电动力学09-10 电磁现象普遍规律(精品).ppt

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1、电动力学电动力学 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电动力学电动力学什么是介质？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

2、，并且反过来影响外场，使原来的场分布发生变化，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2电动力学电动力学2.2.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

3、则排列。偶极矩不规则的分布，在外场作用下形成规则排列。1.4 介质的电磁性质介质的电磁性质3电动力学电动力学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）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 穿出区域表面穿出区域表面S的（的（正）电荷为正）电荷为 介质内部介质内部介质内部介质内部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，4电动力学电动力学（2）线

4、性均匀介质中，极化迁出的电荷与）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同，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。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电动力学电动力学两均匀介质界面的极化电荷两均匀介质界面的极化电荷介质极化的

5、界面（表面）介质极化的界面（表面）介质极化的界面（表面）介质极化的界面（表面）在介质分界面附近考虑一薄层，界在介质分界面附近考虑一薄层，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：1.4 介质的电磁性质介质的电磁性质6电动力学电动力学介质内的电现象：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）引入电位移矢量引入电位移矢量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；

6、电位移矢量决定于自由电荷分布。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：7电动力学电动力学3.3.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8电动力学电动力学n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

7、磁场与原磁场同方向，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电动力学电动力学顺磁质顺磁质1.4 介质的电磁性质介质的电磁性质10电动力学电动力学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设分子电流为

8、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的关系的关系若单位体积若单位体积分子数为分子数为n，则被边界线则被边界线L穿过的环形穿过的环形电流数目为电流数目为1.4 介质的电磁性质介质的电磁性质11电动力学电动力学定义磁化定义磁化电流密度电流密度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 12电动力学电动力学定义磁场强度定义磁场强度1.4 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13电动力学电动力学真空真空介质介质导电介质导电介质反

9、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性质14电动力学电动力学例题：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：1.4 介质的电磁性质介质的电磁性质15电动力学电动力学例题：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

10、间t的关系（设初始密度为的关系（设初始密度为 0）解：解：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16电动力学电动力学1）各向异性（线性）介质：）各向异性（线性）介质：（i,j=1,2,3)2）非线性介质（任意介质）非线性介质（任意介质）：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”是是非单值关系（磁滞回线、电滞回线）。非单值关系（磁滞回线、电滞回线）。复杂介质复杂介质1.4 介质的电磁性质介质的电磁性质17电动力学电动力学1.4 介质的电磁性质介质的电磁性质当磁场强

11、度周期性变化时，铁磁性物质或亚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。当铁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，如果减小磁化场磁质达到磁饱和状态后，如果减小磁化场H，介质的，介质的磁化强度磁化强度M（或磁感应强度（或磁感应强度B）并）并不沿着起始磁化不沿着起始磁化曲线曲线减小，减小，M（或（或B）的变）的变化滞后于化滞后于H的变化。的变化。18电动力学电动力学BiFeO3（多铁材料）多铁材料）Science;Mar 14,2003;299,561319电动力学电动力学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20电动力学电动力学1.4 1.4 介质的电磁性质介质的电磁性质21