电动力学0910电磁现象的普遍规律课件.ppt

1、 关于介质的概念关于介质的概念 介质的极化介质的极化 介质的磁化介质的磁化 介质中的麦克斯韦方程组介质中的麦克斯韦方程组1.4 介质的电磁性质介质的电磁性质1什么是介质？什么是介质？为什么要研究介质？为什么要研究介质？介质是由大量分子（或原子）组成的宏观物体。从电磁学介质是由大量分子（或原子）组成的宏观物体。从电磁学观点来看，介质是一个带电粒子系统，其内部存在着不规则观点来看，介质是一个带电粒子系统，其内部存在着不规则而又迅速变化的微观电磁场。而又迅速变化的微观电磁场。介质放入外场后，内部结构受外场的作用而发生变化，介质放入外场后，内部结构受外场的作用而发生变化，并且反过来影响外场，使原来的场

2、分布发生变化，同时也并且反过来影响外场，使原来的场分布发生变化，同时也使其物理性能发生变化。使其物理性能发生变化。介质的极化介质的极化(Polarization)介质的磁化介质的磁化(Magnetization)1.1.关于介质的概念关于介质的概念1.4 介质的电磁性质介质的电磁性质22.2.介质的极化介质的极化介质中分子和原子的正负电荷在外加电场的作用下发生小介质中分子和原子的正负电荷在外加电场的作用下发生小的位移，形成定向排列的电偶极矩；或原子、分子固有电的位移，形成定向排列的电偶极矩；或原子、分子固有电偶极矩不规则的分布，在外场作用下形成规则排列。偶极矩不规则的分布，在外场作用下形成规则

3、排列。1.4 介质的电磁性质介质的电磁性质3极化电荷密度极化电荷密度区域中产生的净余负电荷（极化电荷）区域中产生的净余负电荷（极化电荷）SPSPQd极化电荷密度极化电荷密度 p p与极化强度与极化强度P的的关系关系VpPii 概念：极化强度矢量概念：极化强度矢量P，穿出穿出 dV 右右表面表面dS的的（正）电荷为（正）电荷为 SPSpnSlnqVnqdddd 穿出区域表面穿出区域表面S的（的（正）电荷为正）电荷为 SSPd 分子电偶极矩分子电偶极矩p p=qlql1.4 介质的电磁性质介质的电磁性质引入极化电荷密度引入极化电荷密度 p p，VPVQdp P p 4（2）线性均匀介质中，极化迁出

4、的电荷与）线性均匀介质中，极化迁出的电荷与迁入的电荷相等，不出现极化电荷分布。迁入的电荷相等，不出现极化电荷分布。（3）在两种不同均匀介质交界面上的一个）在两种不同均匀介质交界面上的一个很薄的层内，由于两种物质的极化强度不很薄的层内，由于两种物质的极化强度不同，存在极化面电荷分布。同，存在极化面电荷分布。（1）不均匀介质或由多种不同结构物质混）不均匀介质或由多种不同结构物质混合而成的介质，可出现极化电荷。合而成的介质，可出现极化电荷。1.4 介质的电磁性质介质的电磁性质极化电荷的分布极化电荷的分布5两均匀介质界面的极化电荷两均匀介质界面的极化电荷在介质分界面附近考虑一薄层，界在介质分界面附近考

5、虑一薄层，界面法线规定为由面法线规定为由1 指向指向 2。设界面。设界面极化电荷面密度为极化电荷面密度为p薄层右侧进入介质薄层右侧进入介质2的正电荷：的正电荷：介质介质1进入薄层左侧的正电荷：进入薄层左侧的正电荷：SPd2 SPd1 1.4 介质的电磁性质介质的电磁性质)(12nPPPe SPPSd)(d12P 6介质内的电现象：介质内的电现象：自由电荷（自由电荷（f)和极化电荷和极化电荷(p）PEE fpf00pf)(f0)(PE引入电位移矢量引入电位移矢量f0 DPED宏观总电场宏观总电场 E 决定于自由电荷和极化电荷分布；电位移矢量决定于自由电荷和极化电荷分布；电位移矢量决定于自由电荷分

6、布。决定于自由电荷分布。1.4 介质的电磁性质介质的电磁性质各向同性的线性介质各向同性的线性介质D与与E的关系：的关系：EEEPED r0e00)1(EPe0 73.3.介质的磁化介质的磁化介质中分子或原子内的电子运动形成分子电流，微观上形介质中分子或原子内的电子运动形成分子电流，微观上形成不规则分布的磁偶极矩。在外磁场力作用下，磁偶极矩成不规则分布的磁偶极矩。在外磁场力作用下，磁偶极矩定向排列，形成宏观上的磁偶极矩。定向排列，形成宏观上的磁偶极矩。1.4 介质的电磁性质介质的电磁性质8n顺磁质：顺磁质：介质磁化后在介质内部产生的附加磁场与原磁场介质磁化后在介质内部产生的附加磁场与原磁场同方向

7、，即总的磁场加强。同方向，即总的磁场加强。n抗磁质：抗磁质：附加磁场与原磁场反向，总的磁场削弱。附加磁场与原磁场反向，总的磁场削弱。n弱磁质：弱磁质：附加磁场相对很小，影响较弱。附加磁场相对很小，影响较弱。n铁磁质（强磁质）：铁磁质（强磁质）：附加磁场远大于原磁场，总的磁场得附加磁场远大于原磁场，总的磁场得到大大增强。到大大增强。1.4 介质的电磁性质介质的电磁性质9顺磁质顺磁质1.4 介质的电磁性质介质的电磁性质NoImage10磁化强度和磁化电流磁化强度和磁化电流外场外场分子电流有规则取向分子电流有规则取向宏观宏观磁化电流密度磁化电流密度JM VmMi/定义磁化强度：定义磁化强度：设分子电

8、流为设分子电流为 i，面积矢量为，面积矢量为a，则分子磁矩为，则分子磁矩为aim LLlMlainId dM从从S背面流向前面的总磁化电流背面流向前面的总磁化电流JM与与M的关系的关系 Lland若单位体积分子数为若单位体积分子数为n，则被边界线则被边界线L穿过的环穿过的环形电流数目为形电流数目为1.4 介质的电磁性质介质的电磁性质11定义磁化定义磁化电流密度电流密度 SLlMSJIddMMMJ M0)(M MJVxeVpPiiiii 变化的电场也会诱导极化电流密度变化的电场也会诱导极化电流密度Jp极化电流极化电流极化电流密度极化电流密度 PJVetPiii 12HHHHHMHB r0M0M0

9、0)1()()(tEJB 000 真空：真空：PEtJMBtEMtPJB 0f00f0(1 ）定义磁场强度定义磁场强度MBH 0 tDJH f1.4 介质的电磁性质介质的电磁性质介质中的磁现象介质中的磁现象 tEJJJB 00PMf0 介质：介质：的关系的关系与与HBHMM 质质：对对于于各各向向同同性性非非铁铁磁磁介介相对磁导率相对磁导率磁化率磁化率 1300000 BEtEJBtBE 真空真空介质介质0 BDtDJHtBE 导电介质导电介质反映各向同性线性介质反映各向同性线性介质的宏观电磁性质的宏观电磁性质4.4.介质中的麦克斯韦方程组介质中的麦克斯韦方程组1.4 介质的电磁性质介质的电磁

10、性质14例题：设各向同性均匀线性介质例题：设各向同性均匀线性介质电容率为电容率为，自由电荷量密度为，自由电荷量密度为 f，极化电荷体密度为极化电荷体密度为 p，求，求 p和和 f 之间的关系。之间的关系。解：解：P p 根根据据极极化化电电荷荷知知识识：EPED 0有有：对对于于各各项项同同性性线线性性介介质质fpDDDED )1()1()()(0000 1.4 介质的电磁性质介质的电磁性质15例题：由麦克斯韦方程组出发，求电导率为例题：由麦克斯韦方程组出发，求电导率为、电容率为、电容率为 的均匀介的均匀介质内部自由电荷量密度质内部自由电荷量密度 与时间与时间t的关系（设初始密度为的关系（设初

11、始密度为 0）0 BDtDJHtBE 解：解：tDtDt )(EJ tetEEt 01)()(当当t，0：静电平衡时，介质内自由电荷的密度为零。：静电平衡时，介质内自由电荷的密度为零。1.4 介质的电磁性质介质的电磁性质161）各向异性（线性）介质：）各向异性（线性）介质：31jjijiED（i,j=1,2,3)2）非线性介质（任意介质）：）非线性介质（任意介质）：.,lkjlkjijklkjkjijkjjijiEEEEEED 3）铁磁和铁电物质是非线性介质，且）铁磁和铁电物质是非线性介质，且“BH”与与“ED”是非是非单值关系（磁滞回线、电滞回线）。单值关系（磁滞回线、电滞回线）。复杂介质复

12、杂介质 321333231232221131211321333232131332322212123132121111EEEDDDEEEDEEEDEEED 1.4 介质的电磁性质介质的电磁性质171.4 介质的电磁性质介质的电磁性质的关系的关系与与磁滞回线：磁滞回线：HB当磁场强度周期性变化时，铁磁性物质或当磁场强度周期性变化时，铁磁性物质或亚铁磁性物质磁滞现象的闭合磁化曲线。亚铁磁性物质磁滞现象的闭合磁化曲线。当铁磁质达到磁饱和状态后，如果减小磁当铁磁质达到磁饱和状态后，如果减小磁化场化场H，介质的磁化强度，介质的磁化强度M（或磁感应强度（或磁感应强度B）并不沿着起始磁化曲线减小，）并不沿着起始磁化曲线减小，M（或（或B）的变化滞后于的变化滞后于H的变化。的变化。18BiFeO3（多铁材料）（多铁材料）Science;Mar 14,2003;299,561319强光作用下强光作用下一般有一般有复杂介质复杂介质-材料非线性光学特性材料非线性光学特性201.4 1.4 介质的电磁性质介质的电磁性质tPJp /极极化化电电流流密密度度)()(f00MPf0磁磁场场强强度度tDJHtEJJJB MJM 磁磁化化电电流流密密度度 iiVmM/磁磁化化强强度度矢矢量量)()(0f0pfPEDDE 电电位位移移矢矢量量EJHBED 21