电磁波作用下介质中的电流

电磁波作用下介质中的电流*

张涛

北京师范大学低能核物理研究所，北京市辐射中心，北京，（100875）

taozhang@

摘要提出了在电磁波作用下介质中存在的一种电流机制，有助于深入认识电磁波与介质之间的相互作用.

关键词电磁波介质电流

介质与电磁波相互作用时，介质中会生成宏观意义上的附加电荷和电流，用ρ和j分别表示所有宏观附加电荷的密度和所有宏观附加电流的密度. 为了便于分析，这里的“介质”是指无限大各向同性介质. 一般认为ρ和j组成如下[1]

ρ=ρ0+ρ′, (1)

j=j0+j P+j M, (2)

式中ρ0和ρ′分别是介质中自由电荷密度和极化电荷密度，j0、j P和j M分别是介质中传导电流密度、极化电流密度和磁化电流密度，这是根据电荷和电流的形成机制而划分的.

最近提出了电子云导体模型：电子云之中存在的变化外磁场会在电子云上诱发一个感生电流. 这一模型应用于光的折射方面取得一些合理结果，并将氦气的折射率与抗磁性联系起来[2]. 麦克斯韦认为：变化的磁场在周围激发了一种电场，这种电场称为感生电场，它的存在不依赖于在变化的磁场周围是否有闭合导体. 根据法拉第电磁感应原理，电磁波变化的磁

B

.

来轨道运动上的附加运动造成的，这是对电子运动统计平均的结果. 一个分子内所有电子的周向运动形成一个等效环电流（称之为“分子感生环电流”或“分子感生电流”），如图2. 如同介质磁化会在介质中形成宏观的磁化电流一样，介质各个分子感生环电流最终形成一个宏观电流（如图3）. 为方便起见，称这个宏观电流为“合成感生电流”，并且用j F表示合成感生电流密度. 总之，每一分子内各个电子的周向运动形成分子感生环电流，介质中各个分子

合成感生电流与磁化电流都是分子大小级别的环电流合成宏观电流的结果，但它们的生成机理是不同的：合成感生电流生成机理是法拉第电磁感应原理，合成感生电流随变化的外磁场而产生，在稳定的外磁场下j F=0；磁化电流是介质顺磁、抗磁等性质的结果，无论外磁场变化与否，只要外磁场不为0，j M就不为0.

可以借助介质的极化电流机制来说明合成感生电流的合理性. 绝缘介质的一种电极化机制是电子极化，即分子内的电子在交变外电场作用下往复运动，类似一个振子[3, 4]，这种往复运动具有统计意义. 这表明，绝缘介质分子内的电子虽然不能在分子之间自由流动，但它在自己的电子云空间内可以有一定程度的自由运动，可以视为分子内的自由电子（分子内每一电子的活动区域限于其电子云范围）[5]. 既然分子内的电子能在交变外电场作用下形成统计意义上往复定向运动，并且导致介质的极化电流，那么，分子内的电子也应该能在变化外磁场诱发的感生电动势作用下形成统计意义上的环形定向运动，并且导致合成感生电流. 实际上，电子在介质内或分子内的定向运动均是统计意义上的结果.

在外场作用下原子光谱的分裂现象、介质的抗磁性、介质在电场下的击穿等现象均是外场改变分子内电子运动的例子.

2

下面考察j F 的表达形式. 类似于磁化电流的统计处理方法，可以假定：只要所考察的各个分子处的电磁波∂B /∂t 相同，则在电磁波∂B /∂t 作用下各个分子形成的感生环电流的强度和尺寸是相同的. 分子感生环电流i 正比于感生电动势从而正比于磁通量变化的负值，即

t

S U ∂∂−==B

i F

σσ. (3) 式中U = −S F (∂B /∂t )是感生电动势（法拉第电磁感应原理），S F 是感生环电流面积，B 是介质中的磁感应强度，σ是一比例系数. 每个分子感生环电流的磁矩（称之为“分子感生磁矩”）

t

S S ∂∂−==B

i m 2

F

F F σ. (4) m F 指向阻止B 变化的方向.分子感生磁矩造成的磁化强度（称之为“感生磁化强度”，区别于介质磁化造成的磁化强度）

t

t S N N ∂∂−=∂∂−==B

B m M βσ2

F

F F . (5) 式中N 是介质分子的密度，β=N σ S F 2. N 、σ、S F 与介质性质有关，在一定情况下它们随外界条件变化而变化，将它们合并为一个介质的宏观性质参数β，称之“感生磁化率”，其单位：S •m(西门子•米). 类似于磁化电流密度与磁化强度之间的关系[1]，最终有合成感生电流密度j F 与感生磁化强度M F 之间关系

)(F F t

∂∂−×∇=×∇=B

M j β

. (6) 与磁化电流一样，合成感生电流不会引起电荷的积累，因此式(1)保持不变. 根据上面论述，式(2)j 变为

j =j 0+j P +j M +j F . (7)

式(7)比式(2)多了j F 项.

总之，在电磁波作用下，介质中应该至少存在4种电流机制，它们分别是传导电流、极化电流、磁化电流和合成感生电流机制. 其中传导电流是电子（或其它载流子）在导电物质分子之间的定向运动造成的，在光频下其余三种电流是电子在其分子内的定向运动造成的. 只要有电子云存在，就会有分子感生环电流的机制，因此推论电磁波与介质相互作用时导致合成感生电流的现象应该是普遍存在的.

参考文献

[1]蔡圣善，朱耘，徐建军.电动力学. 北京：高等教育出版社，2002年7月第二版，第1章. [2]张涛. 光在介质中的折射. ，2005年9月1日. [3]赵建林.高等光学. 北京：国防工业出版社，2002年9月，第2章.

[4]Gerald Burns. Solid State Physics. Orlando, Florida: Academic Press, Inc., 1985,Chapter 13.

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[5]同[1]，352页.

Currents in medium interacted with electromagnetic wave

Zhang Tao

Institute of Low Energy Nuclear Physics, Beijing Radiation Center, Beijing Normal University,

Beijing 100875, China

Abstract

A mechanism of current in medium was presented. This helps to understand the interaction between medium and electromagnetic wave.

Keywords:medium, electromagnetic wave, current

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