电磁场与电磁波媒质的电磁性质和边界条件

2. 极化强度
为了描述介质极化的状态， 引入极化强度 矢量.定义单位体积内的电偶极矩为 极化强度 矢量(Polarization Intensity Vector), 即
ur
r P?
lim ?
p
?V? 0 ? V
C / m2
式中 ?为p体积元 内?电V偶极矩的矢量和，
pr的方向从负极化电荷指向正极Fra Baidu bibliotek电荷。
3. 极化电荷（束缚电荷）
由于电场作用产生极化 ,从而使介质内部出
现极化体电荷 ,介质表面出现极化面电荷 .我们
定义:
极化体电荷密度 极化面电荷密度
r
?P ? ??? P
? Ps
?
r P
?
r a
n
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：
? ? ?A
?
1
4π?0
?V ? ? P dV?? 1
v
v
则： J C ? ? E
导体的电导率
描述导电材料的电磁特性的物态方程。
4. 导体的电导率
?电导率是表征材料导电特性的一个物理量 。
?电导率除了与材料性质（如 N，e ?）e 有关外，还
与环境温度有关。 (1)导体材料：
随着温度的升高，金属电导率变小。
(2)半导体材料 ： ? = ? e Nee ? ? h Nhe
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： ? 导体的传导现象：
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。能发生 传导现象的材料称为 导体。
? 电介质的极化现象：
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。
6.介质的击穿
介质的击穿： 当电介质上的外加电场足够大时 ，束缚电荷有可能克服原子结构的吸引力，成 为自由电荷。此时，介质呈现导体特性。
击穿场强： 介质所能承受的最大电场强度。它 在高压技术中是一个表征材料性能的重要参数。
三、磁介质
1.磁介质的磁化
? 磁偶极矩
r pm
?
r IdS
I —分子电流
Am 2
? 磁介质的磁化现象：
还有一些材料对磁场较敏感，例如螺丝刀在 磁铁上放一会儿，螺丝刀就具有一定的磁性， 能吸起小螺钉。这种现象称为 磁化现象。能产 生磁化现象的材料称为 磁介质。
一、导体
1. 导体的定义： 含有大量可以自由移动的带电粒子 的物质。
导体分为两种 金属导体：由自由电子导电 电解质导体：由带电离子导电
（1）导体为等位体；（2）导体内部电场为零；
（3）导体表面的电场处处与导体表面垂直，切 向电场为零；
（4）感应电荷只分布在导体表面上，导体内 部感应电荷为零。
3. 恒定电场中的导体
?将一段导体与直流电源连接，则导体内部会存 在恒定电场。
?导体中的自由电子受到电场力
的作用，逆电场方向运动。其平
均电子速度称为漂移速度：
令：?r ? 1? ? e
v
vv
D ? ?r?0E ? ? E
电介质的物态方程
其中：?r 称为相对介电常数。
材料的介电常数表示为：? ? ?r?0 ? 各向同性：媒质的特性不随电场的方向而改变 ,
反之称为各向异性；
? 线性：媒质的参数不随电场的值而变化；
? 均匀：媒质参数不随空间坐标（ x,y,z ）而变化。
2. 静电场中的导体
?在自然状态下，导体中自由电子所带负电荷 和原子核所带正电荷处处等量分布，相互抵消， 因此导体呈电中性状态。 ?在外加静电场的作用下，导体中自由电子做 宏观定向运动，使电荷重新分布，称之为 静电 感应现象 。
?由于导体内部感应电荷产生的内电场的方向 与外电场的方向相反，且逐渐增强。所以当两 者相等时，导体内部总电场为零，电荷定向运 动终止，电荷分布不随时间改变，达到 静电平 衡状态。 ?达到静电平衡状态的导体具有以下状态。
随着温度的升高，电导率明显增大。
不同材料的电导率数据见教材上表 3-1。
二、电介质
1.电介质的极化
(1)定义 这种在外电场作用下，电介质中出现有序排
列的电偶极子，表面上出现束缚电荷的现象，称 为电介质的极化(Polarized) 。
(2)分类
非极性分子
位移极化
极性分子
取向极化
(3)极化的结果
极化的结果是在电介质的内部和表面形成 极化 电荷， 这些极化电荷在介质内激发出与外电场方 向相反的电场 ,从而使介质中的电场不同于介质外 的电场。
磁偶极子
电子轨道磁矩 主要考虑 原子磁矩 电子自旋磁矩
原子核自旋磁矩
? ? 在没有外磁场作用时
r pm
?
0
? 在外磁场的作用下，发生磁化现象。
在外磁场作用下，物质中的 原子磁矩都将受到一个扭矩作 用，所有原子磁矩都趋于和外 磁场方向一致排列，结果对外 产生磁效应，这种现象称为物 质的磁化。
磁偶极子受 磁场力而转动
?vd
?
v
??eE
式中：?
称为电子的迁移率，
e
其单位为 (m。2/V ?s)
v 故电流密度为： J C
?
? Nee?vd
可得：
v JC ?
v
Nee? eE
如图，单位时间内通过 dS的电量为：
dq ? ? Nee? ddS
式中：Ne为自由电子密度。
?导体材料的物态方程
v
v
J C ? Nee? eE
若设：? ? ?e Nee
V? R
4 π? 0
? PS dS?
S? R
4. 电介质中的高斯定理
?
? ?E ?
?v ?0
????v0b??
?v ? ? ?0
? ?P
?
? ? (?0E ? P) ? ? v
? ??
?
?
? ? D ? ?v
?
? ? D? ? ?0E ? P
? ? Ddv ?
V
V ? vdv
?
? ? 介质中的
?D ? dS ? q S
高斯定理
?从形式上看，真空中和介质中的高斯定理完 全 在一可样Dr中，。但事实上，计划电荷的影响已经包含
?穿过任意封闭曲面的电通量，只与曲面中包 围的自由电荷有关，而与介质的极化状况无关。
5. 电介质的物态方程
v vv
D ? ?0E ? P
v
v
D ? (1? ? e )?0E
v
v
已知：P ? ? e?0 E
?
r pm
?
0
2. 磁化强度
磁化强度的定义：单位体积内，所有磁矩
的矢量和。
? v
M ? lim
r pmi
?V? 0 ? V
如果 Mv，? 说0 明该物质已经被磁化。
3. 束缚电流（磁化电流）
r
r
Jm ? ?? M
r r
J ms
?
r M
?
r an
a 为媒质表面外法线方向 n
介质磁化后束缚电流在空间产生的矢量磁位 ：