介质中的Maxwell方程组
∇×E=−∂t∂B∇×B=μ0(Jf+Jμ+Jp)+μ0ε0∂t∂E∇⋅E=ε0ρf+ρp∇⋅B=0
新定义
电位移矢量
D=ε0E+P
磁场强度
H=μ01B−M
maxwell方程组的简洁形式
∇×E=−∂t∂B∇×H=Jf+∂t∂D∇⋅D=ρf∇⋅B=0
简单介质本构关系
D=ε0P=εE+ε0XeE=ε0(1+Xe)E=ε0εrE=εE
这里的εr是相对介电常数,ε=ε0εr是介电常数
H=μ01B−M=μ01B−XmHB=μ0H+μ0XmH=μ0(1+Xm)H=μ0μrH=μH
这里的μr是相对磁导率,μ=μ0μr是磁导率
边值关系
n^×(E2−E1)n^×(H2−H1)n^⋅(D2−D1)n^⋅(B2−B1)=0=JS=ρs=0
静电场中的导体
在电场中,导体达到经典平衡态后:
F=ρSE∣S/2=2ε0ρS2n^
点电荷的势能
w2=4πε0rq1q2w3=4πε0rq3q1+4πε0rq3q2wi=4πε01j=1∑i−1rijqiqj
假设一共有N个点电荷,那么总功为:
W=∑wi=4πε01i=2∑Nj=1∑i−1rijqiqj=21i=1∑Nqiφi
这里φi是除去第i个电荷外,其余所有电荷在xi处所产生的电势
推广到连续分布电势:
W=21∫ρ(r)φ(r)dV
导体系的能量:
W=21i=1∑NQiφi
电场的能量
W=21∫ρφdV=−2ε0∫φ∇2φdV
有Green恒等式
∫Vφ∇2ψdV=∫Sφ∂n∂ψdS−∫V∇φ⋅∇ψdV
取ψ=φ
∫Vφ∇2φdV=∫Sφ∂n∂φdS−∫V∣∇φ∣2dV
当r→∞时,φ∝r1,∂n∂φ∝r21,S∝r2,∮Sφ∂n∂φdS→0
则
W=2ε0∫∣∇φ∣2dV=∫21ε0E2dV
定义电场的能量密度
We=21ε0E2
在介质中
We=21εE2=21D⋅E=21(ε0E2+P⋅E)
其中21P⋅E是介质的极化储能
静电系统的总能量
WW=21∫ρfφdV=21∫εE2dV=21ε0∫∣E1+E2∣2dV=21ε0∫∣E1∣2dV+21ε0∫∣E2∣2dV+ε0∫E1⋅E2dV
于是可以将总能量分为自能和相互作用能
静电势多级展开
已知全空间中区域分布的电荷ρ,求空间电势
φ(x)=4πε01∫∣r∣ρ(x′)dV′
在远离电荷分布区域的位置,即∣x∣≫∣x′∣
∣x−x′∣1=∣x∣1−∇⋅∣x∣x′+21(x′⋅∇)2∣x∣1+⋯
记∣x∣=R
零阶项
φ(0)=4πε01∫Rρ(x′)dV′=4πε0R1∫ρ(x′)dV′=4πε01RQ
一阶项
φ(1)=−4πε01∫ρ(x′)x′⋅∇R1dV′=4πε01∫ρ(x′)R3x′⋅RdV′=4πε01[∫ρ(x′)x′dV′]⋅R3R=4πε01R3p⋅R
其中p=∫ρ(x′)x′dV′是系统电偶极矩
p=−qx−+qx+=qr
当系统总电荷量为0的时候(Q=0),p与坐标原点的位置选取无关
p1=∫ρ(x′)x′dV′=∫ρ(x′)(x′−o1)dV′p2=∫ρ(x′)x′dV′=∫ρ(x′)(x′−o2)dV′p1−p2=∫ρ(x′)(o2−o1)dV′=(o2−o1)Q=0
二阶项
φ(2)=4πε0121∫ρ(x′)(x′⋅∇)2R1dV′=4πε0121∫ρ(x′)xi′xj′∂xi∂xj∂2R1dV′=4πε0161i,j∑[∫3ρ(x′)xi′xj′dV′]∂xi∂xj∂2R1=4πε0161i,j∑Dij∂xi∂xj∂2R1
其中Dij=∫3ρ(x′)xi′xj′dV′是系统的电四极矩
电四极子
Dij=Dji,其中i代表的是正负电荷分开方向,j代表的是电偶极子分开方向
例:
计算D33的电势
D33=∫3ρ(x′)x3′x3′dV′=3qb2−3qa2−3qa2+3qb2=6qb2−6qa2=6q(b2−a2)=6q(b−a)(b+a)=6pl
其中l=(b+a)是两个电偶极子之间的距离,p=q(b−a)是电偶极子的电偶极矩
电势:
φ(x)=4πε01r+3p⋅r+−4πε01r−3p⋅r−=4πε01p⋅∇r+1+4πε01p⋅∇r−1=4πε01p⋅(∇r+1+∇r−1)=4πε01p⋅∂z∂(r−1−r−1)=4πε01p∂z∂r+r−r+−r−=−4πε01p∂z∂R2lcosθ=−4πε0pl∂z∂R3Rcosθ=−4πε0pl∂z∂R2z=4πε06pl∂2z∂2R1