第三章-静态场及其边值问题的解优秀文档.ppt

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1、第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院1第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院本章内容本章内容 3.1 静电场分析静电场分析 3.2 导电媒质中的恒定电场分析导电媒质中的恒定电场分析 恒定磁场分析恒定磁场分析 静态场的边值问题及解的惟一性定理静态场的边值问题及解的惟一性定理 镜像法镜像法 分离变量法分离变量法 静态电磁场：静态电磁场：场量

2、不随时间变化，包括：场量不随时间变化，包括：静电场、恒定电场和恒定磁场静电场、恒定电场和恒定磁场 时变情况下，电场和磁场相互关联，构成统一的电磁场时变情况下，电场和磁场相互关联，构成统一的电磁场 静态情况下，电场和磁场由各自的源激发，且相互独立静态情况下，电场和磁场由各自的源激发，且相互独立 2第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院3.1 静电场分析静电场分析 本节内容本节内容 静电场的基本方程和边界条件静电场的基本方程和边界条件 电位函数电位函数 导体系统的电容与

3、部分电容导体系统的电容与部分电容 静电场的能量静电场的能量 静电力静电力3第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院2.边界条件边界条件微分形式：微分形式：本构关系：本构关系：1.基本方程基本方程积分形式积分形式：或或或或3.1.1 静电场的基本方程和边界条件静电场的基本方程和边界条件若分界面上不存在面电荷，即若分界面上不存在面电荷，即 ，则，则4第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁

4、场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院介质介质2 2介质介质1 1 在静电平衡的情况下，导体内部的电场为在静电平衡的情况下，导体内部的电场为0，则导体表面的，则导体表面的边界条件为边界条件为 或或 场矢量的折射关系场矢量的折射关系 导体表面的边界条件导体表面的边界条件5第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院由由即即静电场可以用一个标量函数的梯度来表示，静电场可以用一个标量函数的梯度来表示，标量函数标量函数 称为静称为静电场的标量电位或简称电位。电场的标量电位或

5、简称电位。1.电位函数的定义电位函数的定义 电位函数电位函数6第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院2.电位的表达式电位的表达式对于连续的体分布电荷，由对于连续的体分布电荷，由同理得，面电荷的电位：同理得，面电荷的电位：故得故得点电荷的电位：点电荷的电位：线电荷的电位：线电荷的电位：7第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院3.3.电位差电

6、位差电位差电位差两端点乘两端点乘 ，则有，则有将将上式两边从点上式两边从点P到点到点Q沿任意路径进行积分，得沿任意路径进行积分，得关于电位差的说明关于电位差的说明 P、Q 两点间的电位差等于电场力将单位正电荷从两点间的电位差等于电场力将单位正电荷从P点移至点移至Q 点点 所做的功，电场力使单位正电荷由高电位处移到低电位处。所做的功，电场力使单位正电荷由高电位处移到低电位处。电位差也称为电压，可用电位差也称为电压，可用U 表示。表示。电位差有确定值，只与首尾两点位置有关，与积分路径无关。电位差有确定值，只与首尾两点位置有关，与积分路径无关。P、Q 两点间的电位差两点间的电位差电场力做电场力做的功

7、的功8第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院 静电位不惟一，可以相差一个常数，即静电位不惟一，可以相差一个常数，即选参考点选参考点令参考点电位为零令参考点电位为零电位确定值电位确定值(电位差电位差)两点间电位差有定值两点间电位差有定值 选择电位参考点的原则选择电位参考点的原则 应使电位表达式有意义。应使电位表达式有意义。应使电位表达式最简单。若电荷分布在有限区域，通常取无应使电位表达式最简单。若电荷分布在有限区域，通常取无 限远作电位参考点。限远作电位参考点。同一个

8、问题只能有一个参考点。同一个问题只能有一个参考点。4.电位参考点电位参考点 为为使使空空间间各各点点电电位位具具有有确确定定值值，可可以以选选定定空空间间某某一一点点作作为为参参考考点点，且且令令参参考考点点的的电电位位为为零零，由由于于空空间间各各点点与与参参考考点点的的电电位位差差为为确确定值，所以该点的电位也就具有确定值，即定值，所以该点的电位也就具有确定值，即9第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院 求电偶极子的电位求电偶极子的电位.解解 在球坐标系中在球坐

9、标系中用二项式展开，由于，得用二项式展开，由于，得代入上式，得代入上式，得 表示电偶极矩，方向由负电荷指向正电荷。表示电偶极矩，方向由负电荷指向正电荷。+q电偶极子电偶极子zodq10第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院将将 和和 代入上式，代入上式，解得解得E 线方程为线方程为 由球坐标系中的梯度公式，可得到电偶极子的远区电场强度由球坐标系中的梯度公式，可得到电偶极子的远区电场强度等位线等位线电场线电场线电偶极子的场图电偶极子的场图电场线微分方程电场线微分方程：

10、等位线方程等位线方程：11第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院 解解 选定均匀电场空间中的一点选定均匀电场空间中的一点O为坐标原点，而任意点为坐标原点，而任意点P 的的位置矢量为位置矢量为r，则，则若选择点若选择点O为电位参考点，即为电位参考点，即 ，则，则 在球坐标系中，取极轴与在球坐标系中，取极轴与 的方向的方向一致，即一致，即 ，则有，则有 在圆柱坐标系中，取在圆柱坐标系中，取 与与x 轴方向一致，即轴方向一致，即 ，而，而 ，故，故 例例3.1.2 求均匀

11、电场的电位分布。求均匀电场的电位分布。12第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院xyzL-L 解解 采用圆柱坐标系，令线电荷与采用圆柱坐标系，令线电荷与 z 轴相重合，中点位于坐轴相重合，中点位于坐标原点。由于轴对称性，电位与标原点。由于轴对称性，电位与 无关。无关。在带电线上位于在带电线上位于 处的线元处的线元 ，它，它到点到点 的距离的距离 ，则则 例例3.1.3 求长度为求长度为2L、电荷线密度为、电荷线密度为 的均匀带电线的电位。的均匀带电线的电位。13第第

12、3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院 在上式中若令在上式中若令 ，则可得到无限长直线电荷的电位。当，则可得到无限长直线电荷的电位。当 时，上式可写为时，上式可写为 当当 时，上式变为无穷大，这是因为电荷不是分布在有限区域时，上式变为无穷大，这是因为电荷不是分布在有限区域内，而将电位参考点选在无穷远点之故。这时可在上式中加上一内，而将电位参考点选在无穷远点之故。这时可在上式中加上一个任意常数，则有个任意常数，则有并选择有限远处为电位参考点。例如，选择并选择有限远处为电位

13、参考点。例如，选择=a 的点为电位参的点为电位参考点，则有考点，则有14第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院在均匀介质中，有在均匀介质中，有5.电位的微分方程电位的微分方程在无源区域，在无源区域，标量泊松方程标量泊松方程拉普拉斯方程拉普拉斯方程15第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院6.6.静电位的边界条件静电位的边界条件静电位的边界

14、条件静电位的边界条件 设设P1和和P2是是介介质质分分界界面面两两侧侧紧紧贴贴界界面面的的相相邻邻两两点点，其其电电位位分分别为别为1和和2。当两点间距离当两点间距离l0时时导体表面上电位的边界条件：导体表面上电位的边界条件：由由 和和媒质媒质2媒质媒质1 若介质分界面上无自由电荷，即若介质分界面上无自由电荷，即常数，常数，16第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院 例例3.1.4 两块无限大接地导体平板分别置于两块无限大接地导体平板分别置于 x=0 和和 x=a

15、处，处，在两板之间的在两板之间的 x=b 处有一面密度为处有一面密度为 的均匀电荷分布，如图所示。的均匀电荷分布，如图所示。求两导体平板之间的电位和电场。求两导体平板之间的电位和电场。解解 在两块无限大接地导体平板之间，除在两块无限大接地导体平板之间，除 x=b 处有均匀面电处有均匀面电荷分布外，其余空间均无电荷分布，故电位函数满足一维拉普拉荷分布外，其余空间均无电荷分布，故电位函数满足一维拉普拉斯方程斯方程方程的解为方程的解为obaxy两两块块无限大平行板无限大平行板17第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电

16、磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院利用边界条件，有利用边界条件，有 处，处，最后得最后得 处，处，处，处，所以所以由此解得由此解得18第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院电容器广泛应用于电子设备的电路中：电容器广泛应用于电子设备的电路中：3.1.3 导体系统的电容与部分电容导体系统的电容与部分电容 在电子电路中，利用电容器来实现滤波、移相、隔直、旁在电子电路中，利用电容器来实现滤波、移相、隔直、旁 路、选频等作用。路、选频等作用。通过电容、电感通过电容

17、、电感、电阻的排布，可组合成各种功能的复杂电阻的排布，可组合成各种功能的复杂 电路。电路。在电力系统中，可利用电容器来改善系统的功率因数，以在电力系统中，可利用电容器来改善系统的功率因数，以 减少电能的损失和提高电气设备的利用率。减少电能的损失和提高电气设备的利用率。19第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院 电容是导体系统的一种基本属性，是描述导体系统电容是导体系统的一种基本属性，是描述导体系统 储存电荷能储存电荷能力的物理量。力的物理量。孤立导体的电容定义为所带

18、电量孤立导体的电容定义为所带电量q与其电位与其电位 的比值，即的比值，即1.电容电容 孤立导体的电容孤立导体的电容 两个带等量异号电荷（两个带等量异号电荷（q）的的 导体组成的电容器，其电容导体组成的电容器，其电容为为 电容的大小只与导体系统的几何尺寸、形状和及周围电介质电容的大小只与导体系统的几何尺寸、形状和及周围电介质 的特性参数有关，而与导体的带电量和电位无关。的特性参数有关，而与导体的带电量和电位无关。20第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院(1)假定两导

19、体上分别带电荷假定两导体上分别带电荷+q 和和q；计算电容的方法一计算电容的方法一：(4)求比值求比值 ，即得出所求电容。，即得出所求电容。(3)由由 ，求出两导体间的电位差；，求出两导体间的电位差；(2)计算两导体间的电场强度计算两导体间的电场强度E；计算电容的方法二计算电容的方法二：(1)假定两电极间的电位差为假定两电极间的电位差为U；(4)由由 得到得到 ;(2)计算两电极间的电位分布计算两电极间的电位分布；(3)由由 得到得到E;(5)由由 ，求出导体的电荷，求出导体的电荷q；(6)求比值求比值 ，即得出所求电容。，即得出所求电容。21第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁

20、场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院 解：解：设内导体的设内导体的电荷为电荷为q，则由高斯定理可求得内外导体间，则由高斯定理可求得内外导体间的电场的电场同心导体间的电压同心导体间的电压球形电容器的电容球形电容器的电容当当 时，时，例例 同心球形电容器的内导体半径为同心球形电容器的内导体半径为a、外导体半径为、外导体半径为b，其间，其间填充介电常数为填充介电常数为的均匀介质。的均匀介质。求此球形电容器的电容。求此球形电容器的电容。孤立导体球的电容孤立导体球的电容22第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁

21、场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院 例例 3.1.5 如图所示的平行双线传输线，导线半径为如图所示的平行双线传输线，导线半径为a，两导线，两导线的轴线距离为的轴线距离为D，且，且D a，求传输线单位长度的电容。，求传输线单位长度的电容。解解 设两导线单位长度带电量分别为设两导线单位长度带电量分别为 和和 。由于。由于 ，故，故可近似地认为电荷分别均匀分布在两可近似地认为电荷分别均匀分布在两导线的表面上。应用高斯定理和叠加原导线的表面上。应用高斯定理和叠加原理，可得到两导线之间的平面上任一点理，可得到两导线之间的

22、平面上任一点P 的电场强度为的电场强度为两导线间的电位差两导线间的电位差故单位长度的电容为故单位长度的电容为23第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院 例例3.1.6 同轴线内导体半径为同轴线内导体半径为a，外导体半径为，外导体半径为b，内外导体，内外导体间填充的介电常数为间填充的介电常数为 的均匀介质，的均匀介质，求同轴线单位长度的电容。求同轴线单位长度的电容。内外导体间的电位差内外导体间的电位差 解解 设同轴线的内、外导体单位长度带电量分别为设同轴线的内、外导体

23、单位长度带电量分别为 和和 ，应，应用高斯定理可得到内外导体间任一点的电场强度为用高斯定理可得到内外导体间任一点的电场强度为故得同轴线单位长度的电容为故得同轴线单位长度的电容为同同轴线轴线24第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院 2.部份电容部份电容在多导体系统中，任何两个导体间的电压都要受到其余导体在多导体系统中，任何两个导体间的电压都要受到其余导体 上上的的电电荷荷的的影影响响。因因此此，研研究究多多导导体体系系统统时时，必必须须把把电电容容的的 概念加以推广

24、，引入部分电容的概念。概念加以推广，引入部分电容的概念。25第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院 如果充电过程进行得足够缓慢，就不会有能量辐射，充电过如果充电过程进行得足够缓慢，就不会有能量辐射，充电过程中外加电源所做的总功将全部转换成电场能量，或者说电场能程中外加电源所做的总功将全部转换成电场能量，或者说电场能量就等于外加电源在此电场建立过程中所做的总功。量就等于外加电源在此电场建立过程中所做的总功。静电场能量来源于建立电荷系统的过程中外源提供的能量。静电场能量

25、来源于建立电荷系统的过程中外源提供的能量。静电场最基本的特征是对电荷有作用力，这表明静电场具有静电场最基本的特征是对电荷有作用力，这表明静电场具有 能量。能量。任何形式的带电系统，都要经过从没有电荷分布到某个最终任何形式的带电系统，都要经过从没有电荷分布到某个最终电荷分布的建立电荷分布的建立(或充电或充电)过程。在此过程中，外加电源必须克服过程。在此过程中，外加电源必须克服电荷之间的相互作用力而做功。电荷之间的相互作用力而做功。3.1.4 静电场的能量静电场的能量 26第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场

26、与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院1.静电场的能量静电场的能量 设系统从零开始充电，最终带电量为设系统从零开始充电，最终带电量为 q、电位为、电位为 。充电过程中某一时刻的电荷量为充电过程中某一时刻的电荷量为q、电位为、电位为。(01)当当增加为增加为(+d)时，外电源做功为时，外电源做功为:(q d)。对对从从0 到到 1 积分，即得到外电源所做的总功为积分，即得到外电源所做的总功为 根据能量守恒定律，此功也就是电量为根据能量守恒定律，此功也就是电量为 q 的带电体具有的电的带电体具有的电场能量场能量We ，即，即 对于电荷体密度为对于电荷体密度为的体分布电荷，体积元的体分布电荷，体

27、积元dV中的电荷中的电荷dV具具有的电场能量为有的电场能量为27第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院故体分布电荷的电场能量为故体分布电荷的电场能量为对于面分布电荷，对于面分布电荷，电场能量为电场能量为对于多导体组成的带电系统，则有对于多导体组成的带电系统，则有 第第i 个导体所带的电荷个导体所带的电荷 第第i 个导体的电位个导体的电位式中：式中：28第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题

28、的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院电场能量密度：电场能量密度：电场的总能量：电场的总能量：积分区域为电场积分区域为电场所在的整个空间所在的整个空间对于线性、各向同性介质，则有对于线性、各向同性介质，则有 从场的观点来看，静电场的能量分布于电场所在的整个空间。从场的观点来看，静电场的能量分布于电场所在的整个空间。2.电场能量密度电场能量密度29第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院由于体积由于体积V 外的电荷密度外的电荷密度0，若将上，若将上式中的积

29、分区域扩大到整个场空间，结式中的积分区域扩大到整个场空间，结果仍然成立。只要电荷分布在有限区域果仍然成立。只要电荷分布在有限区域内，当闭合面内，当闭合面S 无限扩大时，则有无限扩大时，则有故故 推证推证：0S30第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院 例例3.1.7 半径为半径为a 的球形空间内均匀分布有电荷体密度为的球形空间内均匀分布有电荷体密度为的电的电荷，试求静电场能量。荷，试求静电场能量。解：解：方法一方法一，利用利用 计算计算 根据高斯定理求得电场强度根据

30、高斯定理求得电场强度 故故31第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院 方法二方法二：利用利用 计算计算 先求出电位分布先求出电位分布 故故32第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院 已已知知带带电电体体的的电电荷荷分分布布，原原则则上上，根根据据库库仑仑定定律律可可以以计计算算带带电电体体电电荷荷之之间间的的电电场场力力。但但对对于于电电

31、荷荷分分布布复复杂杂的的带带电电系系统统，根根据据库库仑仑定定律律计计算算电电场场力力往往往往是是非非常常困困难难的的，因因此此通通常常采采用用虚虚位位移移法法来来计算静电力。计算静电力。虚位移法：虚位移法：假设第假设第i 个带电个带电导体在电场力导体在电场力Fi 的作用下发生位移的作用下发生位移dgi，则电场力做功，则电场力做功dAFi dgi，系统的静电能量改变为，系统的静电能量改变为dWe。根据根据能量守恒定律，该系统的功能关系为能量守恒定律，该系统的功能关系为其中其中dWS是与各带电体相连接的外电源所提供的能量。是与各带电体相连接的外电源所提供的能量。具体计算中，可假定各带电导体的电位

32、不变，或假定各带电具体计算中，可假定各带电导体的电位不变，或假定各带电导体的电荷不变。导体的电荷不变。3.1.5 静电力静电力33第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院1.各带电导体的电位不变各带电导体的电位不变 此时，各带电导体应分别与外电压源连接，外电压源向系统此时，各带电导体应分别与外电压源连接，外电压源向系统提供的能量提供的能量系统所改变的静电能量系统所改变的静电能量即即此时，所有带电体都不和外电源相连接，则此时，所有带电体都不和外电源相连接，则 dWS0，

33、因此，因此2.各带电导体的电荷不变各带电导体的电荷不变式中的式中的“”号表示电场力做功是靠减少系统的静电能量来实现的。号表示电场力做功是靠减少系统的静电能量来实现的。不变不变q不变不变34第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院所以电容器内的电场能量为所以电容器内的电场能量为由由 可求得介质片受到的可求得介质片受到的静电力为静电力为 解解 平行板电容器的电容为平行板电容器的电容为部分填充介部分填充介质质的平行板的平行板电电容器容器dbU0lx 有一平行金属板电容器，极

34、有一平行金属板电容器，极板面积为板面积为lb，板间距离为，板间距离为d，用一块介，用一块介质片（宽度为质片（宽度为b、厚度为、厚度为d，介电常数为，介电常数为）部分填充在两极板之间，如图所示。）部分填充在两极板之间，如图所示。设极板间外加电压为设极板间外加电压为U0，忽略边缘效应，忽略边缘效应，求介质片所受的静电力。求介质片所受的静电力。由于由于0，所以介质，所以介质片所受到的力有将其片所受到的力有将其拉进电容器的趋势拉进电容器的趋势35第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院

35、农大理学院 此题也可用式此题也可用式 来计算来计算q不变不变设极板上保持总电荷设极板上保持总电荷q 不变，则不变，则由此可得由此可得由于由于同样得到同样得到36第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院3.2 导电媒质中的恒定电场分析导电媒质中的恒定电场分析 本节内容本节内容 3.2.1 恒定电场的基本方程和边界条件恒定电场的基本方程和边界条件 3.2.2 恒定电场与静电场的比拟恒定电场与静电场的比拟 3.2.3 漏电导漏电导37第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的

36、解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院 由由J J E E 可知，导体中若存在恒定电流，则必有维持该电流可知，导体中若存在恒定电流，则必有维持该电流的电场，虽然导体中产生电场的电荷作定向运动，但导体中的电的电场，虽然导体中产生电场的电荷作定向运动，但导体中的电荷分布是一种不随时间变化的恒定分布，这种恒定分布电荷产生荷分布是一种不随时间变化的恒定分布，这种恒定分布电荷产生的电场称为恒定电场。的电场称为恒定电场。恒定电场与静电场的重要区别：恒定电场与静电场的重要区别：（1 1）恒定电场可以存在于导体内部。）恒

37、定电场可以存在于导体内部。（2 2）恒定电场中有电场能量的损耗）恒定电场中有电场能量的损耗,要维持导体中的恒定电要维持导体中的恒定电流，就必须有外加电源来不断补充被损耗的电场能量。流，就必须有外加电源来不断补充被损耗的电场能量。恒定电场和静电场都是有源无旋场，具有相同的性质。恒定电场和静电场都是有源无旋场，具有相同的性质。3.2.1 恒定电场的基本方程和边界条件恒定电场的基本方程和边界条件38第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院1.基本方程基本方程 恒定电场的基本

38、方程为恒定电场的基本方程为微分形式：微分形式：积分形式：积分形式：恒定电场的基本场矢量是电流密度恒定电场的基本场矢量是电流密度 和电场强度和电场强度 线性各向同性导电媒质的本构关系线性各向同性导电媒质的本构关系 恒定电场的电位函数恒定电场的电位函数由由若媒质是均匀的，则若媒质是均匀的，则 均匀导电媒质中均匀导电媒质中没有体分布电荷没有体分布电荷39第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院2.恒定电场的边界条件恒定电场的边界条件媒质媒质2 2媒质媒质1 1 场矢量的边界

39、条件场矢量的边界条件即即即即 导电媒质分界面上的电荷面密度导电媒质分界面上的电荷面密度场矢量的折射关系场矢量的折射关系40第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院 电位的边界条件电位的边界条件 恒定电场同时存在于导体内部和外部，在导体表面上的电场恒定电场同时存在于导体内部和外部，在导体表面上的电场 既既有有法法向向分分量量又又有有切切向向分分量量，电电场场并并不不垂垂直直于于导导体体表表面面，因因 而导体表面不是等位面；而导体表面不是等位面；说明说明：41第第3 3章

40、章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院媒质媒质2 2媒质媒质1 1媒质媒质2 2媒质媒质1 1 如如2 1、且、且 290，则则 10，即电场线近似垂直于与良导体表面。即电场线近似垂直于与良导体表面。此时，良导体表面可近似地看作为此时，良导体表面可近似地看作为 等位面；等位面；若媒质若媒质1为理想介质为理想介质，即即 10，则则 J1=0，故故J2n=0 且且 E2n=0，即导体，即导体 中的电流和电场与分界面平行中的电流和电场与分界面平行。42第第3 3章章 静态电磁场及其边

41、值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院4 导体圆柱面的镜像磁矢位的微分方程粗导线构成的回路，磁链分为当增加为(+d)时，外电源做功为:(q d)。值得注意的是球内的电场分布。两端点乘 ，则有因此，当场存在的区域包括 或 时，此时只能取第一类连带勒让德函数作为方程的解。磁标位与静电位的比较显然，q1 对平面 2 以及 q2 对平面 1 均不能满足边界条件。积分区域为电场所在的整个空间用位于场域边界外虚设的较简单的镜像电荷分布来等效替代该边界上未知的较为复杂的电荷分布，从而将原含该边界的非均匀媒质空间

42、变换成无限大单一均匀媒质的空间，使分析计算过程得以明显简化的一种间接求解法。像电荷的个数、位置及其电量大小“三要素”。1 边值问题的类型3.2.2 恒定电场与静电场的比拟恒定电场与静电场的比拟 如果两种场，在一定条件下，场方程有相同的形式，边界如果两种场，在一定条件下，场方程有相同的形式，边界形状相同，边界条件等效，则其解也必有相同的形式，求解这形状相同，边界条件等效，则其解也必有相同的形式，求解这两种场分布必然是同一个数学问题。只需求出一种场的解，就两种场分布必然是同一个数学问题。只需求出一种场的解，就可以用对应的物理量作替换而得到另一种场的解。这种求解场可以用对应的物理量作替换而得到另一种

43、场的解。这种求解场的方法称为比拟法。的方法称为比拟法。静电场静电场恒定电场恒定电场43第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院恒定电场与静电场的比拟恒定电场与静电场的比拟基本方程基本方程静电场（静电场（区域）区域）本构关系本构关系位函数位函数边界条件边界条件恒定电场（电源外）恒定电场（电源外）对应物理量对应物理量静电场静电场恒定电场恒定电场44第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场

44、与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院 例例3.2.1一一个个有有两两层层介介质质的的平平行行板板电电容容器器，其其参参数数分分别别为为 1、1 和和 2、2，外加电压，外加电压U。求介质面上的自由电荷密度。求介质面上的自由电荷密度。解解：极极板板是是理理想想导导体体，为等位面，电流沿为等位面，电流沿z 方向。方向。45第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院 例例3.2.2 填充有两层介质的同轴电缆，内导体半径为填充有两层介质的同轴电缆，内导体半径为a，外导，外

45、导体半径为体半径为c，介质的分界面半径为，介质的分界面半径为b。两层介质的介电常数为。两层介质的介电常数为 1 和和 2、电导率为、电导率为 1 和和 2。设内导体的电压为。设内导体的电压为U0，外导体接地。求：，外导体接地。求：（1）两导体之间的电流密度和电场强度分布；（）两导体之间的电流密度和电场强度分布；（2）介质分界面）介质分界面上的自由电荷面密度。上的自由电荷面密度。外导体外导体内导体内导体介质介质2 2介质介质146第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院

46、 （1）设同轴电缆中单位长度的径向电流为）设同轴电缆中单位长度的径向电流为I,则由则由 可可得电流密度得电流密度介质中的电场介质中的电场 解解 电流由内导体流向外导体，在分界面上只有法向分量，电流由内导体流向外导体，在分界面上只有法向分量，所以电流密度成轴对称分布。可先假设电流为所以电流密度成轴对称分布。可先假设电流为I，由求出电流密度由求出电流密度 的表达式，然后求出的表达式，然后求出 和和 ，再由，再由 确定出电流确定出电流 I。47第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院

47、农大理学院故两种介质中的电流密度和电场强度分别为故两种介质中的电流密度和电场强度分别为由于由于于是得到于是得到48第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院 （2）由）由 可得，介质可得，介质1内表面的电荷面密度为内表面的电荷面密度为介质介质2外表面的电荷面密度为外表面的电荷面密度为两种介质分界面上的电荷面密度为两种介质分界面上的电荷面密度为49第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场

48、与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院 工程上，常在电容器两极板之间、同轴电缆的芯线与外壳之工程上，常在电容器两极板之间、同轴电缆的芯线与外壳之间，填充不导电的材料作电绝缘。这些绝缘材料的电导率远远小间，填充不导电的材料作电绝缘。这些绝缘材料的电导率远远小于金属材料的电导率，但毕竟不为零，因而当在电极间加上电压于金属材料的电导率，但毕竟不为零，因而当在电极间加上电压U 时，必定会有微小的漏电流时，必定会有微小的漏电流 J 存在。存在。漏电流与电压之比为漏电导，即漏电流与电压之比为漏电导，即其倒数称为绝缘电阻，即其倒数称为绝缘电阻，即3.2.3 漏电导漏电导50第第3 3章章 静态电磁场及其

49、边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院(1)假定两电极间的电流为假定两电极间的电流为I；(2)计算两电极间的电流密度计算两电极间的电流密度(3)矢量矢量J；(3)由由J=E 得到得到 E;(4)由由 ，求出两导，求出两导(5)体间的电位差；体间的电位差；(6)(5)求比值求比值 ，即得出，即得出(7)所求电导。所求电导。计算电导的方法一计算电导的方法一：计算电导的方法二计算电导的方法二：(1)假定两电极间的电位差为假定两电极间的电位差为U；(2)计算两电极间的电位分布计算两电极间的电位分布；(3

50、)由由 得到得到E;(4)由由 J=E 得到得到J;(5)由由 ，求出两导体间，求出两导体间 电流；电流；(6)求比值求比值 ，即得出所，即得出所 求电导。求电导。计算电导的方法三计算电导的方法三：静电比拟法：静电比拟法：51第第3 3章章 静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解静态电磁场及其边值问题的解电磁场与电磁波电磁场与电磁波农大理学院农大理学院 求同轴电缆的绝缘电阻。设内外的半径分别为求同轴电缆的绝缘电阻。设内外的半径分别为a、b，长度为长度为l，其间媒质的电导率为其间媒质的电导率为、介电常数为、介电常数为。解解：直接用恒定电场的计算方法：直接用