電磁學(xué)-西安電子科技大學(xué)

1、,電磁學(xué) 多媒體教學(xué)課件,西安電子科技大學(xué)理學(xué)院,第六章 電磁介質(zhì),2,第四章 電磁介質(zhì),1 電介質(zhì),2 磁介質(zhì)（一）-分子電流觀點(diǎn),5 磁介質(zhì)的磁化規(guī)律和機(jī)理 鐵電體,7 電磁場(chǎng)能,3 磁介質(zhì)（二）-磁荷觀點(diǎn),4磁介質(zhì)兩種觀點(diǎn)的等價(jià)性,6 電磁介質(zhì)界面上的邊界條件 磁路定理,第六章 電磁介質(zhì),3,1 電介質(zhì),一、電介質(zhì)對(duì)電容的影響,根據(jù)電容的定義式可知：,r一般是一個(gè)只與電介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，叫做電介質(zhì)的相對(duì)電容率。,第六章 電磁介質(zhì),4,1 電介質(zhì),1、有極分子與無(wú)極分子,分子的正電荷中心與負(fù)電荷中心,凡是正負(fù)電荷中心重合的分子叫無(wú)極分子，正負(fù)電荷中心不重合的分子叫有極分子。,2、無(wú)極分子

2、的位移極化,無(wú)極分子電介質(zhì)處在電場(chǎng)中時(shí)，分子的正負(fù)電荷中心發(fā)生位移從而形成分子電偶極子。此時(shí)電介質(zhì)中的分子電偶極矩的矢量和不為零。稱為電介質(zhì)被極化了。,二、電介質(zhì)的極化,第六章 電磁介質(zhì),5,1 電介質(zhì),3、有極分子的取向極化,有極分子電介質(zhì)處在電場(chǎng)中時(shí)，分子的電偶極子發(fā)生取向排列，從而使得分子的電偶極矩的矢量和不為零。也稱為該電介質(zhì)被極化了。 有極分子還有混合極化的情況。,4、極化電荷：因電介質(zhì)被外電場(chǎng)極化而出現(xiàn)在電介質(zhì)表面或內(nèi)部的電荷叫極化電荷（也叫做束縛電荷）。常用q來(lái)表示。其它電荷都叫做自由電荷。,V,第六章 電磁介質(zhì),6,1 電介質(zhì),2、極化強(qiáng)度與極化電荷面密度的關(guān)系,另一情況,電介

3、質(zhì)中某一點(diǎn)處的極化電荷面密度等于該點(diǎn)處的極化強(qiáng)度在該面的法線方向的投影。,三、極化強(qiáng)度矢量,1、定義：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)分子電偶極矩的矢量和。,第六章 電磁介質(zhì),7,1 電介質(zhì),閉合曲面內(nèi)的極化電荷為：,電介質(zhì)的內(nèi)部附加電場(chǎng)與原電場(chǎng)的 方向雖然相反，但不能完全抵消。即電介質(zhì)中的總電場(chǎng)不為零。,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大多數(shù)電介質(zhì)中極化強(qiáng)度是與總電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)成正比的（這時(shí)稱電介質(zhì)線性極化）?？梢员硎緸椋?（這里，稱為電介質(zhì)的極化率）,四、退極化場(chǎng),五、極化率,第六章 電磁介質(zhì),8,1 電介質(zhì),電介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度 極化電荷與自由電荷的關(guān)系,第六章 電磁介質(zhì),9,1 電介質(zhì),例 兩個(gè)帶電分別為+0和-0的平行導(dǎo)體平板（可看成

4、無(wú)限大）中填充有極化率為的電介質(zhì)。試求其總電場(chǎng)強(qiáng)度。,解：電介質(zhì)處在帶電導(dǎo)體板中，將受到其電場(chǎng)的極化。,電介質(zhì)被極化后將產(chǎn)生極化電荷，極化電荷將產(chǎn)生附加電場(chǎng)，所以總電場(chǎng)為,第六章 電磁介質(zhì),10,1 電介質(zhì),六、電介質(zhì)中的高斯定理,1、推導(dǎo),根據(jù)電介質(zhì)中的電場(chǎng)只要考慮了極化電荷就可以當(dāng)成真空來(lái)處理的基本思想。高斯定理可寫(xiě)為：,高斯定理可以重新寫(xiě)為：,第六章 電磁介質(zhì),11,1 電介質(zhì),2、電位移,矢量，沒(méi)有直接的物理意義。,若電介質(zhì)是線性極化的，則有：,第六章 電磁介質(zhì),12,1 電介質(zhì),3、電介質(zhì)中的高斯定理,上式的左邊是電位移通量。q0是高斯面內(nèi)所包圍的自由電荷的代數(shù)和。,高斯面內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)

5、度通量,高斯面內(nèi)的電位移強(qiáng)度通量,電介質(zhì)中的高斯定理可以表述為：在靜電場(chǎng)中，通過(guò)任意閉合曲面（高斯面）的電位移通量等于該閉合曲面內(nèi)所包圍的自由電荷的代數(shù)和。電位移通量與極化電荷無(wú)關(guān)。,第六章 電磁介質(zhì),13,1 電介質(zhì),4、電位移線及其特點(diǎn)：,電位移線有方向曲線，它滿足（1）其切向就是電位移的方向，（2）其密度等于電位移的大小。,電位移通量穿過(guò)某一有向曲面的電位移線的條數(shù)。,由電介質(zhì)中的高斯定理，我們可以知道：電位移線總是起始于自由正電荷終止于自由的負(fù)電荷。,第六章 電磁介質(zhì),14,1 電介質(zhì),5、電介質(zhì)中高斯定理的應(yīng)用,求解電荷和電介質(zhì)都對(duì)稱分布時(shí)的電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)。,例 如圖所示，一個(gè)均勻帶電球

6、體外有一個(gè)電介質(zhì)球殼。試求場(chǎng)強(qiáng)分布。,解：如圖取高斯面，則有：,第六章 電磁介質(zhì),15,1 電介質(zhì),解（1）,例2 一平行平板電容器充滿兩層厚度各為 和 的電介質(zhì)，它們的相對(duì)電容率分別為 和 , 極板面積為 . 求（1）電容器的電容；（2）當(dāng)極板上的自由電荷面密度的值為 時(shí)，兩介質(zhì)分界面上的極化電荷面密度.,第六章 電磁介質(zhì),16,1 電介質(zhì),（2）,第六章 電磁介質(zhì),17,例3 常用的圓柱形電容器，是由半徑為 的長(zhǎng)直圓柱導(dǎo)體和同軸的半徑為 的薄導(dǎo)體圓筒組成，并在直導(dǎo)體與導(dǎo)體圓筒之間充以相對(duì)電容率為 的電介質(zhì).設(shè)直導(dǎo)體和圓筒單位長(zhǎng)度上的電荷分別為 和 . 求（1）電介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度、電位移和極

7、化強(qiáng)度；（）電介質(zhì)內(nèi)、外表面的極化電荷面密度；（）此圓柱形電容器的電容,1 電介質(zhì),第六章 電磁介質(zhì),18,1 電介質(zhì),解（1）,（）由上題可知,第六章 電磁介質(zhì),19,（）由（）可知,單位長(zhǎng)度電容,1 電介質(zhì),第六章 電磁介質(zhì),20,2 磁介質(zhì)（一）- 分子電流觀點(diǎn),一 磁介質(zhì)的磁化,1. 磁介質(zhì)的磁化機(jī)理,每個(gè)分子等效一個(gè)圓電流,順磁質(zhì) 抗磁質(zhì),磁疇,鐵磁質(zhì),第六章 電磁介質(zhì),21,由于分子磁矩的取向一致 考慮到它們相對(duì)應(yīng)的分子電流 如 長(zhǎng)直螺線管內(nèi)部充滿均勻的各向同性介質(zhì)將被均勻磁化,2. 磁化強(qiáng)度,磁化強(qiáng)度與磁化電流的關(guān)系：,2 磁介質(zhì)（一）- 分子電流觀點(diǎn),第六章 電磁介質(zhì),22,二

8、 磁介質(zhì)內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度,有磁介質(zhì)時(shí)的總場(chǎng)是,傳導(dǎo)電流產(chǎn)生,與介質(zhì)有關(guān)的電流產(chǎn)生,介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率,順磁質(zhì) 抗磁質(zhì) 鐵磁質(zhì),在介質(zhì)均勻充滿磁場(chǎng)的情況下,2 磁介質(zhì)（一）- 分子電流觀點(diǎn),第六章 電磁介質(zhì),23,三 有磁介質(zhì)時(shí)的安培環(huán)路定理和高斯定理,設(shè)：I0 傳導(dǎo)電流,I 磁化電流,I,定義,1. 安培環(huán)路定理,2 磁介質(zhì)（一）- 分子電流觀點(diǎn),第六章 電磁介質(zhì),24,得：,H 的單位：,真空：,奧斯特 Oe（SGSM）,A/m （ SI ）；,的環(huán)路定理,2 磁介質(zhì)（一）- 分子電流觀點(diǎn),第六章 電磁介質(zhì),25,各向同性線性磁介質(zhì), 磁導(dǎo)率,令,則有,將,代入,得,2. 高斯定理,該結(jié)論對(duì)傳導(dǎo)

9、電流或介質(zhì)中的磁化電流都適用。,2 磁介質(zhì)（一）- 分子電流觀點(diǎn),第六章 電磁介質(zhì),26,解：由安培環(huán)路定理,例：一根長(zhǎng)直單芯電纜的芯是一根半徑為R的金屬導(dǎo)體，它和導(dǎo)電外壁之間充滿相對(duì)磁導(dǎo)率為r的均勻介質(zhì)。今有電流I均勻地流過(guò)芯的橫截面并沿外壁流回。求磁介質(zhì)中磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布。,2 磁介質(zhì)（一）- 分子電流觀點(diǎn),第六章 電磁介質(zhì),27,一 磁化率和磁導(dǎo)率,各向同性線性磁介質(zhì),介質(zhì)的磁化率,介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率,順磁質(zhì) 抗磁質(zhì) 鐵磁質(zhì),在介質(zhì)均勻充滿磁場(chǎng)的情況下,5 磁介質(zhì)的磁化規(guī)律和機(jī)理 鐵電體,3 磁介質(zhì)（二）- 磁荷觀點(diǎn)（簡(jiǎn)單介紹，略）,4 磁介質(zhì)兩種觀點(diǎn)的等效性（略）,第六章 電磁介質(zhì),28

10、,二 順磁質(zhì)和抗磁質(zhì),5 磁介質(zhì)的磁化規(guī)律和機(jī)理 鐵電體,第六章 電磁介質(zhì),29,無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)抗磁質(zhì)分子磁矩為零,抗磁質(zhì)內(nèi)磁場(chǎng),抗磁質(zhì)的磁化,5 磁介質(zhì)的磁化規(guī)律和機(jī)理 鐵電體,第六章 電磁介質(zhì),30,三 鐵磁質(zhì),存在一些小的均勻區(qū)域，,同一磁疇內(nèi)分子的磁矩,的取向近似相同。,磁化的過(guò)程中各磁疇的磁矩朝磁場(chǎng)方向取向，,因而表現(xiàn)出很強(qiáng)的磁效應(yīng),鐵、鈷、鎳、鏑等物質(zhì),1. 鐵磁質(zhì)結(jié)構(gòu),這些小的區(qū)域稱為磁疇。,5 磁介質(zhì)的磁化規(guī)律和機(jī)理 鐵電體,第六章 電磁介質(zhì),31,測(cè)量B與H的關(guān)系,2. 磁滯回線,c,s,r,H,B,.,.,.,.,.,.,.,c,H,r,B,B,.,.,B,H,磁 滯 回 線,

11、c,H,a,b,c,d,e,f,g,o,矯頑力,剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度,飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度,磁滯現(xiàn)象：B 滯后于 H 的變化,s,B,r,B,根據(jù)電流的測(cè)量再由式,可得到H,5 磁介質(zhì)的磁化規(guī)律和機(jī)理 鐵電體,第六章 電磁介質(zhì),32,磁 滯 回 線,鐵磁質(zhì)磁化過(guò)程中要消耗,能量，此能量稱為磁滯損耗,實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)沿磁滯線經(jīng)歷,磁滯回線所圍的面積,成正比。,一次循環(huán)磁滯損耗與,5 磁介質(zhì)的磁化規(guī)律和機(jī)理 鐵電體,第六章 電磁介質(zhì),33,不是一個(gè)常量，它的值不,僅決定于原線圈中的電流，還決定于鐵磁質(zhì)樣品磁化的歷史。,3.鐵磁質(zhì)的特性： 1）磁導(dǎo)率,B 和H 不是線性關(guān)系。,3） 有剩磁、磁飽和及磁滯現(xiàn)象。,2） 有很大的磁導(dǎo)率。放入線圈中時(shí)可以使磁場(chǎng)增強(qiáng),倍。,10,10,2,4,5 磁介質(zhì)的磁化規(guī)律和機(jī)理 鐵電體,第六章 電磁介質(zhì),34,4. 磁性材料：,應(yīng)用：硅鋼片，作變壓器的鐵芯。鐵氧體（非金屬）作高頻線圈的磁芯材料。,矩磁材料：作計(jì)算機(jī)中的記憶元件。,特點(diǎn)：磁導(dǎo)率大，矯頑力小，磁滯回線窄。,1）軟磁材料,特點(diǎn)：剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度大，矯頑力大， 磁滯回線寬。,2）硬磁材料,應(yīng)用：作永久磁鐵，永磁喇叭,5 磁介質(zhì)的磁化規(guī)律和機(jī)理 鐵電體,第六章 電磁介質(zhì),35,7 電磁