电磁场之电介质的极化-10
在编辑文章内容时，不易编辑物理量符号及公式，对于符号或公式较多的段落，采用截图复 制的方式粘贴进来。 物理学知识告诉我们，任何物质都是由分别带正电荷（原子核）和负电荷（电子）的粒子组成的，这些带电粒子之间存在相互作用力。当物质被引入电磁场中时，他们将和电磁场产生相互作用而改变其状态。从宏观效应看，物质对电磁场的响应可分为极化、磁化和传导三种现象。不同物质，其带电粒子之间的相互作用力往往差异很大。- 传导：导体中，带正电荷的原子核和带负电荷的电子间的相互作用力很小，即使在微弱的外电场作用下，电子也会发生定向运动，在这里，传导是主要现象；
- 极化：电介质的主要特征是电子和原子核结合得相当紧密，电子被原子核紧紧地束缚住，相应地，把电介质中的电荷称为束缚电荷。在外电场作用下，束缚电荷只能做微小位移，在这里，极化是主要现象；
- 磁化：研究物质的磁场特性时，把物质称作磁介质。磁介质的主要特征是电子的轨道运动和自旋形成小环电流，在外磁场作用下，这些小环电流的取向将发生变化，磁化是磁介质中的主要现象；
1 电介质的极化
在讨论物质的电效应时，将物质称为电介质。根据电介质中束缚电荷的分布特征，把电介质的分子分为无极分子和有极分子两类。- 无极分子：正、负电荷中心重合，因此对外产生的合成电场为0，不显示电特性；
- 有极分子：正、负电荷中心不重合，构成一个电偶极子，但由于许许多多电偶极子杂乱无章地排列，使得合成电偶极矩相抵消，因而对外产生的合成磁场为0，即不显示电性；
需指出的是，此处引入“电荷中心”的概念视为形象地说明电介质极化的过程。物质分子中的正、负电荷并不集中在一个点上，将分子中的全部负电荷用一个单独的负电荷等效，这个等效负电荷的位置，就称为这个分子的“负电荷中心”。同样，该分子中的正电荷也可定义一个“正电荷中心”。 在外电场作用下，无极分子中的正电荷沿电场方向移动，负电荷逆电场方向移动，导致正负电荷中心不再重合，从而形成许多排列方向与外电场大体一致的电偶极子，它们对外产生的电场不再为0。对于有极分子，它的每个电偶极子在外电场的作用在要产生转动，最终使每个电偶极子的排列方向大体与外电场方向一致，它们对外产生的电场也不再为零。这种电介质中的束缚电荷在外电场作用下发生位移的现象，称为电介质的极化，束缚电荷也称为极化电荷。电介质极化的结果是电介质内部出现许许多多顺着外电场方向排列的电偶极子，这些电偶极子产生的电场将改变原来的电场分布。也就是说，电介质对电场的影响可归结为极化电荷产生的附加电场的影响。 为了分析计算极化电荷产生的附加电场，需了解电介质的极化特性。不同的电介质的极化程度是不一样的，引入极化强度来描述电介质的极化程度。将单位体积中的电偶极矩的矢量和称为极化强度，表示为： 现在来找出极化电荷与极化强度的关系，下图表示一块极化电介质的模型，每个分子用一个电偶极子表示，它的电偶极矩等于该分子的平均电偶极矩。 在均匀极化的状态下，闭合面S内的电偶极子的净极化电荷为0，不会出现极化电荷的体密度分布。对于非均匀极化状态，电介质内部的净极化电荷就不为0。但在电介质的表面，无论是均匀极化，还是非均匀极化，表面上总是要出现面密度分布的极化电荷。上图a表示电介质左表面有负的极化电荷，右表面上有正的极化电荷。 式中应用了散度定理，因闭合面S是任意取的，故S限定的体积V内的极化电荷体密度应为：
2 电位移矢量和电介质中的高斯定律
这就是电介质中高斯定律的微分形式。它表明电介质内任一点的电位移矢量的散度等于该点的自由电荷体密度。即电位移矢量的通量源是自由电荷，电位移线从正的自由电荷出发而终止于负的自由电荷。
对上式两端取体积分并应用散度定理：
这就是电介质中高斯定理的积分形式。它表明电位移矢量穿过任一闭合面的通量等于该闭合面内的自由电荷的代数和，电位移矢量的单位是C/m2。
3 电介质的本构关系
4 已知电场分布求解体密度电荷
5 求解极化电荷和自由电荷
来源：电机设计青年
