宏观电磁场的基本规律课件.pptVIP

1介質的基本概念介質是物質的一種統稱，物質由原子或原子團、分子或分子團組成，而原子或分子內部有帶正電的原子核電的原子核和帶負電的電子。一方面，介質內部大量帶電粒子的不規則的運動，在微觀尺度上產生變化電磁場，這些隨機的電磁場宏觀上相互抵消，介質呈中性。另一方面，當介質在外部宏觀電磁場作用之下，介質中帶電粒子產生宏觀的規則運動或排列，形成宏觀上的電荷堆集或定向運動，從而產生宏觀上附加的電磁場。§2.5介質中的Maxwell方程在外場中，介質中帶電粒子產生位移或附加的運動，宏觀上主要表現出如下三種形態：①介質的極化(Polarization)介質中分子和原子的正負電荷在外加電場力的作用下發生小的位移，形成定向排列的電偶極矩；或原子、分子固有電偶極矩不規則的分佈，在外場作用下形成規則排列§2.5介質中的Maxwell方程②介質的磁化(Magnetization)介質中分子或原子內的電子運動形成分子電流，微觀上形成不規則分佈的磁偶極矩。在外磁場力作用下，磁偶極矩定向排列，形成宏觀上的磁偶極矩沒有外加磁場③傳導電流(Conductioncurrent)介質中可自由移動的帶電粒子，在外場力作用下，導致帶電粒子的定向運動，形成電流§2.5介質中的Maxwell方程2極化強度概念極化強度向量P，定義為單位體積中分子或原子團的電偶極矩的疊加§2.5介質中的Maxwell方程pi=pP=np分子或者原子團的電偶極矩的大小和方向與外加電場強度的大小和方向有關，所以極化強度P是外加電場強度的函數，其關係一般比較複雜。但對於線性均勻介質，P與外加電場成正比。另一方面，空間不同點處分子或者原子團構成不同，極化強度也不同，P還可能是空間的函數。如果外加電磁場是時變的，極化強度P還可能是時間的函數。由於極化，分子或原子的正負電荷發生位移，體積元內一部分電荷因極化而遷移到的外部，同時外部也有電荷遷移到體積元內部。因此體積元內部有可能出現淨餘的電荷。（2）不均勻介質或由多種不同結構物質混合而成的介質，可出現極化電荷。（1）線性均勻介質中，極化遷出的電荷與遷入的電荷相等，不出現極化電荷分佈。（3）在兩種不同均勻介質交界面上的一個很薄的層內，由於兩種物質的極化強度不同，存在極化面電荷分佈。對交界面上的一個薄層，取如圖所示扁圓盒，考慮扁圓盒的厚度很小，求得極化面電荷密度為：§2.5介質中的Maxwell方程如果外加電磁場是隨時間變化的，極化強度向量P和極化電荷也隨時間變化，並在一定的範圍內發生運動（其物理實質是正負電荷位移的距離量隨時間變化），從而形成極化電流，它們同樣滿足電荷守恆定律。應用電荷守恆定律，得到極化電流的運算式為：極化電流與傳導電流的區別在於：前者是由帶電粒子在微小區域內的運動，後者可在宏觀區域上運動3電位移向量、介質中的Gauss定律無論是自由電荷，還是極化電荷，它們都激發電場，服從同樣的Coulomb定律和Gauss定律。介質的極化過程包括兩個方面：一方面外加電場的作用使介質極化，產生極化電荷；另一方面，極化電荷反過來激發電場，兩者相互制約，並達到平衡狀態。因此介質中的電場應該是外加電場和極化電荷產生的電場的疊加。應用Gauss定理得到：自由電荷和極化電荷共同激發的結果由於束縛電荷密度是很難通過直接測量獲得，將束縛電荷體密度運算式代入上式，引入輔助的電位移向量電場的Gauss定律變為：它表示任意閉合曲面電位移向量D的通量等於該曲面包含自由電荷的代數和介質中的電場的最終求解必須知道電場E和電位移向量D之間的關係（物質的本構關係）。這種關係有兩種途徑可以獲得：1)直接測量出P和E之間的關係2)用理論方法計算P和E之間的關係對於線性均勻各向同性介質，極化強度P和電場強度E有簡單的線性關係宏觀電磁場的基本規律§2.1電荷與電流1電荷守恆定律宏觀實驗表明：一個孤立系統的電荷總量是保持不變的，即在任何時刻，系統中的正電荷與負電荷的代數和保持不變。稱之為電荷守恆定律。電荷守恆定律表明，如果孤立系統中某處在一個物理過程中產生（或消滅）了某種符號的電荷，那麼必有相等量的異號電荷伴隨產生（或消滅）；如果孤立系統中總的電荷量增加（或減小），必有等量的電荷進入（或離開）該孤立系統。單位時間內，通過介面進入V內部的電