古典電磁學:馬克士威方程組

極化密度(polarization density)

絕緣體沒有可導電的自由電荷,但它的分子對場並非無動於衷:它們的正負電荷會稍稍分開,或它們的永久偶極會轉正排齊。極化密度就是這種微觀分離所產生的、單位體積的淨電偶極矩。

極化 P 是材料每單位體積的電偶極矩。它的巨觀效應以束縛電荷的形式出現:不均勻的極化留下束縛體電荷密度 rho_b = -div P,而 P 終止的表面則產生束縛面電荷 sigma_b = P·n。這些束縛電荷是電場真正的源,跟自由電荷一模一樣,只是它們被鎖在分子上、不能自由移動。極化經由 D = epsilon_0 E + P 進入電位移場。

極化是磁化 M 的電性孿生兄弟。在線性介電質中它正比於場,P = epsilon_0 chi_e E,chi_e 是電極化率,與介電常數的關係為 epsilon_r = 1 + chi_e。超出線性範圍,則有鐵電體(在沒有外加場時仍保留極化)與非線性光學(其中 P 依賴 E^2 及更高次方,產生新頻率的光)這些豐富的現象。束縛電荷 -div P 正是為什麼一塊均勻極化的板只在其表面帶電、而內部不帶電的原因。

一塊沿其厚度方向均勻極化的板,內部 div P = 0,因此本體中沒有束縛電荷;但在 P 與兩個面相接之處,它堆出面電荷:一面 sigma_b = +P、另一面 -P。這塊板於是表現得像一對帶電片——一個內建的場,而任何地方都沒有自由電荷。

P 是單位體積的偶極矩;它給出束縛電荷 rho_b = -div P,並進入 D = epsilon_0 E + P。

束縛電荷跟自由電荷一樣是 E 真正的源——「束縛」這個標籤的意思是它不能流走,而非它是虛構的。只有「不」均勻的 P 才給出體束縛電荷;一個均勻極化的物體,其束縛電荷純粹分布在表面上。

又称
electric polarizationpolarization極化電極化