电极化强度矢量与电位移矢量有什么实在意义吗?
学到这的时候感觉挺难理解的。。。。
电极化强度表明电介质在某一点单位体积的偶极矩。
电位移矢量,是我们构建的一个辅助场。
OK,建立一下线性电介质的物理描述,这里我第一次学的时候就迷糊的很,所以我打算写一下我建立思路的过程。
首先,怎么描述极化?我们先不考虑外场,只考虑一个纯粹的电极化的物体,怎样描述这个物体的电极化程度呢?用偶极矩!我们把极化电介质分为很多的偶极子,只要知道每一点的偶极矩,自然就求出了电势,从而求出电场,下面写出公式:
这是偶极矩的定义,已知偶极矩,求得偶极项电势的方法是:
偶极矩项贡献的电势
OK,你已经完全描述了一个电介质的电势场(所有偶极子的电势叠加),把它在连续的空间里求和,就要引入单位体积的偶极子,这就是电极化矢量,是不是很自然?电介质极化贡献的电势
那现在,P矢量已经定义好了,再经过一点矢量分析,我们得到了结论,P矢量的散度是极化电荷体密度的负值。所以我们既可以认为是每一点的偶极子产生的电势,也可以认为是极化产生的净电荷产生的电势。但是两种不能同时用!一点矢量分析后,物理意义也就明显了。注意过程中那个nabla是对源点而非对场点,因为P矢量是源点的函数,积分也是对源的积分
有了这个 的定义后,我们就开始琢磨, 是怎么来的呀?当然是电场造成的,最简单的模型是线性电介质,也就是 和 满足关系 ,这样,理论上给你一个随意形状的电介质你都应该知道怎么解出电场了!
接下来要做些数学上的简化,就如同另一位答主所说,和做辅助线一个道理:
这样的D的散度只和自由电荷有关,另外,D矢量场还可以与E有关联:
(只对于线性介质, 是介电常数)
这样,我们可以借用辅助场D知道E的散度,而不是直接求D。
根据矢量分析的一个定理,你知道一个矢量场的散度和旋度时,并且有一个边界条件,你就可以唯一确定这个场。而D的旋度不具有物理意义,不好计算,所以你不能直接求D场。不过引入这个辅助场的好处还是有的,比如
这就找到了E的的散度,另外在没有自由电荷的介质边界上, ,可以将其化作导数
是边界上的法矢,下标1和下标2对应不同介质。
如果你接触过泊松方程的话,你就知道,求解场的关键是求解电势的泊松方程。我们要求的量直接与E场相关,而D场只是辅助求一下边界条件之类的。
第一次写这么长,逻辑可能不太清晰,欢迎dalao提出宝贵意见
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