[理学]第2章 电磁场的基本规律2.ppt

第2章 * * 2.4 媒质的电磁特性 当物质被引入电磁场中时，它们将和电磁场产生 相互作用而改变其状态。 从宏观效应来看，物质对电磁场的响应可分为极 化、磁化和传导三种现象。 导体的传导现象： 在外电场的作用下，物质的带电粒子将发生定向运动，形成电流。这种现象称为传导。能发生传导现象的材料称为导体。 电介质的极化现象： 在外加电场作用下，分子的电偶极矩将增大或发生转向的现象称为电介质的极化现象。 磁介质的磁化现象： 还有一些材料对磁场较敏感，例如螺丝刀在磁铁上放一会儿，螺丝刀就具有一定的磁性，能吸起小螺钉。这种现象称为磁化现象。能产生磁化现象的材料称为磁介质。 媒质在电磁场作用下可发生现象： 空间各点极化率相同的介质称为均匀介质，否则，称为非均匀介质； 极化率与电场强度的大小无关的介质称为线性介质，否则，称为非线性介质； 若极化率是一个正实常数，为线性均匀且各向同性的介质。若极化率表示为矩阵，且矩阵的各个元素都是一个正实常数，则为线性均匀各向异性的介质。 极化率与时间无关的介质称为静止媒质，否则称为运动媒质。 介质的均匀与非均匀性、线性与非线性、各向同性与各向异性、静止与运动分别代表完全不同的概念，不应混淆。 ? 介质极化有关概念 2.4.1 电介质的极化 电位移矢量 ? 电介质：基本电磁性能是在电场作用下即被极化的一种物质。 气体、液体、固体 ? 电介质中没有自由电子，但有带电粒子： 电子+质子 正负离子 这种粒子被束缚在分子结构中，在外电场作用下不能自由移动。 1、电介质的极化 电介质放入电场后，内部结构受外电场的作用而发生 变化，并且反过来影响外电场，使原来的电场分布发生变 化，同时也使它的物理性质发生变化。 电介质的极化也就是在电场作用下内部结构发生变化的过程。 1） 电偶极子和电偶极矩： 电偶极子：由两个相距很近的带等量异号电量的点电荷所组成的电荷系统。 电偶极矩 ：表示电偶极子。 2）介质分子的分类：无极分子和有极分子。 无极分子正负电荷的作用中心是重合，没有电偶极子。 有极分子正负电荷的作用中心不相重合而形成一个电偶极子，但所有分子的等效电偶极矩的矢量和为零 在热平衡时，分子无规则运动，取向各方向均等，介质在宏观上不显出电特性 3）介质的极化： 在外场影响下，无极分子变为有极分子，有极分子的取向一致， 宏观上出现电偶极矩，电偶极矩又要产生电场，叠加于原来电场之上， 使电场发生变化。 无极分子 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 有极分子 无外加电场 无极分子 有极分子 有外加电场 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? E 用极化强度矢量 表示电介质被极化的程度。 式中： 表示i个分子极矩。 物理意义： 在电场作用下，介质某点单位体积内电偶极矩矢量和。 说明：对于线性媒质，介质的极化强度和外加电场成正比关系，即 4） 极化强度矢量 5）极化电荷（束缚电荷） 媒质被极化后，在媒质体内和分界面上会出现电荷分布，这种电荷被称为极化电荷。由于相对于自由电子而言，极化电荷不能自由运动，故也称束缚电荷。 体内出现的极化电荷成为体极化电荷，表面上出现的极化电荷称为面极化电荷。 介质均匀时，介质表面产生极化电荷。 介质不均匀，产生表面极化电荷；在介质中产生体极化电荷。 6）体极化电荷 则负电荷处于体积中的电偶极子的正电荷必定穿过面元dS 　设单位体积中的分子数为n，经面元dS穿出的正电荷量为： 　介质被极化后，分子可视作一个电偶极子 设分子的电偶极矩p =ql。取如图所示体积元，其长度 等于分子极矩长度。 穿出整个S面的电荷量为： 由电荷守恒和电中性性质，S面所围电荷量为 闭合曲面S内的极化电荷体密度 7）面极化电荷 在介质表面上，极化电荷面密度为 ? 式中： 为媒质极化强度 为媒质表面外法向单位矢量 ? 讨论：若分界面两边均为媒质，则 对介质极化问题的讨论 ? 极化电荷不能自由运动，也称为束缚电荷 ? 由电荷守恒定律，极化电荷总量为零； ? P=常矢量时称媒质被均匀极化，此时介质内部无极化电荷，极化电荷只会出现在介质表面上 ? 均匀介质内部一般不存在极化电荷 2、电位移矢量和电介质中的高斯定理 空间中原电场： 介质被极化－极化电荷： 介质空间中