介质中麦克斯韦方程组与场量的边界条件

发布时间 2024-01-08 00:54:40作者: 楚千羽

介质中的麦克斯韦方程组就已经可以完全写出来了:
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以及image,它也就是微观状态的欧姆定律。
我们注意到,麦克斯韦方程组有两种形式,一个是微分形式,一个是积分形式。

其中微分形式,只适用于电荷电流连续分布的区域,但实际问题上会遇到在介质分界面的情况,在分界面上,介质的电磁参数(介电常数、磁导率、电导率等)会发生突变,电荷电流分布在空间上一般也不连续,就会导致E、B、D、H在边界处突变,致使它们的微商不存在,微分形式的方程组就失去了意义,于是在边界处,我们需要不涉及场量微商的积分形式的方程组来得到边界条件。

介质中麦克斯韦方程组有四个方程,分别描述了DEBH四个量,我们就可以通过这四个积分方程来得到DEBH的边界条件。

积分方程有曲面积分和曲线积分,我们先看曲面积分的两个方程:

在介质分界面上,我们选取无限小的圆柱体,如下图
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我们应用曲面积分的方程:
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因为圆柱体无限小,所以在这个圆柱体内的一切物理量可以认为是均匀的,于是就可以将积分写为
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如果界面上有面电荷分布,则由面电荷定义
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可知image可以忽略,于是得到
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如果分界面没有面电荷,则image
这意味着,在介质分界面上没有面电荷时,电位移矢量沿分界面法向分量连续。
同样对于image,能得到image,磁感应强度沿分界面法向分量在任意情况下都是连续的。

我们再看另外两个曲线积分,
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在分界面上取任意无限小闭合曲线
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按照类似的方式,将积分简化:
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面电流image,h无限小时imageimage可以忽略不计,S=hl,于是就得到
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由混合积的轮换对称性的性质,可得
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当面电流为零时,image,这意味着磁场强度在介质分界面上沿切线方向分量连续。
以及image可写为
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忽略无限小项后得到
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即电场强度在介质分界面上沿切向方向分量恒连续。

至此,我们得到了关于四个量DEBH四边界条件:
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场强方向不代表电磁场的传播方向,这样画图只是为了方便观看电磁场在穿过界面时的变化,能直观的看出电场与磁场在分界面处的衔接情况。
我们之前计算过,磁场和电场都是保守场,它们都有对应的势,电势、磁矢势、磁标势,势在分界面上是连续的,所以我们是可以将麦克斯韦方程组写为关于势的方程:
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相应的场量边界条件也会使用势边界条件代替,而有了这些边界条件,就可以定量计算电磁波的传播了。
转自:https://mp.weixin.qq.com/s/jpcT_Hw2DDslnXE0h7FPHg