搜索
2.4媒质的电磁特性1.电介质的极化现象无极分子有极分子无外加电场•媒质对电磁场的响应可分为三种情况：极化、磁化和传导。•描述媒质电磁特性的参数为：介电常数、磁导率和电导率。无极分子有极分子有外加电场E2.极化强度矢量•描述介质极化程度的物理量——分子的平均电偶极矩•的物理意义：单位体积内分子电偶极矩的矢量和。•在线性、各向同性的电介质中，与电场强度成正比，即——电介质的电极化率E由于极化，正负电荷发生位移，在电介质内部可能出现净余的极化电荷分布，同时在电介质的表面上有面分布的极化电荷。3.极化电荷(1)极化电荷体密度在电介质内任意作一闭合面S，只有电偶极矩穿过S的分子对S内的极化电荷有贡献。S所围的体积内的极化电荷为ES(2)极化电荷面密度紧贴电介质表面取如图所示的闭曲面，则穿过面积元的极化电荷为故得到电介质表面的极化电荷面密度为4.电位移矢量介质中的高斯定理介质的极化过程包括两个方面：外加电场的作用使介质极化，产生极化电荷；极化电荷反过来激发电场，两者相互制约，并达到平衡状态。无论是自由电荷，还是极化电荷，它们都激发电场，服从同样的库仑定律和高斯定理。自由电荷和极化电荷共同激发的结果任意闭合曲面电位移矢量D的通量等于该曲面包含自由电荷的代数和小结：静电场是有源无旋场，电介质中的基本方程为引入电位移矢量（单位为C/m2)将极化电荷体密度表达式代入，有则有其积分形式为（积分形式）（微分形式），在这种情况下其中称为介质的介电常数，称为介质的相对介电常数（无量纲）。*介质有多种不同的分类方法，如：•均匀和非均匀介质•各向同性和各向异性介质•时变和时不变介质•线性和非线性介质•确定性和随机介质5.电介质的本构关系极化强度与电场强度之间的关系由介质的性质决定。对于线性各向同性介质，和有简单的线性关系2.4.2磁介质的磁化磁场强度1.磁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，形成分子磁矩无外加磁场外加磁场BB2.磁化强度矢量描述磁介质磁化程度的物理量，定义为单位体积中的分子磁矩的矢量和，即单位为A/m。磁介质被磁化后，在其内部与表面上可能出现宏观的电流分布，称为磁化电流。3.磁化电流考察穿过任意围线C所围曲面S的电流。只有分子电流与围线相交链的分子才对电流有贡献。与线元dl相交链的分子，中心位于如图所示的斜圆柱内，所交链的电流BCdldlmpS穿过曲面S的磁化电流为（1）磁化电流体密度Mnnmimi由，即得到磁化电流体密度在紧贴磁介质表面取一长度元dl，与此交链的磁化电流为（2）磁化电流面密度则即的切向分量4.磁场强度介质中安培环路定理分别是传导电流密度和磁化电流密度。将极化电荷体密度表达式代入，有MJM)(0MJJB,即外加磁场使介质发生磁化，磁化导致磁化电流。磁化电流同样也激发磁感应强度，两种相互作用达到平衡，介质中的磁感应强度B应是所有电流源激励的结果：定义磁场强度为：则得到介质中的安培环路定理为：磁通连续性定理为小结：恒定磁场是有旋无源场，磁介质中的基本方程为（积分形式）（微分形式）其中，称为介质的磁化率（也称为磁化系数）。其中称为介质的磁导率，称为介质的相对磁导率（无量纲）。顺磁质抗磁质铁磁质磁介质的分类5.磁介质的本构关系对于线性各向同性介质，与之间存在简单的线性关系：磁场强度磁化强度磁感应强度例有一磁导率为µ，半径为a的无限长导磁圆柱，其轴线处有无限长的线电流I，圆柱外是空气（µ0），试求圆柱内外的、和的分布。解磁场为平行平面场,且具有轴对称性，应用安培环路定律，得2.4.3媒质的传导特性对于线性和各向同性导电媒质，媒质内任一点的电流密度矢量J和电场强度E成正比，表示为这就是欧姆定律的微分形式。式中的比例系数称为媒质的电导率，单位是S/m（西门子/米）。晶格带电粒子存在可以自由移动带电粒子的介质称为导电媒质。在外场作用下，导电媒质中将形成定向移动电流。2.5电磁感应定律和位移电流2.5.1电磁感应定律自从1820年奥斯特发现电流的磁效应之后，人们开始研究相反的问题，即磁场能否产生电流。1881年法拉弟发现，当穿过导体回路的磁通量发生变化时，回路中就会出现感应电流和电动势，且感应电动势与磁通量的变化有密切关系，由此总结出了著明的法拉电磁感应定律。•电磁感应定律——揭示时变磁场产生电场•位移电流——揭示时变电场产生磁场•重要结论：在时变情况下，电场与磁场相互激励，形成统一的电磁场。负号表示感应电流产生的磁场总是阻止磁通量的变化。1.法拉弟电磁感应定律的表述设任意导体回路C围成的曲面为S，其单位法向矢量为，则穿过回路的磁通为当通过导体回路所围面积的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势in的大小等于磁通量的时间变化率的负值，方向是要阻止回路中磁通量的改变，即nBCSdl导体回路中有感应电流，表明回路中存在感应电场，回路中的感应电动势可表示为•感应电场是由变化的磁场所激发的电场；•感应电场是有旋场；•感应电场不仅存在于导体回路中，也存在于导体回路之外的空间；•对空间中的任意回路（不一定是导体回路）C，都有因而有对感应电场的讨论：相应的微分形式为(1)回路不变，磁场随时间变化这就是推广的法拉第电磁感应定律。若空间同时存在由电荷产生的电场,则总电场应为与之和，即。由于，故有2.引起回路中磁通变化的几种情况：磁通量的变化由磁场随时间变化引起，因此有称为动生电动势，这就是发电机工作原理。(2)导体回路在恒定磁场中运动(3)回路在时变磁场中运动（1），矩形回路静止；xbaoyx均匀磁场中的矩形环L（3），且矩形回路上的可滑动导体L以匀速运动。解：(1)回路内的感应电动势是由磁场变化产生的，故例长为a、宽为b的矩形环中有均匀磁场垂直穿过，如图所示。在以下三种情况下，求矩形环内的感应电动势。（2），矩形回路的宽边b=常数，但其长边因可滑动导体L以匀速运动而随时间增大；(3)感应电动势由磁场变化及可滑动导体L在磁场中运动产生(2)回路内的感应电动势全部是由导体L在磁场中运动产生或问题：随时间变化的磁场要产生电场，那么随时间变化的电场是否会产生磁场？2.5.2位移电流静态情况下的电场基本方程在非静态时发生了变化，即这不仅是方程形式的变化，而是一个本质的变化，其中包含了重要的物理事实，即时变磁场可以激发电场。（恒定磁场）（时变场）1.全电流定律而由非时变情况下，电荷分布随时间变化，由电流连续性方程有发生矛盾在时变的情况下不适用解决办法：对安培环路定理进行修正由将修正为：矛盾解决时变电场会激发磁场全电流定律：——微分形式——积分形式全电流定律揭示不仅传导电流激发磁场，变化的电场也可以激发磁场。它与变化的磁场激发电场形成自然界的一个对偶关系。tDJd2.位移电流密度电位移矢量随时间的变化率，能像电流一样产生磁场，故称“位移电流”。注：在绝缘介质中，无传导电流，但有位移电流；在理想导体中，无位移电流，但有传导电流；在一般介质中，既有传导电流，又有位移电流。位移电流只表示电场的变化率，与传导电流不同，它不产生热效应。位移电流的引入是建立麦克斯韦方程组的至关重要的一步，它揭示了时变电场产生磁场这一重要的物理概念。dJ例海水的电导率为4S/m，相对介电常数为81，求频率为1MHz时，位移电流振幅与传导电流振幅的比值。解：设电场随时间作正弦变化，表示为则位移电流密度为其振幅值为传导电流的振幅值为故