§1.1介质的电磁性质
介质的电磁性质与介质常数的实验研究
介质的电磁性质与介质常数的实验研究引言在我们的日常生活中，介质（包括固体、液体和气体）起着至关重要的作用。
然而，我们对介质的电磁性质的了解可能并不深入。
本文将介绍一些实验研究，以帮助我们更好地了解介质的电磁性质以及介质常数。
介质的电磁性质介质的电磁性质指的是介质对电场和磁场的响应。
简单来说，它描述了介质中的电子如何受到电磁场的影响。
在实验中，我们通过测量介质的电磁感应和电导率来研究介质的电磁性质。
实验一：电磁感应在这个实验中，我们将探索介质在电磁感应过程中的行为。
首先，我们选择一个导体线圈作为发送器，并将其连接到一个变压器。
然后，将另一个导体线圈作为接收器，并将其连接到示波器。
接下来，我们把介质放置在发送器和接收器之间，并传输电流。
通过观察示波器上的信号变化，我们可以判断介质对电磁感应的响应。
利用这些数据，我们可以计算出介质的电磁感应常数。
实验二：电导率在这个实验中，我们将研究介质的电导率。
电导率是描述导电性能的指标，它越高表示介质越容易导电。
为了进行这个实验，我们需要一个电导率测量仪器。
首先，我们将待测介质放入测量仪器中，并设置电压和电流。
然后，我们测量介质中的电流和电压，并利用欧姆定律计算出电导率。
通过比较不同介质的电导率，我们可以了解不同介质的导电性能。
介质常数的实验研究介质常数是描述介质中电磁波传播速度的参数。
它是介质电磁性质的重要指标之一。
在实验室中，我们可以通过多种方法研究介质常数。
实验三：干涉法干涉法是研究介质常数的常用方法之一。
我们将利用一台干涉仪来观察光束在不同介质中的传播情况。
首先，我们将一个干涉仪放置在一个恒温环境中，以确保实验过程的稳定性。
然后，我们通过移动其中一个反射镜，观察干涉条纹的变化。
通过测量干涉条纹的位移，我们可以计算出介质的相对折射率和介质常数。
实验四：谐振腔法谐振腔法也是研究介质常数的一种常用方法。
我们利用一个谐振腔来观察电磁波在介质中的传播情况。
首先，我们选择一个合适的谐振腔，并调整其频率，使之与待测介质的共振频率相匹配。
电磁学中的介质的电磁性质研究
电磁学中的介质的电磁性质研究电磁学是研究电场和磁场相互作用的学科，而介质是电磁场的重要组成部分。
介质是指在电磁场中具有电磁性质的物质，包括固体、液体和气体。
在电磁学中，研究介质的电磁性质对于理解电磁场的传播和相互作用机制至关重要。
介质的电磁性质主要包括电介质和磁介质两个方面。
电介质是指能够在电场中产生极化现象的物质，而磁介质则是能够在磁场中产生磁化现象的物质。
介质的电磁性质研究涉及到介质的极化和磁化过程，以及介质对电磁场的响应和传播特性。
在电磁学中，介质的极化是一种重要的现象。
当介质处于外加电场中时，介质中的正负电荷会发生分离，形成电偶极矩，从而导致介质的极化。
介质的极化可以分为电子极化、离子极化和定向极化等不同形式。
电子极化是指介质中的电子在外加电场作用下发生位移，从而形成电偶极矩；离子极化是指介质中的离子在外加电场作用下发生位移，形成电偶极矩；定向极化是指介质中的分子或原子在外加电场作用下发生取向变化，形成电偶极矩。
介质的极化现象不仅与介质的物理性质有关，还与外加电场的强度和频率等因素密切相关。
介质的极化现象对于电磁场的传播和相互作用具有重要影响。
在电磁波传播过程中，电磁波与介质相互作用，会引起介质中的电子、离子或分子发生极化现象，从而改变电磁波的传播速度和传播方向。
这种现象被称为介质对电磁波的吸收和散射。
介质对电磁波的吸收是指介质吸收电磁波的能量，而散射是指介质将电磁波的能量以不同的方向重新分布。
介质的吸收和散射对于电磁波的传播和应用有着重要的影响，例如在无线通信和雷达系统中，介质的吸收和散射会导致信号的衰减和传播路径的变化。
除了电介质，磁介质也是电磁学中的重要研究对象。
磁介质是指能够在磁场中发生磁化现象的物质。
当磁介质处于外加磁场中时，磁介质中的磁性微观磁偶极子会发生取向变化，形成磁化强度。
磁介质的磁化现象与电介质的极化现象类似，都是介质对外加场的响应。
磁介质的磁化现象对磁场的传播和相互作用具有重要影响，例如在电感器和变压器等电磁器件中，磁介质的磁化会导致磁场的集中和传输。
介质的电磁性质
即使在电磁场较弱的情况 ， 表现为频率的函数。
3、导体中的欧姆定律
6、关于磁场的散度、旋度方程
B 0
H
Jf
D t
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四、介质中的麦克斯韦方程
JtDt
D
0
E dl
B
dS
L
S t d
H dl I D dS
L
dt D dS Q
S B dS 0
S
D
0
E
P
B 0(H M )
（3）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，存在极
化面电荷分布。
n
P
n
(P2
P1)
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3、电位移矢量的引入
P P
E
f
P
0
(0E P) f
D 0E P
存在束缚电荷的情况下，总电 场包含了束缚电荷产生的场，一 般情况自由电荷密度可知，但束 缚电荷难以得到(即使实验得到极 化强度,他的散度也不易求得)为 计算方便，要想办法在场方程中 消掉束缚电荷密度分布。
介质中的磁场由 J f JP JM JD 共同决定
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0 J f JP JM JD
B
0J f
0
P t
0 M
00
E t
1
0
BM
Jf
0
E t
P t
P
JP
t
JM JD
0
M
E t
B
0
M
Jf
D t
磁场强度
H
介质的电磁性质
介质表面均匀分布着等量异号的极化电荷.
板外：E外 E0
板内：E1 E0 E仍为均匀电场。 A
E1 E1t E1n
利用边值关系 E1t E2t E sin
D1n
D2n
E
cos
E1n
E
cos
E1
E1t2 E2t2
sin2 ( cos )2 E
E1,n的夹角
tg
E1t E1n
些有极分子在电场作用下按一定方向有序排列，从 宏观上来看这两种行为都相当于产生了一个电偶极 矩。在电磁学中，曾引进了极化强度矢量：
pi
P i V
其中 pi是第 i 个分子的电偶极矩，即
求和是对 V体积中所有分子进行的。
pi qili
a) 极化电荷体密度与极化强度的关系
由于极化，正负电荷间发生了相对位移，每处的 正负电荷可能不完全抵消，这样就呈现宏观电荷，
负电荷，即
S
Qp Q P dS S
因为
Qp V pdV
式中V是S所包围的体积，所以
V pdV P dS V PdV S
即
p P
由此可见，负电荷为极化源头，正电荷为极化 尾闾。
b) 极化电流密度与极化强度的关系
当电场随时间改变时，极化过程中正负电荷 的相对位移也将随时间改变，由此产生的电流称
由n D2 D1 得：应用于上下极板界面
D1 f , D2 f .
E1
f 1
,
E2
f 2
,
由于 p n P2 P1 , 对两介质分界面：
p
P2 P1
e2 E2
e1
E1
2
1
f
0
左极板： p1 n
012-1第1章 基本电磁规律-4-介质的电磁性质-2-介质的磁化和麦克斯韦方程组
₪基本电磁规律1.关于介质的概念2.介质的极化3.介质的磁化4.介质中的麦克斯韦方程组基本电磁规律1.4 介质中的电磁性质第1章₪基本电磁规律所有磁现象都是由运动电荷产生的，事实上任何磁性材料在原子级别都有微小的电流，围绕原子核旋转的电子和电子自旋。
对宏观效果来说，这些环形电流可以看成是磁偶极子。
若分子电流大小为i ，面积为，则分子电流磁矩为，方向为右手螺旋定则的小磁针北极方向。
m ia a 3. 介质的磁化(1)磁偶极子磁化前分子磁矩分布图原子核电子电子绕核形成磁矩图例₪基本电磁规律由于分子电流取向的无规性，没有外场时一般不会出现宏观电流分布。
但是当施加外磁场后，这些磁偶极子会出现有序的排列，介质呈现磁性，形成宏观磁化电流密度，称为磁化。
3. 介质的磁化(2)介质的磁化M J MJ 0B₪基本电磁规律1.电介质极化后，极化方向几乎与外电场方向相同，但对于磁化来说，不同类型的物质，磁化方向有不同的取向。
顺磁体磁化方向与外磁场方向相同，抗磁体与外磁场方向相反。
2. 铁磁体在外磁场撤销后仍然保持磁性，对于铁磁体来说，磁化不仅仅由当时的外磁场决定，还与整个磁化“历史”有关。
3. 介质的磁化(3)关于磁化的说明₪基本电磁规律3. 介质的磁化(5)建立模型MIMI背面流出来以后又从前面流进）都对无贡献。
因此通过S 的总磁化电流等于边界线L所链环着的分子数目乘上每个分子的电流i。
MI设S 为介质内部一个曲面，其边界线为L，若分子电流被边界线L 链环，分子电流对总磁化电流有贡献，在其他情形下（分子电流不通过S，或者从S₪基本电磁规律3. 介质的磁化(6)总磁化电流M d d d L L L I nia l nm l M l如图是边界L 的一个线元，分子电流圈的面积为，若分子中心位于体积为的柱体内，则该分子电流就被所穿过，因此若单位体积分子数为n ，则被边界线L 所链环着的分子电流数目为，则总磁化电流为d l d a l a d l d L na l₪基本电磁规律3. 介质的磁化(7)磁化电流密度M M d d d M S L S I J S M l M S J M以表示磁化电流密度，有M J3. 介质的磁化(9)相互制约的磁现象介质内的磁现象包括两个方面，一方面电磁场作用于介质分子上产生磁化电流和极化电流分布，另一方面这些电流又反过来激发磁场，两者是相互制约的。
Chapter1-2(介质的电磁性质)
10
三、介质的磁化
1. 分子磁矩 分子或原子的磁效应，可等效于一个圆电流，称为“分 子电流”。分子电流的磁矩称为“分子磁矩”。
pm
+
分子磁矩
11
四类磁介质：
（1）顺磁性介质： 介质磁化后呈弱磁性。
附加磁场B与外场B0同向。 B> B0
（2）抗磁性介质： 附加磁场B与外场B0反向。 B< B0 附加磁场B与外场B0同向。 B >> B0
, r > 1
, r < 1
介质磁化后呈弱磁性。
（3）铁磁性介质： 介质磁化后呈强磁性。 ,
r >> 1
（4）完全抗磁体：（ r ＝0）： B ＝0，磁介质内 的磁场等于零（如超导体）。
12
2. 顺磁质和抗磁质
• 顺磁质：分子固有磁矩不为零。
无外磁场：
pm 0
pm 0
• 抗磁质：分子固有磁矩等于零。
与 B0 反向
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4、 磁化强度矢量
顺磁质 L
磁化电流
抗磁质
L
S
Is
B0
S
B0
Is
B0
Is
B0
Is
17
定义磁化强度矢量：
以抗磁质为例
M
pm pm V
n
I s Sn js n LS
与磁化电流的关系：
Is
L
S
B0
M dl
外场而得到介质内的总电磁场：
E E0 E B B0 B
3
3
电介质的极化
3.1 电介质 分子中的正负电荷束缚很紧，介质内部几乎 没有自由电荷。
§1.1介质的电磁性质
§1.1介质的电磁性质从电学的角度，宏观物质大体可分为导体、绝缘体、半导体。
其中，绝缘体一般又称为“电介质”。
半导体则介于导体与绝缘体之间，根据研究的需要，常常将它纳入导体或电介质模型，或者两种模型都套用。
磁学则认为，一切物质材料都是“磁介质”，依据磁导率的大小，磁介质仅仅有“铁磁质”和“非铁磁质”的区分。
铁磁质的相对导磁率，它相当于磁场的“导体”；而非铁磁质的相对导磁率，它部分地相当于磁场的“绝缘体”。
通过电磁学课程，已对介质的电磁特性作了详尽的研究和讨论，述及的概念和规律正是电动力学起步的基础，因此，我们在这里仅对介质的电磁特性做一个总结性的概述。
1.介质的分类从材料性质分：各向异性、各向同性介质；线性、非线性介质；均匀、非均匀介质；从电磁行为分：电介质、导电介质；铁磁质、顺磁质、抗磁质等。
从场的作用分：磁介质、电介质。
介质是一个带电粒子系统，内部存在规则而迅速变化的微观电磁场。
真空则被看作一种特殊的介质（），现代物理认为，真空是“量子场的基态”，它也具有物质性。
2.介质的极化和磁化规律在电磁场中，介质又可划分为两类情况，即电介质和磁介质。
它们在电场和磁场中分别发生极化和磁化。
下表虽然不能概括介质在场中行为的详尽情况，却反映了它们的主要特点与规律。
从表中罗列的内容我们还可以看出，介质的极化与介质的磁化有着高度的对称性。
不仅介质的极化与“分子电流模型描述的介质磁化”对称，而且介质极化也与“磁荷模型描述的磁极化”对称。
清楚这种对称对我们的学习记忆是在现代电磁理论中，实验和推理都赞成诠释磁场起源的“分子电流观点”，但这并不意味着古典的“磁荷观点”已经失效。
虽然迄今还没有在现实中找到“磁单极子”，或许它根本不存在，但是“磁偶极子”却是真实存在的。
因为一个微小的电流环既可以用“磁矩”表述，同时也可用“磁偶极矩”表述，这就是说，电流环可以等效于磁偶极子，即无论从“环流模型”还是从“磁偶极矩模型”计算研究磁场是等效的，殊途同归的。
介质的电磁性质
在介质中有vvຫໍສະໝຸດ P P0 E f P
v v
0E P f
引入辅助矢量电位移矢量 D 0E P
v
D f
➢
电场强度
v E
描述所有电荷分布激发的场，代表介质内的总宏
观电场，是电场的基本物理量，电位移矢量 Dv只是辅助物理
量，并不代表介质中的场强
12
➢ 实验指出，对于各向同性线性均匀介质，极化强度和电场强度
vv P2 P1
v dS
P
dS
P evn
vv P2 P1
束缚电荷面密度
面束缚电荷不是真正分布在一个几何面上的电荷，而是
在一个含有相当多分子层的薄层内的效应。
10
设介质2为真空，则
v P2
0，有
P
evn
v P
P evn
vv P2 P1
v
P P
4、极化电流
时间当改电变，场因随而时极间化变强化度时，Pv也极发化过生程变中化正，负由电此荷产的生相的对电位流移称也为随极 化电流
电荷可能不完全抵消，内部或表面有可能出现净余的电荷，
即出现宏观的电荷分布，由于这些电荷被束缚在分子内部而
不能在介质内自由运动，故称为束缚电荷
7
➢ 束缚电荷密度与极化强度的关系
若极化时正负电荷拉开的位移为lv， 则必有部分电偶
极子跨过面元dS，当电偶极子的负电荷处于体积
v l
v dS
内时，其对应的正电荷就穿过面元dS，则穿出去的电
6
3、极化强度
1) 极化强度：单位体积内分子电偶极矩的矢量和
v
P
i
pvi
N
pv npv
V V
n 为分子数密度，即单位体积内的分子数
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§1.1介质的电磁性质
从电学的角度，宏观物质大体可分为导体、绝缘体、半导体。
其中，绝缘体一般又称为“电介质”。
半导体则介于导体与绝缘体之间，根据研究的需要，常常将它纳入导体或电介质模型，或者两种模型都套用。
磁学则认为，一切物质材料都是“磁介质”，依据磁导率的大小，磁介质仅仅有“铁磁质”和“非铁
磁质”的区分。
铁磁质的相对导磁率，它相当于磁场的“导体”；而非铁磁质的相对导磁率，它部分地相当于磁场的“绝缘体”。
通过电磁学课程，已对介质的电磁特性作了详尽的研究和讨论，述及的概念和规律正是电动力学起步的基础，因此，我们在这里仅对介质的电磁特性做一个总结性的概述。
1.介质的分类
从材料性质分：各向异性、各向同性介质；线性、非线性介质；均匀、非均匀介质；
从电磁行为分：电介质、导电介质；铁磁质、顺磁质、抗磁质等。
从场的作用分：磁介质、电介质。
介质是一个带电粒子系统，内部存在规则而迅速变化的微观电磁场。
真空则被看作一种特殊的介质
（），现代物理认为，真空是“量子场的基态”，它也具有物质性。
2.介质的极化和磁化规律
在电磁场中，介质又可划分为两类情况，即电介质和磁介质。
它们在电场和磁场中分别发生极化和磁化。
下表虽然不能概括介质在场中行为的详尽情况，却反映了它们的主要特点与规律。
从表中罗列的内容我们还可以看出，介质的极化与介质的磁化有着高度的对称性。
不仅介质的极化与“分子电流模型描述的介质磁化”对称，而且介质极化也与“磁荷模型描述的磁极化”对称。
清楚这种对称对我们的学习记忆是
在现代电磁理论中，实验和推理都赞成诠释磁场起源的“分子电流观点”，但这并不意味着古典的“磁荷观点”已经失效。
虽然迄今还没有在现实中找到“磁单极子”，或许它根本不存在，但是“磁偶极子”却是真实存在的。
因为一个微小的电流环既可以用“磁矩”表述，同时也可用“磁偶极矩”表述，这就是说，电流环可以等效于磁偶极子，即无论从“环流模型”还是从“磁偶极矩模型”计算研究磁场是等效的，殊途同归的。
这在赵凯华先生的《电磁学》中有详尽的描写，这里不再赘述。
(1).电介质的极化规律
实验表明，电介质的极化强度与介质内的合成电场成正比，与电极化率成正比，这就是电
介质极化的极化规律，数学表述为。
交变的电场对介质作用时不但使介质能发生周而复始的极化，而且还使介质中的电荷进行反复的移动
而产生“极化电流”。
极化电流常用量度。
(2).磁介质的磁化规律或
磁场的磁化规律与此对应，即（分子电流观点）和（磁荷观点）。
两
式都表明，介质磁化后的效果（或）与介质中的合成场成正比。
两式还暗示了另外一个关系
，它是“分子电流”和“磁荷”两套观点所使用的公式间的“桥梁”，借助于这个关系，我们可以将磁荷观点下的某些公式过渡为分子电流观点下的公式。
例如
由磁荷与电荷的对称性：
进而从可得出或者其变形。
3.介质的通量和环量
(1).从介质极化的模型可以推出的通量及其微分式
在均匀极化的介质中取一立方体，边长恰为偶极子长度
（图1-1）；设n 为介质的分子数密度，
则穿出该立方体的电荷数
对此式取积分得：
从上式不难得出：
和
(2).从介质磁化的模型可以推出
的环量
及其微分式
从从均匀磁化的介质中取一环路
，在环路上
作一个小柱
体，令其底面积为
，长为
（图1-2）；设
为介质的分
子数密度，
为分子电流，则小柱的体积
中心落在小柱内的分子电流数就是环绕
的电流
与环路
链环的总电流
从上式可得
和
图1—1
图1—2。