§10-4 有电介质时的静电方程组

现在,让我们把上述结果同静电学理论结合起来。静电学的基本方程是

146-2  (10.17)

这里ρ指一切 电荷的密度。由于极化电荷不容易被注意,因而把ρ分开成两部分是很方便的。我们再把由非均匀极化所引起的电荷叫作ρ极化 ,而把所有其他的电荷叫作ρ自由 。通常ρ自由 指我们放在导体上面的或是置于空间某些特定位置上的电荷。于是,式(10.17)便变成

146-3

147-1

当然,那个关于E的旋度方程却没有改变:

▽×E=0. (10.19)

由式(10.8)取P,我们便得到一个较简单的方程:

147-2

这些就是当有电介质时的静电学方程组。当然,它们并没有陈述任何新的东西,但对于其中ρ自由 为已知、而极化强度P又是正比于E的那些情况,则在计算上它们仍不失为较方便的一种形式。

请注意!我们并没有把介电“常量”κ提到散度之外。那是因为它不一定会处处相同。如果它的值处处相同,则可以把它提出来,因而方程组就不过是那些用κ来除电荷密度ρ自由 的静电方程组了。我们所给出的那种形式的方程组仍适用于一般情况,即场中不同地点可能存在不同的电介质。这样,该方程组就可能很不容易求解了。

有一件具有某种历史重要性的事情应在这里提出。在电学的早期,对极化的原子机制还未了解,而ρ极化 的存在也未被觉察到。当时ρ自由 被认为是全部电荷密度。为了把麦克斯韦方程组写成一简单形式,一个新的矢量D被定义为E与P的线性组合:

D=∈0 E+P. (10.21)

结果,式(10.18)和(10.19)就曾被写成表面上看来十分简单的形式:

▽·D=ρ自由 ;▽×E=0. (10.22)

人们能否解出这组方程?只有给出了D与E之间关系的第三个方程才能做到。当式(10.8)成立时,这个关系为

D=∈0 (1+χ)E=κ∈0 E. (10.23)

上述方程往往被写成

D=∈E, (10.24)

其中∈仍然是描述材料介电特性的另一个常数。它被称为“电容率”(现在你就明白,为什么在我们方程组中会有∈0 ,它是“真空的电容率”)。显然,

∈=κ∈0 =(1+χ)∈0 . (10.25)

今天我们从另一个观点来看待这些事情,那就是,在真空里方程组较为简单,而倘若在每种情况下我们把一切电荷(不管其来源如何)都表示出来,则该方程组总是正确的。如果为了方便我们将其中某些电荷分离开来,或由于我们不愿意详细讨论将要发生的事态,则可以把方程组改写成任一种可能方便的形式,要是我们乐意的话。

还有一点应该强调,一个像D=∈E的方程是描写物质特性的一种尝试。可是物质非常复杂,而这样一个方程实际上并不正确。例如,若E变得太大,那么D便不再正比于E。对于某些物质来说,甚至在相对弱的电场下这个比例关系就已经破坏了。并且,这比例“常量”还可能依赖于E随时间变化的快慢。因此这一种方程,像胡克定律一样,是一种近似。它不可能是一个深刻而又基本的方程。反之,我们关于E的基本方程组,式(10.17)和(10.19),却代表我们对静电学的最深刻而又最完整的理解。