第三章 静态场及其边值问题的解

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1、1第3章静态电磁场及其边值问题的解2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33.1静电场分析本节内容3.1.1静电场的基本方程和边界条件3.1.2电位函数3.1.3导体系统的电容3.1.4静电场的能量42.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

2、上不存在面电荷，即，则法向:从2指向15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面的边界条件6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72.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：83.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

3、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9静电位不惟一，可以相差一个常数，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10在均匀介质中，有5.电位的微分方程在无源区

4、域，标量泊松方程拉普拉斯方程11例3.1.1求电偶极子的电位.解在球坐标系中用二项式展开，由于　　　，得代入上式，得表示电偶极矩，方向由负电荷指向正电荷。+q电偶极子zod－q12将　和　代入上式，解得E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等位线电场线电偶极子的场图电场线微分方程：等位线方程：13解选定均匀电场空间中的一点O为坐标原点，而任意点P的位置矢量为r，则若选择点O为电位参考点，即，则在球坐标系中，取极轴与的方向一致，即，则有在圆柱坐标系中，取与x轴方向一致，即，而，故例3.1.2求均匀电场的电位分布。14xyzL-L解采用

5、圆柱坐标系，令线电荷与z轴相重合，中点位于坐标原点。由于轴对称性，电位与无关。在带电线上位于处的线元，它到点的距离，则例3.1.3求长度为2L、电荷线密度为的均匀带电线的电位。15在上式中若令，则可得到无限长直线电荷的电位。当时，上式可写为当时，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个任意常数，则有并选择有限远处为电位参考点。例如，选择ρ=a的点为电位参考点，则有166.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。当两点间距离Δl→0时导体表面上电

6、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，17例3.1.4两块无限大接地导体平板分别置于x=0和x=a处，在两板之间的x=b处有一面密度为的均匀电荷分布，如图所示。求两导体平板之间的电位和电场。解在两块无限大接地导体平板之间，除x=b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斯方程方程的解为obaxy两块无限大平行板18利用边界条件，有处，最后得处，处，所以由此解得19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。通过电容、电感、电

7、阻的排布，可组合成各种功能的复杂电路。在电力系统中，可利用电容器来改善系统的功率因数，以减少电能的损失和提高电气设备的利用率。20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1.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。21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

8、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。