內(nèi)）不可能與自由電荷中和它能移動并產(chǎn)生電流——極化電流，由

P/t決定自由、束縛是指電荷所處的狀態(tài)；感應(yīng)、極化或摩擦起電是指產(chǎn)生電荷的原因否！2005.4例題一：求沿軸均勻極化電介質(zhì)圓棒上極化電荷分布

P是常數(shù)2005.4例題二:求一均勻極化的電介質(zhì)球表面上極化電荷

(p212)和退極化場已知極化強(qiáng)度矢量P均勻極化——P為常數(shù)球關(guān)于z軸旋轉(zhuǎn)對稱其表面任意一點(diǎn)的極化電荷面密度

e’只與

有關(guān),則有

2005.4求極化電荷在球心O處產(chǎn)生的退極化場即已知電荷分布求場強(qiáng)的問題電荷是面分布，可以在球坐標(biāo)系中取面元dSdS上的極化電荷對稱性分析：退極化場由面元指向O（