第讲介质中的Maxwell方程组第章介质中的电动力学§介质中的Maxwell方程组

第21讲介质中的Maxwell方程组第4章介质中的电动力学（1）§4.1介质中的Maxwell方程组§4.1.1介质的电磁性质1.关于介质的概念现在讨论介质存在时电磁场和介质内部的电荷电流互相作用问题。介质由分子组成，分子内部有带正电的原子核和绕核运动的带负电的电子。从电磁场观点来看，介质是一个带电粒子系统，其内部存在着不规则而又迅速变化的微观电磁场。在研究宏观电磁现象时，我们所讨论的物理量是在一个包含大数目分子的物理小体积的平均值，称为宏观物理量。由于分子是电中性的，而且在热平衡时各分子内部的粒子运动一般没有确定的关联，因此，当没有外场时介质内部一般不出现宏观的电流分布，其内部的宏观电磁场亦为零。有外场时，介质中的带电粒子受场的作用，正负电荷发生相对位移，有极分子（原来正负电中心不重合的分子）的取向以及分子电流的取向亦呈现一定的规则性，这就是介质的极化和磁化现象。由于极化和磁化的原因，介质内部及表面上便出现宏观的电荷电流分布，我们把这些电荷、电流分别称为束缚电荷和磁化电流。这些宏观电荷电流分布反过来又激发起附加的宏观电磁场，叠加在原来外场上而得到介质内的总电磁场。介质内的宏观电磁现象就是这些电荷电流分布和电磁场之间相互作用的结果。2.介质的极化存在两类电介质。一类介质分子的正电中心和负电中心重合，没有电偶极距。另一类介质分子的正负电中心不重合，有分子电偶极矩，但是由于分子热运动的无规则性，在物理小体积的平均电偶极距为零，因而也没有宏观电偶极距分布。在外场作用下，前一类分子的正负电中心被拉开，后一类介质的分子电偶极距平均有一定取向性，因此都出现宏观电偶极距分布。宏观电偶极距分布用电极化强度矢量P描述，它等于物理小体积ΔV内的总电偶极距与ΔV之比，pP=i(4.1---1)V式中为第个分子的电偶极距，求和符号表示对内所有分子求和。piiΔV由于极化，分子正负电中心发生相对位移，因而物理小体积ΔV内可能出现净余的正电或负电，即出现宏观的束缚电荷分布。我们现在首先要求出束缚电荷密度和电极化强度之间的关系。ρpP我们用一个简化模型来描述介质中的分子。设每个分子由相距为l的一对正负电荷±q构成，分子电偶极距为p=ql。图1-7示介质内某曲面S上的一个面元dS。介质极化后，有一些分子电偶极子跨过dS。由图可见，当偶极子的负电荷处于体积l∙dS内时，同一偶极子的正电荷就穿出界面dS外边。设单位体积分子数为n，则穿出dS外面的正电荷为nqldSnpdSPdS（4.1---2）对包围区域V的闭合界面S积分，则由V内通过界面S穿出去的正电荷为PdSS由于介质是电中性性的，这量也等于V内净余的负电荷。这种由于极化而出现的电荷分布称为束缚电荷。以表示束缚电荷密度，有ρpdVPdSPVS把面积分化为体积分，可得上式的微分形式=P（4.1---3）P非均匀介质极化后一般在整个介质内部都出现束缚电荷；在均匀介质内，束缚电荷只出现在自由电荷附近以及介质界面处。现在我们说明两介质分界面上的面束缚电荷的概念。图1-8示介质1和介质2分界面上的一个面元dS.在分界面两侧取一定厚度的薄层，使分界面包含在薄层内。在薄层内出现的束缚电荷与dS之比称为界面上的束缚电荷面密度。由（4.1---2）式，通过薄层右侧面进入介质的正电荷为，由介质通过薄层左侧面进入薄层的正电荷为。2P2∙dS1P1∙dS因此，薄层内出现的净余电荷为。以表示束缚电荷面密度，有−(P2−P1)∙dSσpdS(PP)dS，P21由此，=n(PP)，（4.1---4）P21n为分界面上由介质1指向介质2的法线。由以上推导可见，所谓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。介质内的电现象包括两个方面。一方面电场使介质极化而产生束缚电荷分布，另一方面这些束缚电荷又反过来激发电场，两者是互相制约的。介质对宏观电场的作用就是通过束缚电荷激发电场。因此，若在麦氏方程中电荷密度ρ包括自由电荷密度和束缚电荷密度在内，则在介质内麦氏方程（）式仍然成ρfρp3.10立。。E（4.1---5）fP在实际问题中，自由电荷比较容易受实验条件的直接控制或观测，而束缚电荷则不然。因此，在基本方程中消去比较方便。把（）式代入（）ρp4.1---34.1---5式得（。EP)（4.1---6）f引入电位移矢量D,定义为D。EP（4.1---7）（4.1---6）式可写为D（4.1---8）f在此式中已消去了束缚电荷，但引进了一个辅助场量D.由（4.1---5）和（4.1---8）式看出，E的源是总电荷分布，它是介质中的总宏观电场强度，是电场的基本物理量；而D并不代表介质中的强场，它只是一个辅助物理量。由于在基本方程（4.1---8）中引入了辅助场量D,我们必须给出D和E之间的实验关系才能最后解出电场强度。实验指出，各种介质有不同的电磁性能，D和E的关系也有多种形式。对于一般各向同性线性介质，极化强度P和E之间有简单的线性关系P。E（4.1---9）e称为介质的极化率。由（）式得χe4.1---7DE（4.1---10）。，ε1（4.1---11）rre称为介质的电容率，为相对电容率。εεr3.介质的磁化介质分子内的电子运动构成微观分子电流，由于分子电流取向的无规则性，没有外场时一般不出现宏观电流分布。在外磁场作用下，分子电流出现有规则取向，形成宏观磁化电流密度。JM分子电流也可以用磁偶极距描述。把分子电流看作载有电流i的小线圈，线圈面积为a，则与分子电流相应的磁矩为mia（4.1---12）介质磁化后，出现宏观磁偶极距分布，用磁化强度M表示，它定义为物理小体积ΔV内的总磁偶极距与ΔV之比，mMi（4.1---13）V现在我们求磁化电流密度与磁化强度的关系。如图，设为介质JMM1-9S内部的一个曲面，其边界线为L.为了求出磁化电流密度，我们计算从S的背面流向前面的总磁化电流由图可见，若分子电流被边界线链环着，这分子电流IM.L就对有贡献。在其他情形下，或者分子电流根本不通过，或者从背面流出IMSS来后再从前面流进，所以对都没有贡献。因此，通过的总磁化电流等于IMSIM边界线L所链环着的分子数目乘上每个分子的电流i。图1-10示边界线L上的一个线元dl。设分子电流圈的面积为a。由图可见，若分子中心位于体积为a∙dl的柱体内，则该分子电流就被dl所穿过。因此，若单位体积分子数为n，则被边界线L链环着的分子电流数目为ÑnadlL此数目乘上每个分子的电流i即得从S背面流向前面的总磁化电流I蜒niadlnmdl?MdlMLLL以表示磁化电流密度，有JMJdSÑMdlSML把线积分变为▽×M的面积分，由S的任意性可得微分形式JM（4.1---14）M除了磁化电流之外，当电场变化时，介质的极化强度P发生变化,这种变化产生另一种电流，称为极化电流。设内每个带电粒子的位置为，电荷为，ΔVxiei则exPiiVPeviiJ（4.1---15）tVP称为极化电流密度。磁化电流和极化电流之和是介质内的总诱导电流密JPJMJP度。介质内的磁现象也包括两个方面，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电场，两者也是互相制约的。介质对宏观磁场的作用是通过诱导电流（）激发磁场。因此，若在麦JM+JP氏方程（）式中的包括自由电流密度和介质内的诱导电流密度在3.10JJfJM+JP内，那么麦氏方程在介质中仍然成立，1EBJJJ。（4.1---16）。fMPt在实际问题中，自由电流分布可以直接受实验条件控制和测定，而和JfJM则不然。因此，在基本方程中消去和比较方便。把JPJMJP(4.1---14),(4.1---15)式代入（4.1---16）式，并利用（4.1---7）式得BD(M)J（4.1---17）。ft引入磁场强度H，定义为BHM（4.1---18）。则（4.1---17）式写为DHJ（4.1---19）ft在此式中已消去了诱导电流和，但引进了辅助场量由（）和JMJPH.4.1---16（4.1---19）式看出，B描述所有电流分布激发的场，因此它代表介质内的总宏观磁场，是基本物理量，而H并不代表介质内的场强，它仅是一个辅助物理量。为了解出磁场，还需要定出H和B的关系。实验指出，对于各向同性非铁磁物质，磁化强度M和H之间有简单的线性关系MH（4.1---20）M称为磁化率。把（）式代入（）式得χM4.1---204.1---18BH（4.1---21）。，1（4.1---22）rrM称为磁导率，为相对磁导率。μμr从物理本质上看，E和B是场的基本物理量，而D和H是辅助物理量。历史上由于人们对磁场曾有不正确的认识，把H称为磁场强度而和电场强度E对比。现在人们知道这种看法是错误的，但由于历史原因，仍保留着B和E的原来名称。在实践上，物理量有一定的重要性，这是因为与自由电流分布HHJf有关，而是直接受实验条件控制的。Jf§4.1.2介质中的Maxwell方程组从现在起，我们略去和的下角标，除特殊说明外，以后公式中出现的ρfJffρ和J都代表自由电荷和自由电流分布。介质中的麦克斯韦方程组为BE，tDHJ，tD，（4.1---23）B0其中第二和第三式已在上面讨论过。至于第一和第四式，它们本来就是电磁场内部的规律，两式中只出现总电场和总磁场，与电荷电流没有直接关系，因此在介质中仍然成立。解实际问题时，除了这组基本方程外，还必须引入一些关于介质电磁性质的实验关系。上面我们举出了这些关系中最简单的形式DE，（4.1---24）BH（4.1---25）在导电物质中还有欧姆定律JE（4.1---26）（σ为电导率）。这些关系称为介质的电磁性质方程，它们反映介质的宏观电磁性质。必须指出，（4.1---24）—（4.1---26）式只适用于某些介质。实验指出存在许多不同类型的介质。例如许多晶体属于各向异性介质，在这些介质内某些方面容易极化，另一些方向较难极化，使得D和E一般具有不同方向，它们的关系就不再是（4.1---24）式而是较复杂的张量式。这些介质中D和E的一般线性关系是DEEE1111122133DEEE（4.1---27）2211222233DEEE3311322333（指标1，2，3代表x,y,z分量）。上式可简写为3DEi=1,2,3（4.1---27a）iijjj1这情况下电容率不是一个标量，而是一个张量。εεij在强场作用下许多介质呈现非线性现象，这情形下D不仅与E的一次式有关，而且与E的二次式、三次式等都有关系。在非线性介质中D和E的一般关系式是DEEEEEE...（4.1---28）iijjijkjkijkljkljj,kj,k,l除第一项外，其他各项都是非线性项。（4.1---28）式在非线性光学中有重要的应用。铁磁性物质的B和H的关系也是非线性的，而且是非单值的。一定的H所对应的B值依赖于磁化过程。一般用磁化曲线和磁滞回线表示铁磁性物质的B和H的关系。由以上的例子可以看出物质的电磁性质是多样的，这种多样性使得各种物质材料有多方面的特殊应用。为了研究各种物质的电磁性质，必须从物质的微观结构着手。这超出了本课程的学习范围，本书不准备详细讨论这些问题。§4.1.3电磁场边值关系麦克斯韦方程组可以应用于任何连续介质内部。在两介质分界面上，由于一般出现面电荷电流分布，使物理量发生跃变，微分形式的麦氏方程组不再适用。因此，在介质分界面上，我们要用另一种形式描述界面两侧的场强以及界面上电荷电流的关系。在场作用下，介质界面上一般出现面束缚电荷和电流分布。这些电荷电流的存在又使得界面两侧场量发生跃变。例如图1-11（a）所示的介质与真空分界的情形，在外场。作用下，介质界面上产生面束缚电荷，这些束缚电荷本身激E0发的电场在介质内与。反向，在真空中与。同向。束缚电荷激发的场与外E0E0场。叠加后得到的总电场如图（）所示，由图看出两边的电场和E01-11bE1E2在界面上发生跃变。边值关系就是描述两侧场量与界面上电荷电流的关系。由于场量跃变的原因是面电荷电流激发附加的电磁场，而积分形式的麦氏方程可以应用于任意不连续分布的电荷电流所激发的场，因此研究边值关系的基础是积分形式的麦氏方程组。下面我们分别求出场量的法向分量和切向分量的跃变。1.法向分量的跃变麦氏方程组（4.1---23）的积分形式为dEdlBdSLdtSdHdlIDdSfLdtS（4.1---29）DdSQfSBdS0S式中为通过曲面的总自由电流，为闭合曲面内的总自由电荷。把这组方程IfSQf应用到界面上可以得到两侧场量的关系。为了弄清楚边界条件的物理意义，我们先把总电场的麦氏方程。ÑEdSQQfp（4.1---30）应用到两介质边界上的一个扁平状的柱体（图1-12）。上式左边的面积分遍及柱体的上下底和侧面，和分别为柱体内的总自由电荷和总束缚电荷，它们等QfQP于相应的电荷面密度和乘以底面积。当柱体的厚度趋于零时，对侧面的σfσPΔS积分趋于零，对上下底积分得由（）式得(E2n−E1n)ΔS4.1---30。（EE)2n1nfP（4.1---31）由(4.1---4)式有PP2n1nP（4.1---32）两式相加，利用D。EP,D。EP,1n1n1n2n2n2n得DD2n1nf（4.1---33）由（4.1---31）—（4.1---33）式看出，极化矢量的跃变与束缚电荷面密度相关，的跃变与自由电荷面密度相关，的跃变与总电荷面密度相关。DnEn由上面的推导我们可以看清楚面自由电荷和面束缚电荷在边值关系中所起的作用。由于在通常情形下只给出自由电荷，因此实际上主要应用到边值关系（）式，即的跃变式。的跃变式可以较简单地由麦氏方程的积分形4.1---33DnDn式直接得出。把（4.1---29）第三式直接用到图1-12的扁平状区域上，由于侧面的积分趋于零，得（DD)SS,2n1nf由此立刻可得（4.1---33）式。对于磁场B，把（4.1---29）第四式应用到边界上的扁平状区域上，重复以上推导可以得到BB2n1n（4.1---34）2.切向分量的跃变面电荷分布使界面两侧电场法向分量发生跃变。下面我们证明面电流分布使界面两侧磁场切向分量发生跃变。为此先说明表面电流分布的概念。我们知道，高频电流有所谓趋肤效应，即高频电流只分布在导体表面很薄一层上。根据所研究问题性质的不同，对这种电流分布可以有两种不同的描述方法。一种是对它作比较细致地描述，即把它作为体电流分布J而研究它如何在薄层内分布，而把薄层内看作几何面，把薄层内流过的体电流看作集中在几何面上的面电流。这两种描述方法在不同情况下都会应用到。面电流分布的另一个例子是磁性物质表面上的磁化电流。例如一根沿轴向均匀磁化的铁棒，其内部分子磁矩都有一定取向。如图1-13，在铁棒内部，分子电流互相抵消，但在靠近棒侧面上的分子电流则构成宏观的磁化电流面分布。由这些例子可见，面电流实际上是在靠近表面的相当多分子层内的平均宏观效应。设想薄层的厚度趋于零，则通过电流的横截面变为横截线。定义电流线密度α，其大小等于垂直通过单位截面的电流。图1-14表示界面的一部分，其上有面电流，其线密度为α，为横截线。垂直流过Δl段的电流为Il（4.1---35）由于存在面电流，在界面两侧的磁场强度发生跃变。如图1-15，在界面两旁取一狭长形回路，回路的一长边在介质1中，另一长边在介质2中。长边Δl与面电流正交。把麦氏方程（）第二式应用到狭长形回路上。取回路上αf4.1---29下边深入到足够多分子层内部，使面电流完全通过回路内部。从宏观来说回路短边的长度仍可看作趋于零。因而有Hdl(HH)l2t1tL其中t表示沿Δl的切向分量。通过回路内的总自由电流为Ilff由于回路所围面积趋于零，而∂D/∂t为有限量，因而dDdS0dt把这些式子代入（4.1---29）第二式中得HH2t1tf（4.1---36）上式可以用矢量形式表示。设Δl为界面上任一线元，t为Δl方向上的单位矢量。流过Δl的自由电流为Inlααnlfff对狭长形回路用麦氏方程（4.1---29）第二式得ÑHdl(HH)lIαnlL21ff由于Δl为界面上任一矢量，因此(HH)αn21//f，式中//表示投射到界面上的矢量。上式再用n矢乘，注意到n(HH)n(HH)21//21，而且nα0f，得n(HH)α21f（4.1---37）这就是磁场切向分量的边值关系。同理，由（4.1---29）第一式可得电场切向分量的边值关系：n(EE)021（4.1---38）上式表示界面两侧E的切向分量连续。以后在公式中出现的σ和α除特别声明者外，都代表自由电荷面密度和自由电流线密度，不再写出角标f.总括我们得到的边值关系为n(EE)0,21n(HH)α,21（4.1---39）n(DD)σ,21n(ΒB)021这组方程和麦氏方程（4.1---29）式意一一对应。边值关系表示界面两侧的场以及界面上电荷电流的制约关系，它们实质上是边界上的场方程。由于实际问题往往含有几种介质以及导体在内，因此，边值关系的具体应用于解决实际问题是十分重要的。例无穷大平行板电容器内有两层介质（图1-16），极板上面电荷密度为，求电场和束缚电荷分布。±σf解由对称性可知电场沿垂直于平板的方向。把（4.1---39）应用于下板与介质1界面上，因导体内场强为零，故得D1=f同样，把（4.1---39）式应用到上板与介质2界面上得D2f由这两式得Ef,Ef1212束缚电荷分布于介质表面上。在两介质界面处，0,f由（4.1---31）式得。。（EE)(0)P21f21在介质1在与下板分界处，由（4.1---31）式得。。E(1),'1fPf1在介质2与上板分界处，。"。E(1).Pf2f2容易验证,'"0,PPP介质整体是电中性的。§4.1.4标势和矢势的边值关系1、标势的边值关系在两介质界面上，电势φ必须满足边值关系。我们需要把电场的边值关系n(EE)0,（4.1---40）21n(DD)（4.1---41）21化为电势的边值关系。如图2-1，考虑介质1和介质2分界面两侧相邻的两点和。由于电场强度有限，而→，把电荷由移至所作的功亦P1P2P1P20P1P2趋于零，因此界面两侧的电势相等，即在界面上，电势φ是连续的。电势连续条件可以代替电场边值关系（）式。因为，设和为边界两侧相邻4.1---40P’1P’2的另外两点，由电势连续条件有，因而φ'1=φ'21122设和相距，则，同样，，因此P1P’1Δlφ'1−φ1=−E1·Δlφ'2−φ2=−E2·ΔlElEl.12由于Δl为界面上任一线元，上时表示界面两边电场的切向分量相等，与（4.1---40）式一致。另一边值关系（4.1---41）式用式表出为12（4.1---42）212n1n式中n为由介质1指向介质2的法线，σ为界面上的自由电荷面密度。（4.1---42）式是在界面上静电势所满足的边值关系。以上给出边值关系的一般形式。在静电问题上中，常常有一些导体存在，由于导体的特殊性质，在导体表面上的边值关系有它的特点。导体内部有自由电子，在电场作用下这些电子就会运动。因此，在静止情况下，导体内部电场必须为零，而且导体表面上的电场亦不能有切向分量，否则电子将沿表面运动。导体内部没有电场的必要条件是导体内部不带电，导体所带电荷只能分布于表面上。因此，导体的静电条件归结为（1）导体内部不带电，电荷只能分布于导体表面上；（2）导体内部电场为零；（3）导体表面上电场必沿法线方向，因此导体表面为等势面。整个导体的电势相等。设导体表面所带电荷面密度为σ，设它外面的介质电容率为ε，由（4.1---42）式和导体静电条件得导体表面的边界条件常量（4.1---42a）n静电学的基本问题是求出在每个均匀区域内满足泊松方程，在所有分界面上满足边值关系和在所研究的整个区域边界上满足边界条件的电势的解。在第二节中我们将证明，给定区域V内的电荷分布ρ，给定区域边界S上的电势φ|s或作为区域边界的导体所带的总电荷，即能唯一地确定电场。以后几节我们将具体讨论静电场边值问题的求解方法。2.矢势边值关系由第一章（4.1---39）式，在两介质分解面上磁场的边值关系为n(BB)0（4.1---43）21n(HH)α（4.1---44）21磁场边值关系可以化为矢势A的边值关系。对于非铁磁介质，矢势的边值关系为n(AA)0（4.1---45）2111n(AA)α（4.1---46）2121边值关系（4.1---45）式也可以用较简单的形式代替。在分界面两侧取一狭长回路（见第一章图1-15），计算A对此狭长回路的积分。当回路短边长度趋于零时，ÑAdl(AA)l2t1t另一方面，由于回路面积分趋于零,有ÑAdlBdS0因此，AA（4.1---47）2t1t若取▽·A=0规范，仿照第一章§5关于法向矢量边值关系的推导，可得AA（A0）（4.1---48）2n1n（4.1---47）和（4.1---48）式合起来得AA（4.1---49）21即在两介质分界面上，矢势A是连续的，边值关系（4.1---49）式可以用来代替（4.1---45）式。课下作业：第35-36页，第7，8，9，11，12，13题。7．有一内外半径分别为r和r的空心介质球，介质的介电常数为使介质120内均匀带静止自由点荷求：f（1）空间各点的电场（2）极化体电荷和极化面电荷分布8.内外半径分别为r和r的无穷长中空导体圆柱，沿轴向流有稳恒均匀自由点12流J，导体的磁导率为，求磁感应强度和磁化电流。f9.证明均匀介质内部的体极化电荷密度f总是等于体自由电荷密度f的(10)倍。11、平行板电容器内有两层介质，它们的厚度分别为l1和l2，电容率为1和2，今在两板接上电动势为E的电池，求(1)电容器两板上的自由电荷面密度f；(2)介质分界面上的自由电荷面密度f。若介质是漏电的，电导率分别为1和2，当电流达到恒定时，上述两问题的结果如何12、证明(1)当两种绝缘介质的分界面上不带面自由电荷时，电场线的曲折满足tan22tan11其中1和2分别为两种介质的介电常数，1和2分别力界面两侧电场线与法线的夹角。(2)当两种导电介质内流有恒定电流时，分界面上电场线曲折满足tan22tan11其中1和2分别为两种介质的电导率。13、用边值关系证明：在绝缘介质与导体的分界而上，在静电情况下，导体外的电场线总是垂直于导体表面；在恒定电流情况下，导体内电场线总是平行于导体表面。思考题：1．直接给出介质电极化强度P的定义，并推导公式Df。2．直接给出介质磁化强度M的定义，并推导公式DHJt3．直接给出介质中麦可斯韦方程组的积分形式和微分形式，写明其中各个符号的物理意义，并给出反映介质性质的介质方程。4．根据介质中麦可斯韦方程组，推导出介质界面上E、D、B、H的边值关系。5．无穷大平行板电容器内有两层介质，极板上面电荷密度为f，求电场和束缚电荷分布。6．根据介质中的麦可斯韦方程组，证明均匀介质内部的体磁化电流密度总是等于体自由电荷电流密度JMJf(1)的0倍。7．由静电场界面间的边值关系，导出电势的边值关系。