電位移場(electric displacement field)
把一塊介電質放進電容器,它的分子會極化,長出束縛電荷,部分地抵消所施加的場。與其明確地追蹤那些束縛電荷,我們把它們的效應打包進一個新的場。電位移場 D 就是這樣一個記帳工具——一個輔助場,它的源只有你真正能控制的自由電荷。
電位移場定義為 D = epsilon_0 E + P,其中 E 是總電場、P 是極化密度(單位體積的偶極矩)。它的用意是一個乾淨版本的高斯定律:div D = rho_free,意思是 D 穿過一封閉曲面的通量只計入所包圍的「自由」電荷,那些惱人的束縛電荷則自動被吸收進 P 裡。在線性介電質中 D 正比於 E,即 D = epsilon E,其中 epsilon = epsilon_0 epsilon_r 是電容率,epsilon_r 是相對電容率(介電常數)。
D 之所以極其方便,是因為在一個問題裡你通常知道自由電荷——你堆到極板上的電荷——卻不知道束縛電荷,那是由材料決定的。用 D 來寫高斯定律,讓你能單憑自由電荷找出場,再回推 E。一個關鍵的告誡:D 是一個定義出來的輔助場,而非基本場。是 E 推動電荷、出現在勞侖茲力裡;而且與 E 不同,場 D 可以有非零的旋度,因此它不是保守的,也沒有對應的位勢。
一個平行板電容器的極板上帶有自由面電荷密度 sigma_free。那麼兩極板之間的 D 就只是 D = sigma_free,無論縫隙裡填的是什麼介電質——電位移場完全由自由電荷決定。插入一塊常數為 epsilon_r 的介電質,D 不變,但把實際的場降為 E = D/(epsilon_0 epsilon_r)。
D = epsilon_0 E + P,且 div D = rho_free:只計入自由電荷的高斯定律。
D 是輔助場,而非基本場——對電荷施力的是 E,不是 D。而且 div D = rho_free 並不代表 D 完全由自由電荷單獨決定:與 E 不同,D 可以有非零的旋度,因此你還需要邊界條件或本構關係才能把它定下來。