§32-2 在电介质中的麦克斯韦方程组

物质中极化现象的存在意味着材料内部有了极化电荷和极化电流,而为了求场就应该把它们放进完整的麦克斯韦方程组中。我们这回要在这种情况下求解麦克斯韦方程组,即其中的电荷和电流不像在真空里那样各等于零,而是由极化矢量所隐蔽地给出。第一步是明确地找出电荷密度ρ和电流密度j,它们是对我们过去定义P时所考虑的相同尺度的小体积平均过的。于是,我们所需要的ρ和j能够从极化强度获得。

我们已在第10章中见到,当极化强度P逐处变化时,就存在由下式给出的电荷密度:

ρ极化 =-▽·P. (32.9)

虽然我们当时处理的是静场,但同样的公式也适用于随时间变化的场。可是,当P随时间变化时,就有电荷在运动,因而也存在极化电流 。每个振动电荷贡献的电流等于其电荷qe 乘以其速度v,设单位体积共有N个这样的电荷,则电流密度j为

j=Nqe v.

既然我们知道v=dx/dt,那么j=Nqe (dx/dt),这恰好就是dP/dt。因此,由变化着的极化强度引起的电流密度为

454-4  (32.10)

我们的问题现在既直接而又简单。利用式(32.9)和(32.10),我们要用由P表示的电荷密度和电流密度来写出麦克斯韦方程组(假定在该材料中并没有别的电流和电荷)。然后再用式(32.5)把P与E联系起来,并对E和B求解方程,寻找波动解。

在做此事之前,我们想要做一个历史性的注解。麦克斯韦原来写出的方程式在形式上与我们现在所用的不同。由于这些方程在过去许多年中曾被写成这种不同形式——而且目前还有许多人按照那样来写——我们将解释其中的区别。在早期,介电常量机制还未受到充分和清楚的认识。原子的本性既未被理解,材料的极化也不清楚。因此人们并未认识到对电荷密度ρ会有来自▽·P方面的贡献。他们仅凭那些不受原子束缚的电荷(诸如在导线中流动的电荷或从表面上擦去的电荷)来思考问题。

今天,我们更喜欢让ρ代表 电荷密度,包括被束缚的原子电荷所产生的那部分。若我们把这一部分称为ρ极化 ,则可以写出

ρ=ρ极化其他

式中ρ其他 就是麦克斯韦曾经考虑过的电荷密度,而且是指那些不会被束缚于个别原子上的电荷。于是可写出

455-1

在麦克斯韦方程组中有关▽×B的电流密度,一般也有来自受束缚的原子电流的贡献,因此可以写出

j=j极化 +j其他

而麦克斯韦方程则变成

455-2

现在你可以明白,假如由下式定义 一个新的矢量D:

D=∈0 E+P, (32.14)

则两个场方程就会变成

▽·D=ρ其他  (32.15)

455-4

这些实际上就是麦克斯韦对于电介质所用的形式。他的其余两个方程则是

455-5

▽·B=0,

这些与我们目前所用的相同。

麦克斯韦以及其他早期工作者还遇到一个与磁性材料(我们不久即将加以考虑)有关的问题。由于他们还不知道导致原子磁性的环行电流,因此他们所使用的电流密度还缺少这另一部分。他们实际上写出的并非式(32.16),而是

456-1  (32.17)

式中的H与∈0 c2 B不同之处在于后者已包括了原子电流的效应 [3] (于是j′就代表剩下的其余电流)。所以麦克斯韦拥有四个 场矢量E,D,B和H,D和H是不关心材料内部正在进行着的过程的一种隐蔽方法,你会在许多地方找到用这种方式写出的方程组。

为了求解该方程组,有必要把D和H与其他的场联系起来,而人们往往写成

D=∈E和B=μH. (32.18)

然而,这些关系式对于某些材料只是近似地正确,而且即使如此也只有在场随时间变化不太迅速时才行(对于按正弦变化的场,人们往往能够 通过使∈和μ成为频率的复变函数而将式子按照这样写出,但对于场的任意时间变化那就不行)。所以在求解这些方程时往往受到各种形式的欺骗。我们认为,正确的办法乃是用目前所理解为基本的那些量来保持那些方程式——而这正是我们一贯做的。