古典電磁學:馬克士威方程組

本構關係(constitutive relations)

馬克士威的巨觀方程把四個場 E、B、D、H 連繫起來,但它們單靠自己並不足夠——場比方程還多。缺的資訊是:某個特定材料被場推動時如何反應。本構關係正好提供了這一點,它藉由把 D 連到 E、H 連到 B、電流連到場,來封閉這組方程。

對線性、等向的介質,本構關係是 D = epsilon E(電位移經由電容率 epsilon 對電場反應)、B = mu H(磁場經由磁導率 mu 反應),以及對導體而言歐姆定律的局域形式 J = sigma E(電流密度經由電導率 sigma 反應)。這三個材料常數——epsilon、mu、sigma——編碼了介質所貢獻的一切;把它們餵給馬克士威方程組,場就被完全決定。在真空中它們退回 epsilon_0、mu_0 與零電導率。

那個簡單的正比形式只是領頭的近似。真實材料可以是非等向的(epsilon 變成一個張量,於是 D 不必平行於 E,如雙折射晶體)、色散的(epsilon 與 mu 依賴於頻率,這正是稜鏡分光的原因)、非線性的(P 隨 E^2 增長,非線性光學的基礎),或在空間與時間上非局域的。由於它們承載了所有的材料物理,本構關係——而非普適的馬克士威方程組——才是真實介質的艱難建模真正落腳之處。

在一塊相對電容率為 epsilon_r 的線性介電質中,本構關係 D = epsilon_0 epsilon_r E 決定了材料把場削弱多少:堆上同樣的自由電荷,內部的 E 會比在真空中小 epsilon_r 倍。水的 epsilon_r 約為 80,對電場有戲劇性的屏蔽——這正是它如此善於溶解鹽類的原因。

D = epsilon E、B = mu H、J = sigma E:封閉馬克士威方程組的材料反應。

本構關係是「物質」的性質,而非自然律——它們可以是非等向、依賴頻率、非線性或依賴歷史的,這一點與普適的馬克士威方程組不同。簡單的 D = epsilon E、B = mu H 形式,假設的是線性、等向、無色散的介質。

又稱
material relationsmaterial equations組成關係