电磁学-西安电子科技大学

1、,电磁学 多媒体教学课件,西安电子科技大学理学院,第六章 电磁介质,2,第四章 电磁介质,1 电介质,2 磁介质（一）-分子电流观点,5 磁介质的磁化规律和机理 铁电体,7 电磁场能,3 磁介质（二）-磁荷观点,4磁介质两种观点的等价性,6 电磁介质界面上的边界条件 磁路定理,第六章 电磁介质,3,1 电介质,一、电介质对电容的影响,根据电容的定义式可知：,r一般是一个只与电介质性质有关的常数，叫做电介质的相对电容率。,第六章 电磁介质,4,1 电介质,1、有极分子与无极分子,分子的正电荷中心与负电荷中心,凡是正负电荷中心重合的分子叫无极分子，正负电荷中心不重合的分子叫有极分子。,2、无极分子

2、的位移极化,无极分子电介质处在电场中时，分子的正负电荷中心发生位移从而形成分子电偶极子。此时电介质中的分子电偶极矩的矢量和不为零。称为电介质被极化了。,二、电介质的极化,第六章 电磁介质,5,1 电介质,3、有极分子的取向极化,有极分子电介质处在电场中时，分子的电偶极子发生取向排列，从而使得分子的电偶极矩的矢量和不为零。也称为该电介质被极化了。 有极分子还有混合极化的情况。,4、极化电荷：因电介质被外电场极化而出现在电介质表面或内部的电荷叫极化电荷（也叫做束缚电荷）。常用q来表示。其它电荷都叫做自由电荷。,V,第六章 电磁介质,6,1 电介质,2、极化强度与极化电荷面密度的关系,另一情况,电介

3、质中某一点处的极化电荷面密度等于该点处的极化强度在该面的法线方向的投影。,三、极化强度矢量,1、定义：单位体积内分子电偶极矩的矢量和。,第六章 电磁介质,7,1 电介质,闭合曲面内的极化电荷为：,电介质的内部附加电场与原电场的 方向虽然相反，但不能完全抵消。即电介质中的总电场不为零。,实验发现大多数电介质中极化强度是与总电场的场强成正比的（这时称电介质线性极化）。可以表示为：,（这里，称为电介质的极化率）,四、退极化场,五、极化率,第六章 电磁介质,8,1 电介质,电介质中的电场强度 极化电荷与自由电荷的关系,第六章 电磁介质,9,1 电介质,例 两个带电分别为+0和-0的平行导体平板（可看成

4、无限大）中填充有极化率为的电介质。试求其总电场强度。,解：电介质处在带电导体板中，将受到其电场的极化。,电介质被极化后将产生极化电荷，极化电荷将产生附加电场，所以总电场为,第六章 电磁介质,10,1 电介质,六、电介质中的高斯定理,1、推导,根据电介质中的电场只要考虑了极化电荷就可以当成真空来处理的基本思想。高斯定理可写为：,高斯定理可以重新写为：,第六章 电磁介质,11,1 电介质,2、电位移,矢量，没有直接的物理意义。,若电介质是线性极化的，则有：,第六章 电磁介质,12,1 电介质,3、电介质中的高斯定理,上式的左边是电位移通量。q0是高斯面内所包围的自由电荷的代数和。,高斯面内的电场强

5、度通量,高斯面内的电位移强度通量,电介质中的高斯定理可以表述为：在静电场中，通过任意闭合曲面（高斯面）的电位移通量等于该闭合曲面内所包围的自由电荷的代数和。电位移通量与极化电荷无关。,第六章 电磁介质,13,1 电介质,4、电位移线及其特点：,电位移线有方向曲线，它满足（1）其切向就是电位移的方向，（2）其密度等于电位移的大小。,电位移通量穿过某一有向曲面的电位移线的条数。,由电介质中的高斯定理，我们可以知道：电位移线总是起始于自由正电荷终止于自由的负电荷。,第六章 电磁介质,14,1 电介质,5、电介质中高斯定理的应用,求解电荷和电介质都对称分布时的电场的场强。,例 如图所示，一个均匀带电球

6、体外有一个电介质球壳。试求场强分布。,解：如图取高斯面，则有：,第六章 电磁介质,15,1 电介质,解（1）,例2 一平行平板电容器充满两层厚度各为 和 的电介质，它们的相对电容率分别为 和 , 极板面积为 . 求（1）电容器的电容；（2）当极板上的自由电荷面密度的值为 时，两介质分界面上的极化电荷面密度.,第六章 电磁介质,16,1 电介质,（2）,第六章 电磁介质,17,例3 常用的圆柱形电容器，是由半径为 的长直圆柱导体和同轴的半径为 的薄导体圆筒组成，并在直导体与导体圆筒之间充以相对电容率为 的电介质.设直导体和圆筒单位长度上的电荷分别为 和 . 求（1）电介质中的电场强度、电位移和极

7、化强度；（）电介质内、外表面的极化电荷面密度；（）此圆柱形电容器的电容,1 电介质,第六章 电磁介质,18,1 电介质,解（1）,（）由上题可知,第六章 电磁介质,19,（）由（）可知,单位长度电容,1 电介质,第六章 电磁介质,20,2 磁介质（一）- 分子电流观点,一 磁介质的磁化,1. 磁介质的磁化机理,每个分子等效一个圆电流,顺磁质 抗磁质,磁畴,铁磁质,第六章 电磁介质,21,由于分子磁矩的取向一致 考虑到它们相对应的分子电流 如 长直螺线管内部充满均匀的各向同性介质将被均匀磁化,2. 磁化强度,磁化强度与磁化电流的关系：,2 磁介质（一）- 分子电流观点,第六章 电磁介质,22,二

8、 磁介质内的磁感应强度,有磁介质时的总场是,传导电流产生,与介质有关的电流产生,介质的相对磁导率,顺磁质 抗磁质 铁磁质,在介质均匀充满磁场的情况下,2 磁介质（一）- 分子电流观点,第六章 电磁介质,23,三 有磁介质时的安培环路定理和高斯定理,设：I0 传导电流,I 磁化电流,I,定义,1. 安培环路定理,2 磁介质（一）- 分子电流观点,第六章 电磁介质,24,得：,H 的单位：,真空：,奥斯特 Oe（SGSM）,A/m （ SI ）；,的环路定理,2 磁介质（一）- 分子电流观点,第六章 电磁介质,25,各向同性线性磁介质, 磁导率,令,则有,将,代入,得,2. 高斯定理,该结论对传导

9、电流或介质中的磁化电流都适用。,2 磁介质（一）- 分子电流观点,第六章 电磁介质,26,解：由安培环路定理,例：一根长直单芯电缆的芯是一根半径为R的金属导体，它和导电外壁之间充满相对磁导率为r的均匀介质。今有电流I均匀地流过芯的横截面并沿外壁流回。求磁介质中磁感应强度的分布。,2 磁介质（一）- 分子电流观点,第六章 电磁介质,27,一 磁化率和磁导率,各向同性线性磁介质,介质的磁化率,介质的相对磁导率,顺磁质 抗磁质 铁磁质,在介质均匀充满磁场的情况下,5 磁介质的磁化规律和机理 铁电体,3 磁介质（二）- 磁荷观点（简单介绍，略）,4 磁介质两种观点的等效性（略）,第六章 电磁介质,28

10、,二 顺磁质和抗磁质,5 磁介质的磁化规律和机理 铁电体,第六章 电磁介质,29,无外磁场时抗磁质分子磁矩为零,抗磁质内磁场,抗磁质的磁化,5 磁介质的磁化规律和机理 铁电体,第六章 电磁介质,30,三 铁磁质,存在一些小的均匀区域，,同一磁畴内分子的磁矩,的取向近似相同。,磁化的过程中各磁畴的磁矩朝磁场方向取向，,因而表现出很强的磁效应,铁、钴、镍、镝等物质,1. 铁磁质结构,这些小的区域称为磁畴。,5 磁介质的磁化规律和机理 铁电体,第六章 电磁介质,31,测量B与H的关系,2. 磁滞回线,c,s,r,H,B,.,.,.,.,.,.,.,c,H,r,B,B,.,.,B,H,磁 滞 回 线,

11、c,H,a,b,c,d,e,f,g,o,矫顽力,剩余磁感应强度,饱和磁感应强度,磁滞现象：B 滞后于 H 的变化,s,B,r,B,根据电流的测量再由式,可得到H,5 磁介质的磁化规律和机理 铁电体,第六章 电磁介质,32,磁 滞 回 线,铁磁质磁化过程中要消耗,能量，此能量称为磁滞损耗,实验上发现沿磁滞线经历,磁滞回线所围的面积,成正比。,一次循环磁滞损耗与,5 磁介质的磁化规律和机理 铁电体,第六章 电磁介质,33,不是一个常量，它的值不,仅决定于原线圈中的电流，还决定于铁磁质样品磁化的历史。,3.铁磁质的特性： 1）磁导率,B 和H 不是线性关系。,3） 有剩磁、磁饱和及磁滞现象。,2） 有很大的磁导率。放入线圈中时可以使磁场增强,倍。,10,10,2,4,5 磁介质的磁化规律和机理 铁电体,第六章 电磁介质,34,4. 磁性材料：,应用：硅钢片，作变压器的铁芯。铁氧体（非金属）作高频线圈的磁芯材料。,矩磁材料：作计算机中的记忆元件。,特点：磁导率大，矫顽力小，磁滞回线窄。,1）软磁材料,特点：剩余磁感应强度大，矫顽力大， 磁滞回线宽。,2）硬磁材料,应用：作永久磁铁，永磁喇叭,5 磁介质的磁化规律和机理 铁电体,第六章 电磁介质,35,7 电磁