电磁学6-1.ppt

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1、第六章物质中的电场1前面我们讨论了自由空间电磁场的基本方程，实际中电磁场空间往往会有物质，不可避免地存在着物质与电磁场的相互作用。传导、极化和磁化是物质对电磁场的三种响应，它们分别用物质的电导率，电容率（介电常数）和磁导率来表征，三个量反映了物质的电磁特性，统称物质的电磁参量。一般来说，物质的三种性能是同时存在的，但对不同物质有很大的差异，例如银和铜传导几乎是其唯一的电磁性能，云母、橡胶则主要是极化。2将物质按三种电磁性能的表现分类，以传导为主的物质称为导体，以极化为主的物质称为电介质，以磁化为主的物质称为磁介质，三类物质统称为介质。有些物质同时具有两

2、种显著的电磁性能，如铁和镍兼有传导和磁化两种性能，由于实际中大多是利用其磁化性能，故将他们归为磁性物质。3一、电介质的极化相对介电常数由于电介质中的原子核与电子的结合非常紧密电子处于被束缚状态，一般情况下呈中性。当电介质处在外电场中时，在电介质中无论是原子中的电子，还是分子中的离子、或是晶体点阵上的带电粒子，在外电场的作用下都会在原子大小范围内移动。当达到静电平衡时，在电介质表面层或体内出现极化电荷的现象叫电介质的极化。电介质是电阻率很大，导电能力很差的物质，又称绝缘体。插入介质后，电容器的电容增大了。因电容器极板上电量未变，但两极板之间的电压减小了，

3、表明电容器内部的场强减弱了。介质表面出现了与极板上的自由电荷异号的极化电荷。实验:实验结果表明：若电容器两极板之间为真空时，电容器的电容为，当电容器内充满同一种均匀电介质后，则电容改变为C，而有4++++++++++二、原子或分子系统的电矩为了说明介质的极化机制，先考察原子或分子的某些电学性质。原子或分子很小，占据的体积只有，但内部有复杂的结构，每个原子都具有一个带正电的核和若干个带负电的电子。原子或分子系统的静电荷虽为零，但它在系统以外产生的电场却不一定为零，在一级近似下，可把原子或分子看作一电偶极子，并用电矩描写原子或分子的电效应，称此电矩为分子电

4、矩。5电介质的相对介电常数三、电介质极化的微观模型对于各向同性的电介质可分为两类无极分子有极分子6CH4H+C-H+H+H+H2OH+H+O-有极电介质分子，由于正、负电荷中心不重合，这类分子可等效为一个固有电偶极矩为的电偶极子。无极电介质分子，由于正、负电荷中心重合，这类分子可等效为固有电偶极矩的电偶极子。7下面介绍电介质的极化机理:1无极分子电介质的位移极化2有极分子电介质的取向极化+-+-8加上外电场后，在电场作用下介质分子正负电荷中心不再重合，形成电偶极子，出现分子电矩（称为感应电矩）。1无极分子的位移极化+-+-+-+-+-+-+-+-+-

5、+-+-+-+-由于无极分子的极化在于正、负电荷中心的相对位移，所以常叫位移极化。9无外电场时，有极分子电矩取向不同，整个介质呈中性。2有极分子的取向极化在外电场中有极分子的固有电矩要受到一个力矩作用，电矩方向转向和外电场方向趋于一致，所以叫取向极化。+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+--++-+-+-+-+-+-+---++--++-+一般来说，分子在取向极化的同时还会产生位移极化，但对有极分子电介质来说，在静电场作用下，取向极化的效应比位移极化的效应强得多，因而其主要的极化机理是取向极化。这样在垂直外电场方向的介质两端面上出现正负电荷，

6、称为极化电荷。极化电荷与导体中的自由电荷不同，它们不能离开电介质而转移到其它带电体上，也不能在电介质内部自由移动。无论是无极分子还是有极分子，尽管它们在外电场作用下极化的微观机理不尽相同，但它们均被极化成沿外电场方向取向的偶极子。10电介质极化的实际过程是相当复杂的，而且原子或分子系统是一个力学系统，只有用量子力学才能够对原子系统做出更为准确地描述。但是，如果我们关心的不是极化过程，而是已经极化的电介质所产生的附加电场，则可以把已经极化的电介质看作是由大量电偶极子的集合，每个电偶极子具有一定的电矩，即分子电矩，各分子电矩在不同程度上沿着外电场方向排列。

7、今后我们就用上述简单模型来代替已经极化了的电介质，这就是我们在电学中采用的电介质的微观模型。在经典范围内，取向极化与位移极化并无明显的差别。但在高频电场中，两种极化很不相同，在高频电场作用下介质的极化主要是电子位移极化。11