介质的电磁性质
介质的极化和介电常数
介质的极化和介电常数介质是指具有一定的电导率、介电常数、介磁常数和磁导率的物质，因此，在电磁学中，介质起着非常重要的作用。
介质的极化和介电常数是介质的两个重要性质，对于了解介质的性质和在电磁学应用中起着非常重要的作用。
一、介质的极化介质的极化是指当电场作用于介质时，介质中的分子或离子会发生定向排列，使得介质不再是电中性的状态。
介质中正负电荷的分离称为极化。
1.取向极化介质中的分子或离子具有磁矩或偶极矩，当外加电场作用时，它们会在外力的作用下发生旋转，并与电场方向调整一致而产生极化。
这种极化称为取向极化，它是介电常数与频率有关的一个主要因素。
2.电子云极化电子具有电荷，它在外电场作用下会产生势能，电子云会向外扩散，然后与电场相反的方向移动，形成极化电荷。
因为电子云的大小不一，电子云极化是介电常数与频率有关的另一个重要影响。
3.离子极化在某些情况下，例如在液态和熔融状态下，介质分子可以发生电离或掉电子，从而产生离子极化。
离子极化主要与介质的物理状态、化学结构和温度有关。
二、介电常数介电常数是介质在外电场作用下对电荷的电场力的响应能力的一种量度。
它反映了介质的电介质性质，是比电常数的函数。
介电常数在多种电磁学应用中都有它的功能，例如极板电容器、电场探测器、能量储存设备等。
它的理论计算通过一些基本理论可以求解，例如连续性方程、功率定理、闭合波导等。
综上所述，介质的极化和介电常数是介质电磁性质中的两个基本分支。
极化是介质对电场响应的一种体现，介电常数则对介质电场作用的响应能力进行定量描述，两种性质在相互联系、相互作用的基础上，共同组成了介质电介质学这个广泛应用的分支。
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。
磁化电流密度ppt课件
则得到
tˆ
(m
nˆ )
(M 2
M1
)
tˆ
即
m
nˆ
(M 2
M1)
又因为 故得到
nˆ
的总磁化电流：
Im
ina dl
L
M dl
以
jm
表示磁化电流密度，有
L
jm dS M dl
S
L
(
M
)
ds
S
13
所以
( jm M ) dS 0
S
故得
jm M
对 j两m 边取散度，得
jm 0
这就说明磁化电流不引起电荷的积累，不存在磁化
电流的源头。
电流。极化电流和极化电荷也满足连续性方程：
jp
p
t
0
即
jp
p
t
t
P
P
t
7
所以
jp
P t
称为极化电流密度
c) 极化电荷面密度与极化强度的关系
因为在非均匀介质内部，极化后一般出现极化电
荷。在均匀介质中，极化电荷只出现在介质界面上。
在介质1和介质2分界面上取一个面元为 ，在ds分界面
3
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
其中
pi
是第
i
个分子的电偶极矩，即
pi
qili ,
求和
是对 体积中所有分子进行的。
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
15
磁化电流密度
( ) , ( ) 。其次在铁电和铁磁物质或强场
情况下，P与E , M与H 之间将不再是齐次线性关系。 另外，对于各向异性的介质来说，介电常数和导磁
系数都是张量，场强和感应场强之间的关系推广为
Di ij E j ,
Bi ij H j , i, j 1,2,3
称为极化电流密度
P1
h
通过薄层进入介质2的正电荷为P2 ds ，由介质1 通过薄层下侧面进入薄层的正电荷为 因此薄层 P 1 ds 出现的净余电荷为
dQp ( P2 P 1 ) ds
以 p 为极化电荷面密度，则有 ˆ ds p ds ( P2 P ) d s ( P P ) n 1 2 1 得到
S V
即
p P
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
由此可见，负电荷为极化源头，正电荷为极化尾闾。
相对位移也将随时间改变，由此产生的电流称为极 化电流。极化电流和极化电荷也满足连续性方程：
p jp 0 t
即
p P jp P t t t
对 jm两边取散度，得
jm M
jm 0
这就说明磁化电流不引起电荷的积累，不存在磁化 电流的源头。
b) 磁化电流面密度与磁化强度的关系 对于均匀介质，磁化后介质内部的 M 为一常矢 量。可见 jm M 0 ，即介质内部 jm 0 。但
的总磁化电流： I m ina dl M dl
L
L
以 jm 表示磁化电流密度，有
第三章媒质的电磁性质和边界条件
χ m >> 0
µr >> 1
µ >> µ0
如铁、镍和钴等属于铁磁质。 如铁、镍和钴等属于铁磁质。
在铁磁性材料中，有许多小天然磁化区，称为磁畴。 在铁磁性材料中，有许多小天然磁化区，称为磁畴。 磁畴 铁磁性物质被磁化后， 铁磁性物质被磁化后，撤去外磁 部分磁畴的取向仍保持一致， 场，部分磁畴的取向仍保持一致， 对外仍然呈现磁性。称为剩余磁化 剩余磁化。 对外仍然呈现磁性。称为剩余磁化。 铁磁材料的磁性和温度也有很大关 超过某一温度值后， 系，超过某一温度值后，铁磁材料会 失去磁性，这个温度称为居里点 居里点。 失去磁性，这个温度称为居里点。
r ρP =−∇• P r r ρPs = P•an
若电介质中还存在自由电荷分布时， 若电介质中还存在自由电荷分布时，电介质 中一点总的电位为： 中一点总的电位为：
1 φA = 4πε 0
∫
ρV + ρ P
R
V′
dV ′ +
1 4πε 0
∫
ρ PS
S′
R
dS ′
4. 电介质中的高斯定理 r r ρv ρ ρv −∇• P vb ∇• E = + =
媒质的电磁性质 和边界条件
引言 导体 电介质 磁介质 媒质中的麦克斯韦方程组 电磁场的边界条件
引言
媒质在电磁场作用下可发生现象： 媒质在电磁场作用下可发生现象： ☺导体的传导现象： 导体的传导现象： 在外电场的作用下， 在外电场的作用下，这些带电粒子将发生定 向运动，形成电流。这种现象称为传导 传导。 向运动，形成电流。这种现象称为传导。能发生 传导现象的材料称为导体 导体。 传导现象的材料称为导体。 ☺电介质的极化现象： 电介质的极化现象： 这种在外加电场作用下， 这种在外加电场作用下，分子的电偶极矩将 增大或发生转向的现象称为电介质的极化现象。 极化现象 增大或发生转向的现象称为电介质的极化现象。
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
§1.4 介质的电磁性质
方程组各个式子都有各自的出处， B E 和原有物理含义及其演变； t 第一、二式反映了电磁场的基本 B 0 属性，适用于所有介质(因与介 D 质无关)； H J t 第三、四式引入的辅助量使理论 更简洁，也更容易操作。 D
介质由中性分子(带电粒子)组成。电动力学：各种 介质的电磁性质 → 电磁场与介质的相互作用。
2.电介质的分类与极化 无极分子：正负电中心重合/中性/无偶极矩。外电场 使正负电中心分离(位移极化)，宏观有极； 有极分子：正负电中心分离/非中性/有偶极矩。但分 子无规则运动抵消了电中性，使宏观平均电偶极矩为 零。外电场定向排列偶极矩(取向极化)，宏观有极。
电容率
r 1 e
极化率
相对电容率
3. 介质的磁化
安培：磁现象源于分子电流。
一个分子可等效为右图的电流 环，其分子磁矩(磁偶极矩)为： m ia 当施加外磁场时，这种 分子磁矩将定向排列，在 介质面上产生宏观面电流/ 磁矩 → 磁化。
磁化使介质表面形成宏 观面电流分布，即磁化面 电流(密度)，显磁性。
B 0 D H J t D
0
r0， r 1 M
介质均匀时， 算符不作用
例2 求线性均匀导体内自由电荷密度随时间变化规律。
解：
J E
D J 0 t
D E
显然 J M 0 对比 J 0
磁化电流不引起电 荷的累积，不存在 磁化电流的源头
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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
B
M
0
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介质的极化和磁化
介质的极化：介质中分子和原子的正负电荷在外加电场力的作 用下发生小的位移，形成定向排列的电偶极矩；或原子、分子 固有电偶极矩不规则的分布，在外场作用下形成规则排列。 极化使介质内部或表面上出现的电荷称为束缚电荷。
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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。
P xe0E D E
D
0
E
P
0
E
xe
0
E
01 xe E 0r E E
极化率
M xM H
磁化率
电容率
B H
磁导率
相对电容率
B
0H
0M
0
H
0x H
0(1 x )H 0r H H
相对磁导率
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⑵ 各向异性介质（如晶体）
D
E
电容率张量
各向异性介 质电性质方 程矩阵形式
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2、电磁场较强时
电位移矢量与电场强度的关系为非线性关系
Di ij j ijkE j Ek ijklE j Ek El i 1,2,3
j
jk
jkl
对于铁磁物质，一般情况不仅非线性，而且非单值
在电磁场频率很高时，情况更复杂，介质会出现色散现象。
1、介当质M中普P适的0电，磁回场到基真本空方情程况，。可用于任意介质，
2、12个未知 量，6个独立方程，求解必须给出 E 与 D 的关系。
H与
B，
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五、介质中的电磁性质方程
首先讨论非铁磁介质
1、电磁场较弱
P与E，M与H，D与E，B与H 均呈线性关系
⑴ 各向同性均匀介质
V
PdV
P dS
S
生位移，体积元内一部分电荷因极化 而迁移到的外部，同时外部也有电荷
P P
迁移到体积元内部。因此体积元内部 有可能出现净余的电荷（又称为束缚 电荷）。
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（1）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。
（2）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。
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分子分类 (1)有极分子：无外场时，正负电中心不重合，有分
子电偶极矩。但固取向无矩，不表现宏观电矩。 (2)无极分子：无外场时，正负电中心重合，无分子
电偶极矩，也无宏观电矩。
(3)分子电流：介质分子内部电子运动可以认为构成 微观电流。无外场时，分子电流取向无规，不出 现宏观电流分布。
Im
S Jm dS
ni a dl
L
M dl
L
Jm M
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在介质交界面
上的一个薄的
层内，存在磁
化面电流分布
m
n
(M2
M1)
3、极化电流密度
4、诱导电流
JP JM
Jm ( M ) 0
JP
P t
JP
p
t
0
5、磁场强度
实质是电场变化率
传导电流：介质中可自由移动的带电粒子，在外场力作 用下，导致带电粒子的定向运动，形成电流。
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二、介质存在时电场的散度和旋度方程
pi = p
P=np
nql dS
np
dS
P dS
1、极化强度
P lim
pi
V 0 V
S
2、极化电荷密度 介质 1
由于极化，分子或原子的正负电荷发
4、电场的散度、旋度方程
r
D
E
B
t
它仅起辅助作用并不代表场量。它在具体应用中与电场强度 的关系可由实验或计算来确定。
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三、介质存在时磁场的散度和旋度方程
1、磁化强度
M
lim
mm
当介质被磁化后，由于分子电流 的不均匀会出现宏观电流，称为 磁化电流。
B
H
11i i 12i j
32k
j 33k k
磁导率张量
D1 11E1 12E2 13E3
D2 21E1 22E2 23E3 合写成 Di
3
ijE j
D3 31E1 32E2 33E3
j 1
D1 11 12 13 E1 D2 21 22 23 E2 D3 31 32 33 E3
介质的电磁性质
本节学习向导： 1、介质的极化与磁化 2、介质中的麦克斯韦方程 3、介质的电磁性质
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介质的电磁性质
一、介质的极化和磁化
介质： 介质由分子组成，分子内部有带正电的原子核及 核外电子，内部存在不规则而迅变的微观电磁场。 宏观物理量： 因我们仅讨论宏观电磁场，用介质内大量分子的 小体元内的平均值表示的物理量称为宏观物理量 （小体元在宏观上无限小，在微观上无限大）。 在没有外力场时，介质内宏观电荷、电流分布不 出现，宏观场为零。