3. Klasyfikacja

ośrodków

3.1. Równania materiałowe

Dla szerokiej klasy ośrodków zależności między wektorami występującymi w równaniach Maxwella można opisać w postaci tzw. równań materiałowych: D = E

ε

(3.1)

B = µH

(3.2)

j = σ E

(3.3)

gdzie ε, µ, σ są wielkościami charakteryzującymi ośrodek: ε – przenikalnością elektryczną, µ –

przenikalnością magnetyczną, σ – konduktywnością. Obie przenikalności odniesione są do przenikalności próżni przez bezwymiarowe wielkości względne εw i µw: ε = εwε0

(3.4)

µ = µw µ0

(3.5)

Próżnia w ujęciu klasycznej teorii pola jest ośrodkiem materialnym której własności opisują w zu-pełności dwie stałe ε0 – przenikalność elektryczna próżni i µ0 – przenikalność magnetyczna próżni, które w układzie SI są równe:

µ

7

− H

0 = 4π ⋅10

(3.6)

m

− 9

ε

1

10 F

0 =

≈

(3.7)

µ 2

0 c

36π m

3.2. Rodzaje ośrodków

W zależności od ważniejszych kryteriów klasyfikacji możemy podzielić ośrodki na:

— jednorodne albo niejednorodne (ε, µ, σ są skalarami i nie zależą albo zależą od współrzędnych),

— liniowe albo nieliniowe (równania (3.1) do (3.3) są liniowe albo nieliniowe),

— dyspersyjne i niedyspersyjne (ε, µ, σ zależą albo nie zależą od częstotliwości),

— przewodniki i dielektryki (decyduje wartość σ, np. do dielektryków idealnych zbliża się powie-trze – σ = 10–30 S/m, do przewodników idealnych zbliżają się metale – σ = 107 S/m),

— izotropowe albo anizotropowe (ε, µ, σ są skalarami albo tensorami drugiego rzędu).

Przykład: W ośrodku o anizotropii dielektrycznej wektory D i E związane są zależnością: LD O Lε ε ε OL O

1

11

12

13

E1

M P Mε ε ε PM P

D2

21

22

23

E2

MM P M

PM P albo w notacji Einsteina Di = ε ijEj.

D

N QP = NMε ε ε QPNM QP

3

31

32

33

E3

W szerokiej klasie ośrodków tensor εij jest symetryczny, mówimy wtedy o anizotropii zwykłej.

3-1

3.3. Ośrodki spolaryzowane Osobnego potraktowania wymagają substancje, które elektrycznie i magnetycznie polaryzują się.

W spolaryzowanej materii istnieją „związane” ładunki i „związane” prądy nad którymi nie mamy bezpośredniej kontroli. Do opisu tych zjawisk wprowadza się wektor polaryzacji elektrycznej P

i wektor polaryzacji magnetycznej M, które wyznaczają ρzw i jzw w następujący sposób: ρ zw = −∇⋅ P

(3.8)

jzw = ∇ × M

(3.9)

Takie podejście prowadzi do wygodniejszego zapisu równań z postaci podanej przez Maxwella (mikroskopowej) do tzw. makroskopowej. Prawo Gaussa i prawo Ampère’a z poprawką Maxwella uzyskują inną postać. Pojawiają się gęstość objętościowa ładunku swobodnego ρ0 i gęstość objęto-

ściowa prądu swobodnego j0 oraz dodatkowo D i H które zdefiniowane są jako: D = ε0 E + P

(3.10)

H = 1 B − M

(3.11)

0

µ

Równania (3.10) i (3.11) są właśnie równaniami materiałowymi o które należy uzupełnić równania Maxwella w postaci makroskopowej. Zależą one od właściwości substancji; dla ośrodka liniowego

P = ε0χeE i M = χmH

(3.12)

tak więc

D = E

ε i H = 1 B

(3.13)

µ

gdzie ε ≡ ε0 1

( + χe) i µ ≡ µ0 1

( + χm ). Wielkości χe i χm nazywają się odpowiednio podatnością elektryczną i magnetyczną ośrodka liniowego.

3-2