电磁场电磁波第三章静态场及其边值问题的解

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1、第3章静态电磁场及其边值问题的解1本章内容3.1静电场分析3.2导电媒质中的恒定电场分析3.3恒定磁场分析3.4静态场的边值问题及解的惟一性定理3.5镜像法3.6分离变量法静态电磁场：场量不随时间变化，包括：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，构成统一的电磁场静态情况下，电场和磁场由各自的源激发，且相互独立22.边界条件微分形式：本构关系：1.基本方程积分形式：或或3.1.1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，则3介质2介质1在静电平衡的情况下，导体内部的电场为0，则导体表面的边界条件为或场矢量的折射关系导体表

2、面的边界条件4由即静电场可以用一个标量函数的梯度来表示，标量函数称为静电场的标量电位或简称电位。1.电位函数的定义3.1.2电位函数52.电位的表达式对于连续的体分布电荷，由同理得，面电荷的电位：故得点电荷的电位：线电荷的电位：63.电位差两端点乘，则有将上式两边从点P到点Q沿任意路径进行积分，得关于电位差的说明P、Q两点间的电位差等于电场力将单位正电荷从P点移至Q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。电位差也称为电压，可用U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。P、Q两点间的电位差电场力做的功7静电位不惟一，可

3、以相差一个常数，即选参考点令参考点电位为零电位确定值(电位差)两点间电位差有定值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。同一个问题只能有一个参考点。4.电位参考点为使空间各点电位具有确定值，可以选定空间某一点作为参考点，且令参考点的电位为零，由于空间各点与参考点的电位差为确定值，所以该点的电位也就具有确定值，即8在均匀介质中，有5.电位的微分方程在无源区域，标量泊松方程拉普拉斯方程96.静电位的边界条件设P1和P2是介质分界面两侧紧贴界面的相邻两点，其电位分别为1和2。当两点

4、间距离Δl→0时导体表面上电位的边界条件：由和媒质2媒质1若介质分界面上无自由电荷，即常数，10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力的物理量。孤立导体的电容定义为所带电量q与其电位的比值，即电容孤立导体的电容两个带等量异号电荷（q）的导体组成的电容器，其电容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的特性参数有关，而与导体的带电量和电位无关。11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

5、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电荷分布的建立(或充电)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。3.1.4静电场的能量121.静电场的能量设系统从零开始充电，最终带电量为q、电位为。充电过程中某一时刻的电荷量为αq、电位为α。(0≤α≤1)当α增加为(α+dα)时，外电源做功为:α(qdα)。对α从0到1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q的带电体具有的电场能量We，即对于电荷体密度

6、为ρ的体分布电荷，体积元dV中的电荷ρdV具有的电场能量为13故体分布电荷的电场能量为对于面分布电荷，电场能量为142.电场能量密度从场的观点来看，静电场的能量分布于电场所在的整个空间。电场能量密度：电场的总能量：积分区域为电场所在的整个空间对于线性、各向同性介质，则有15例3.1.7半径为a的球形空间内均匀分布有电荷体密度为ρ的电荷，试求静电场能量。解：方法一，利用计算根据高斯定理求得电场强度故16方法二：利用计算先求出电位分布故173.2导电媒质中的恒定电场分析本节内容3.2.1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3.2.

7、3漏电导18由J＝E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。恒定电场与静电场的重要区别：（1）恒定电场可以存在于导体内部。（2）恒定电场中有电场能量的损耗,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。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191.基本方程恒定电场的基本方程为微分形式：积分形式：恒定电场的基本场矢量是电流密度和电场强度线性各向同性

8、导电媒质的本构关系恒定电场的电位函数由若媒质是均匀的，则均匀导电媒质中没有体分布电荷202.恒定电场的边界条