北京大学：《电磁学》课程教学资源（PPT课件）第四章 电磁介质——电介质极化

第四章电磁介质 电介质 ■磁介质(一)—分子电流观点 ■磁介质(二)一磁荷观点阅读 ■两种观点等价性阅读 ■磁介质的磁化规律和机理 导体、电磁介质界面上的边界条件 电磁能

第四章 电磁介质 ◼ 电介质 ◼ 磁介质(一）—分子电流观点 ◼ 磁介质(二）—磁荷观点 阅读 ◼ 两种观点等价性 阅读 ◼ 磁介质的磁化规律和机理 ◼ 导体、电磁介质界面上的边界条件 ◼ 电磁能

本章有机会处理相互作用 场 物质 ■物质与场是物质存在的两种形式 ■物质性质: 非常复杂(只能初步地讨论) ■要特别注意课程中讨论这种问题所加的限制 有作用?=物质固有的电 磁结构 场 物质 自由电荷:宏观移动 ∈有响应? 束缚电荷:极化 磁介质磁化 2005.4 北京大学物理学院王稼军编

2005.4 北京大学物理学院王稼军编 本章有机会处理 场 物质 ◼ 物质与场是物质存在的两种形式 ◼ 物质性质： ◼ 非常复杂（只能初步地讨论） ◼ 要特别注意课程中讨论这种问题所加的限制 相互作用 场 物质 有作用？ 物质固有的电 磁结构 自由电荷：宏观移动 束缚电荷：极化 磁介质磁化

电介质p28342、3、7、9、12、1415 ■物质具有电结构 ■当物质处于静电场中 场对物质的作用:对物质中的带电粒子作用 物质对场的响应:物质中的带电粒子对电场力的作用 的响应 ■导体、半导体和绝缘体有着不同的固有电结构 不同的物质会对电场作出不同的响应,产生不同的后 果 在静电场中具有各自的特性。 导体中存在着大量的自由电子静电平衡 绝缘体中的自由电子非常稀少极化 半导体中的参与导电的粒子数目介于两者之间 2005.4 北京大学物理学院王稼军编

2005.4 北京大学物理学院王稼军编 电介质 p283 4-2、3、7、9、12、14、15 ◼ 物质具有电结构 ◼ 当物质处于静电场中 ◼ 场对物质的作用：对物质中的带电粒子作用 ◼ 物质对场的响应：物质中的带电粒子对电场力的作用 的响应 ◼ 导体、半导体和绝缘体有着不同的固有电结构 ◼ 不同的物质会对电场作出不同的响应，产生不同的后 果，——在静电场中具有各自的特性。 • 导体中存在着大量的自由电子——静电平衡 • 绝缘体中的自由电子非常稀少——极化 • 半导体中的参与导电的粒子数目介于两者之间

电介质极化的微观机制 无极分子:正负电荷中心完全土土土土 重合(H2、N2) ++++ 微观:电偶极矩卩分子=0,(=0) ■宏观:中性不带电 有极分子:正负电荷中心不重 合(H2O、Hc 时时mh m the (negative) oxgen side to th 微观:电偶极矩p分子≠0,(l≠0) 宏观:中性不带电 刁"→ y」≌ 2005.4 北京大学物理学院王稼军编

2005.4 北京大学物理学院王稼军编 电介质极化的微观机制 ◼ 无极分子：正负电荷中心完全 重合(H2、N2 ) ◼ 微观：电偶极矩p分子＝0，(l=0) ◼ 宏观： 中性不带电 ↘ ↗ ↙ → ← ↓ → ↗ ↘ ↙ ↙ ↓ ↙ ↗ ↘ ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ◼有极分子：正负电荷中心不重 合(H2O、Hcl) ◼微观：电偶极矩p分子0，(l  0) ◼宏观：中性不带电

无极分子 有极分子 +++++ E。=0 ③+ E E≠0 F E E ■极化性质位移极化 取向极化 ■后果:出现极化电荷(不能自由移动)→束缚电荷 2005.4 北京大学物理学院王稼军编

2005.4 北京大学物理学院王稼军编 无极分子 有极分子 ◼ 极化性质 位移极化 取向极化 ◼ 后果：出现极化电荷（不能自由移动）→束缚电荷 E0 = 0 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ↘ ↗ ↙ → ← ↓ → ↗ ↘ ↙ ↙ ↓ ↙ ↗ ↘ E0  0   0 分子 p

极化的描绘:P、qE 极化强度矢量P:描述介质在外电场作用 下被极化的强弱程度的物理量 定义:单位体积内电偶极矩的矢量和 介质中一点的 微观量 P(宏观量) ∑ P分子 △→÷0△Z 介质的体积,宏 观小微观大(包 含大量分子) 2005.4 北京大学物理学院王稼军编

2005.4 北京大学物理学院王稼军编 V p P V   ⎯→ = 分子 0 lim 极化的描绘：P、q’、E’ ◼ 极化强度矢量P：描述介质在外电场作用 下被极化的强弱程度的物理量 ◼ 定义：单位体积内电偶极矩的矢量和 介质的体积，宏 观小微观大（包 含大量分子） 介质中一点的 P(宏观量 ) 微观量

极化电荷 q'(o'、p) 极化后果:从原来处处电中性变成出现了宏 观的极化电荷 ■可能出现在介质表面(均匀介质)面分布 ■可能出现在整个介质中(非均匀介质)体分布 极化电荷会产生电场—附加场(退极化场) 外场 e=e 极化电荷 产生的场 ■极化过程中:极化电荷与外场相互影响、相 互制约,过程复杂达到平衡(不讨论过程) ■平衡时总场决定了介质的极化程度 2005.4 北京大学物理学院王稼军编

2005.4 北京大学物理学院王稼军编 极化电荷 ◼ 极化后果：从原来处处电中性变成出现了宏 观的极化电荷 ◼ 可能出现在介质表面 （均匀介质）面分布 ◼ 可能出现在整个介质中 （非均匀介质）体分布 q'( ' 、'） ◼ 极化电荷会产生电场——附加场（退极化场） ' E E0 E    = + 极化电荷 产生的场 外场 ◼ 极化过程中：极化电荷与外场相互影响、相 互制约，过程复杂——达到平衡（不讨论过程） ◼平衡时总场决定了介质的极化程度

退极化场E E E E ■附加场E: 在电介质内部:附加场与外电场方向相反,削弱 在电介质外部:附加场与外电场方向相同,加强 2005.4 北京大学物理学院王稼军编

2005.4 北京大学物理学院王稼军编 退极化场E’ ◼ 附加场E’： ◼ 在电介质内部：附加场与外电场方向相反，削弱 ◼ 在电介质外部：附加场与外电场方向相同，加强

极化的后果 P q(o’,p) 描绘极化 E=Eo+E ■三者从不同角度定量地描绘同一物理现象 极化,之间必有联系,这些关系 电介质极化遵循的规律 2005.4 北京大学物理学院王稼军编

2005.4 北京大学物理学院王稼军编 极化的后果 ◼ 三者从不同角度定量地描绘同一物理现象 ——极化，之间必有联系，这些关系—— 电介质极化遵循的规律 描绘极化           = + ' '( ', ') E E0 E q P  

P与q的关系=S 以位移极化为模型讨论 设介质极化时每一个分子中的 d s 正电荷中心相对于负电荷中心有 位移,用q代表正、负电荷的电分子=q 量,则一个分子的电偶极矩 ■设单位体积内有n个分子 有n个电偶极子 P=nP分子=nq 在介质内部任取一面元失量ds,ngA= nglaS cos 0 必有电荷因为极化而移动从而=mg1dS=P.dS 穿过dS, 该柱体内极化电荷的总量为: P在dS上的通量 2005.4 北京大学物理学院王稼军编

2005.4 北京大学物理学院王稼军编 P与q’的关系 ◼ 以位移极化为模型讨论 ◼设介质极化时每一个分子中的 正电荷中心相对于负电荷中心有 一位移l ,用q代表正、负电荷的电 量,则一个分子的电偶极矩 P分子 = ql ◼设单位体积内有n 个分子 ——有 n个电偶极子 P = nP分子 = nql ◼在介质内部任取一面元矢量dS, ◼必有电荷因为极化而移动从而 穿过 dS, ◼该柱体内极化电荷的总量为： V = dSl cos nql d S P d S nq V nqldS =  =   = cos P在dS上的通量