电磁场与电磁波第3章.教学文稿.ppt
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1、电磁场与电磁波第3章.假设电场中分子内部的电荷假设电场中分子内部的电荷q q在电场的作用下从它的在电场的作用下从它的平衡位置移动了一段距离平衡位置移动了一段距离x x,如果被移动的电荷质量为,如果被移动的电荷质量为m m,其受到的恢复力与位移成正比,那么电荷的受力方程可以其受到的恢复力与位移成正比,那么电荷的受力方程可以表示为表示为 3.1 分子模型分子模型 式中:式中:为阻尼力,为阻尼力,为恢复力为恢复力,为加速度。为加速度。在时谐电场中在时谐电场中 因此有因此有则电荷位移则电荷位移式中式中 虚部与虚部与 有关,这表明我们所讨论模型的衰减使得有关,这表明我们所讨论模型的衰减使得位移与电场力不
2、同相。位移与电场力不同相。定义:定义:分子内的电偶极矩分子内的电偶极矩 并且并且若引入分子极化率若引入分子极化率 则电偶极矩为则电偶极矩为 是反映分子固有特性的一个函数,同时也是所施加是反映分子固有特性的一个函数,同时也是所施加场强场强 的角频率的角频率 的函数。对于单个分子来说,上的函数。对于单个分子来说,上述各种关系式就是我们对介质进行微观描述的基础知识。述各种关系式就是我们对介质进行微观描述的基础知识。3.2 电介质及其极化电介质及其极化 1.1.极化的概念极化的概念 一般来讲电介质可分为两大类:一类是无极一般来讲电介质可分为两大类:一类是无极分子电介质,当没有外电场作用时,这类电介质分
3、子电介质,当没有外电场作用时,这类电介质中正负电荷的中心是重合的,处于电中性状态,中正负电荷的中心是重合的,处于电中性状态,对外不显电性,如对外不显电性,如2、2等气体物质。第二类是等气体物质。第二类是有极分子电介质,当没有外电场作用时,这类电有极分子电介质,当没有外电场作用时,这类电介质中的正负电荷中心不重合,每个分子可等效介质中的正负电荷中心不重合,每个分子可等效为一个电偶极子,但由于分子的无规则热运动,为一个电偶极子,但由于分子的无规则热运动,使得电偶极子的分布排列是无规则的。因此,整使得电偶极子的分布排列是无规则的。因此,整体仍呈电中性,对外也不显电性。体仍呈电中性,对外也不显电性。电
4、介质电介质束缚电荷(束缚电荷(bound charge)不能离开电介质,也不能在电介质内部自由不能离开电介质,也不能在电介质内部自由移动的电荷移动的电荷。电介质的极化电介质的极化 在外电场作用下,电介质中出现有序排列电在外电场作用下,电介质中出现有序排列电偶极子以及表面上出现束缚电荷的现象偶极子以及表面上出现束缚电荷的现象。对介质中的一般分子模型所进行的讨论,说明我们可以对介质中的一般分子模型所进行的讨论,说明我们可以在两组不同的条件下来描述介质中的电荷特性。根据电荷偏在两组不同的条件下来描述介质中的电荷特性。根据电荷偏离其平衡位置时的位移离其平衡位置时的位移,我们对分子中的电荷特性进行过讨论
5、,我们对分子中的电荷特性进行过讨论,虽然这时电荷能够发生位移虽然这时电荷能够发生位移,然而它们的移动范围却是受到分然而它们的移动范围却是受到分子约束的。尽管很高的场强会使介质中的电荷摆脱这种约束子约束的。尽管很高的场强会使介质中的电荷摆脱这种约束而变成自由电荷并造成介质中产生而变成自由电荷并造成介质中产生“击穿击穿”现象现象,但对这种情但对这种情况我们暂且不作讨论。对属于介质中分子的电荷来说(这种况我们暂且不作讨论。对属于介质中分子的电荷来说(这种电荷又称为电荷又称为“束缚电荷束缚电荷”),其它的电荷是被吸引进介质的),其它的电荷是被吸引进介质的例如自由离子或自由电子例如自由离子或自由电子,其
6、运动不受分子约束力限制其运动不受分子约束力限制,故被称为故被称为“自由电荷自由电荷”,于是我们可以将这两种不同类型的,于是我们可以将这两种不同类型的电荷集中表示为电荷集中表示为 2.2.极化矢量极化矢量类似地类似地,总电流密度也可以被分为总电流密度也可以被分为 下面我们将引入矢量下面我们将引入矢量来描述分子电荷的运动,即定义矢量来描述分子电荷的运动,即定义矢量用以描述任一点用以描述任一点上分子电荷运动的方向。上分子电荷运动的方向。极化矢量(也称为极化强度矢量)为单位体积内极化矢量(也称为极化强度矢量)为单位体积内的电偶极矩矢量和的电偶极矩矢量和 定义定义对于线性、均匀、各向同性媒质,介质的极化
7、强度与外加电对于线性、均匀、各向同性媒质,介质的极化强度与外加电场成正比关系,即:场成正比关系,即:其大小为每单位面积上的分子电荷量其大小为每单位面积上的分子电荷量3.3.极化电荷(束缚电荷)极化电荷(束缚电荷)电介质被极化后,在其内部和分界面上将出现电荷分布,电介质被极化后,在其内部和分界面上将出现电荷分布,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,极化电荷不能运动,故也称荷不能运动,故也称束缚电荷束缚电荷。体极化电荷:体极化电荷:介质极化后可看成电偶极子,取如图的体积介质极化后可看成电偶极子,取如图的体积,则负电荷处于体积内的电偶
8、极子的正电荷,则负电荷处于体积内的电偶极子的正电荷必定穿出面元必定穿出面元dS。则经。则经dS穿出穿出V的正电荷为:的正电荷为:穿出整个穿出整个S面的电荷量为:面的电荷量为:由于电荷守恒和电中性性质,由于电荷守恒和电中性性质,S面所围电荷量为:面所围电荷量为:面极化电荷:面极化电荷:在介质表面上,极化电荷面密度为在介质表面上,极化电荷面密度为极化电流密度:极化电流密度:当极化强度改变时,极化电荷分布将发生改变,这个过程中当极化强度改变时,极化电荷分布将发生改变,这个过程中极化电荷将在一定范围内运动,从而形成极化电流。极化电荷将在一定范围内运动,从而形成极化电流。极化电荷与极化电流之间仍然满足电
9、流连续性方程,即极化电荷与极化电流之间仍然满足电流连续性方程,即有有对介质极化问题的讨论对介质极化问题的讨论1、极化电荷不能自由运动,也称为束缚电荷、极化电荷不能自由运动,也称为束缚电荷2、由电荷守恒定律,极化电荷总量为零、由电荷守恒定律,极化电荷总量为零3、P为常矢量时称媒质被均匀极化,此时介质内部无极为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化电荷,极化电荷只会出现在介质表面上4、均匀介质内部一般不存在极化电荷、均匀介质内部一般不存在极化电荷5、位于媒质内的自由电荷所在位置一定有极化电荷出、位于媒质内的自由电荷所在位置一定有极化电荷出现现4.4.考虑极
10、化效应的麦克斯韦方程考虑极化效应的麦克斯韦方程 上述有关极化的结论与介质结构的情况无关上述有关极化的结论与介质结构的情况无关,具有普遍意具有普遍意义。这样义。这样,我们就可以对任何介质写出其应满足的麦克斯韦方我们就可以对任何介质写出其应满足的麦克斯韦方程。程。麦克斯韦第一方程的原有形式为麦克斯韦第一方程的原有形式为 根据极化概念可将其改写为根据极化概念可将其改写为 即即修改后的修改后的麦克斯韦麦克斯韦第一方程第一方程 麦克斯韦第四方程的原有形式为麦克斯韦第四方程的原有形式为 根据极化概念可将其改写为根据极化概念可将其改写为 即即修改后的修改后的麦克斯韦麦克斯韦第四方程第四方程 在上式中令在上式
11、中令 又由于又由于 故有故有此式称为反映介质极化的物态方程此式称为反映介质极化的物态方程 考虑了极化效应后的一般介质中的麦克斯韦方程考虑了极化效应后的一般介质中的麦克斯韦方程 3.3 3.3 折射率与相对介电常数折射率与相对介电常数介质的折射率介质的折射率(refractive index)n定义为定义为 其中其中c c是电磁波在真空中的速度,是电磁波在真空中的速度,v v则是电磁波在折射率为则是电磁波在折射率为n n的介质中的速度。的介质中的速度。前面我们已经定义了一个反映介质特性的量前面我们已经定义了一个反映介质特性的量相对介电常数相对介电常数 下面我们来寻求折射率下面我们来寻求折射率n
12、n与与 之间的关系:之间的关系:令令则介质中的麦克斯韦方程变为则介质中的麦克斯韦方程变为 方程方程4 4则为则为 对方程对方程4 4两端取旋度,并代入两端取旋度,并代入方程方程2 2和方程和方程3 3,可得,可得 这是一个关于这是一个关于B B的波动方程的波动方程 波速为波速为 因因为为所所以以例:半径为例:半径为a a的球形电介质体,其相对介电常数为的球形电介质体,其相对介电常数为4 4,若在球心,若在球心处存在一点电荷处存在一点电荷Q Q,求极化电荷分布。,求极化电荷分布。解:由高斯定律,可以求得:解:由高斯定律,可以求得:在媒质内:在媒质内:体极化电荷分布:体极化电荷分布:面极化电荷分布
13、:面极化电荷分布:3.4 3.4 介质的磁化介质的磁化 介质中的电子和原子核都是束缚电荷,它们进行的轨介质中的电子和原子核都是束缚电荷,它们进行的轨道运动和自旋运动都是微观运动,由束缚电荷的微观运动道运动和自旋运动都是微观运动,由束缚电荷的微观运动形成的电流,称为束缚电流形成的电流,称为束缚电流(bound current)(bound current),也称磁化电,也称磁化电流(流(Magnetization currentMagnetization current)。在没有外加磁场的作用下,)。在没有外加磁场的作用下,绝大部分材料中所有原子的磁偶极矩绝大部分材料中所有原子的磁偶极矩(mag
14、netic dipole(magnetic dipole moment)moment)的取向是杂乱无章的,结果总的磁矩为,对外不呈的取向是杂乱无章的,结果总的磁矩为,对外不呈现磁性。现磁性。1 1、概念、概念 在外磁场的作用下,物质中的原子磁矩将受到一个力矩在外磁场的作用下,物质中的原子磁矩将受到一个力矩的作用,所有原子磁矩都趋于与外磁场方向一致的排列,彼的作用,所有原子磁矩都趋于与外磁场方向一致的排列,彼此不再抵消,结果对外产生磁效应,影响磁场分布,这种现此不再抵消,结果对外产生磁效应,影响磁场分布,这种现象称为物质的磁化。象称为物质的磁化。磁化磁化可以证明,磁介质磁化后对磁场的影响,可用磁
15、化电流密度可以证明,磁介质磁化后对磁场的影响,可用磁化电流密度 来等效来等效 磁化电流不同于自由电流,其电荷运动是被束缚在媒质内部磁化电流不同于自由电流,其电荷运动是被束缚在媒质内部的,因而也叫束缚电流。的,因而也叫束缚电流。为了描述及衡量介质的磁化程度,我们定义磁化强度矢量为了描述及衡量介质的磁化程度,我们定义磁化强度矢量为单位体积内磁偶极矩的矢量和为单位体积内磁偶极矩的矢量和 式中式中 是一个分子电流的磁矩,也称磁偶极矩,是一个分子电流的磁矩,也称磁偶极矩,2 2、磁化电流和磁化矢量、磁化电流和磁化矢量引入磁化电流后,磁介质中安培环路定律的微分形成可写成引入磁化电流后,磁介质中安培环路定律
16、的微分形成可写成 即即令令则则称称 为磁场强度,它也是描述磁场的一个物理量。为磁场强度,它也是描述磁场的一个物理量。3 3、磁场强度、磁场强度对于各向同性及线性磁介质,由实验可证明对于各向同性及线性磁介质,由实验可证明 式中式中 为磁化率(为磁化率(Magnetic susceptibilityMagnetic susceptibility),是一个),是一个标量常数。标量常数。可得可得 称此式为反映介质磁化的物态方程。称此式为反映介质磁化的物态方程。式中式中 为磁介质的磁导率,为磁介质的磁导率,为磁介质的相对磁导率。为磁介质的相对磁导率。所谓磁介质,就是在外加磁场的作用下,能产生磁化现所谓磁
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