電磁場(chǎng)及電磁波 第三章

1、第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版1第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版2 本章內(nèi)容本章內(nèi)容 3.1 靜電場(chǎng)分析靜電場(chǎng)分析 3.2 導(dǎo)電媒質(zhì)中的恒定電場(chǎng)分析導(dǎo)電媒質(zhì)中的恒定電場(chǎng)分析 3.3 恒定磁場(chǎng)分析恒定磁場(chǎng)分析 3.4 靜態(tài)場(chǎng)的邊值問題及解的惟一性定理靜態(tài)場(chǎng)的邊值問題及解的惟一性定理 3.5 鏡像法鏡像法 3.6 分離變量法分離變量法

2、靜態(tài)電磁場(chǎng)：靜態(tài)電磁場(chǎng)：場(chǎng)量不隨時(shí)間變化，包括：場(chǎng)量不隨時(shí)間變化，包括： 靜電場(chǎng)、恒定電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)靜電場(chǎng)、恒定電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng) 時(shí)變情況下，電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互關(guān)聯(lián)，構(gòu)成統(tǒng)一的電磁場(chǎng)時(shí)變情況下，電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互關(guān)聯(lián)，構(gòu)成統(tǒng)一的電磁場(chǎng) 靜態(tài)情況下，電場(chǎng)和磁場(chǎng)由各自的源激發(fā)，且相互獨(dú)立靜態(tài)情況下，電場(chǎng)和磁場(chǎng)由各自的源激發(fā)，且相互獨(dú)立 第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版33.1 靜電場(chǎng)分析靜電場(chǎng)分析 學(xué)習(xí)內(nèi)容學(xué)習(xí)內(nèi)容 3.1.1 靜電場(chǎng)的基本方程和邊界條件靜電場(chǎng)的基本方程和邊界條

3、件 3.1.2 電位函數(shù)電位函數(shù) 3.1.3 導(dǎo)體系統(tǒng)的電容與部分電容導(dǎo)體系統(tǒng)的電容與部分電容 3.1.4 靜電場(chǎng)的能量靜電場(chǎng)的能量 3.1.5 靜電力靜電力第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版40ED微分形式：微分形式：ED本構(gòu)關(guān)系：本構(gòu)關(guān)系：1. 基本方程基本方程0ddlESDCSq積分形式：積分形式：或或3.1.1 靜電場(chǎng)的基本方程和邊界條件靜電場(chǎng)的基本方程和邊界條件2. 邊界條件邊界條件0)()(21n21nEEDDeeS0)(0)(2121EEeDDenn0

4、2t1tn2n1EEDDS或或2t1tn2n1EEDD若分界面上不存在面電荷，即若分界面上不存在面電荷，即 ，則，則0S第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版5介質(zhì)介質(zhì)2 2介質(zhì)介質(zhì)1 121212E1Ene212n21n12n2t1n1t21/tantanDDEEEE 場(chǎng)矢量的折射關(guān)系場(chǎng)矢量的折射關(guān)系 在靜電平衡的情況下，導(dǎo)體內(nèi)部的電場(chǎng)為在靜電平衡的情況下，導(dǎo)體內(nèi)部的電場(chǎng)為0，則導(dǎo)體表面的，則導(dǎo)體表面的邊界條件為邊界條件為 0nnEDeeS0tnEDS或或 導(dǎo)體表面的

5、邊界條件導(dǎo)體表面的邊界條件第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版60E由由即即靜電場(chǎng)可以用一個(gè)標(biāo)量函數(shù)的梯度來(lái)表示，靜電場(chǎng)可以用一個(gè)標(biāo)量函數(shù)的梯度來(lái)表示，標(biāo)量函數(shù)標(biāo)量函數(shù) 稱為靜稱為靜電場(chǎng)的標(biāo)量電位或簡(jiǎn)稱電位。電場(chǎng)的標(biāo)量電位或簡(jiǎn)稱電位。1. 電位函數(shù)的定義電位函數(shù)的定義E3.1.2 電位函數(shù)電位函數(shù)ReRqE242. 電位的表達(dá)式電位的表達(dá)式空間中點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)為：空間中點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)為：空間中點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電位為：空間中點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電位為：CRq4第3章 電磁場(chǎng)與電

6、磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版7同理得，面電荷的電位：同理得，面電荷的電位： 1()( )d4VrrVCR故得故得點(diǎn)電荷的電位：點(diǎn)電荷的電位：( )4qrCR()1( )d4lCrrlCR線電荷的電位：線電荷的電位：對(duì)于連續(xù)的體分布電荷，由對(duì)于連續(xù)的體分布電荷，由d)1)(41d)1()(41d)(41)(3VRrVRrVRRrrEVVV3)1(RRRrrR( )1( )ds4ssrrCR第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出

7、版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版83. 電位差電位差ld兩端點(diǎn)乘兩端點(diǎn)乘 ，則有，則有E將將d)ddd(ddyyyyxxllE關(guān)于電位差的說(shuō)明關(guān)于電位差的說(shuō)明 P、Q 兩點(diǎn)間的電位差等于電場(chǎng)力將單位正電荷從兩點(diǎn)間的電位差等于電場(chǎng)力將單位正電荷從P點(diǎn)移至點(diǎn)移至Q 點(diǎn)點(diǎn) 所做的功，電場(chǎng)力使單位正電荷由高電位處移到低電位處。所做的功，電場(chǎng)力使單位正電荷由高電位處移到低電位處。 電位差也稱為電壓，可用電位差也稱為電壓，可用U 表示。表示。 電位差有確定值，只與首尾兩點(diǎn)位置有關(guān)，與積分路徑無(wú)關(guān)。電位差有確定值，只與首尾兩點(diǎn)位置有關(guān)，與積分路徑無(wú)關(guān)。上式兩邊從點(diǎn)上式

8、兩邊從點(diǎn)P到點(diǎn)到點(diǎn)Q沿任意路徑進(jìn)行積分，得沿任意路徑進(jìn)行積分，得)()(ddQPlEQPQPP、Q 兩點(diǎn)間的電位差兩點(diǎn)間的電位差電場(chǎng)力做電場(chǎng)力做的功的功第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版9 靜電位不惟一，可以相差一個(gè)常數(shù)，即靜電位不惟一，可以相差一個(gè)常數(shù)，即)(CC選參考點(diǎn)選參考點(diǎn)令參考點(diǎn)電位為零令參考點(diǎn)電位為零電位確定值電位確定值( (電位差電位差) )兩點(diǎn)間電位差有定值兩點(diǎn)間電位差有定值 選擇電位參考點(diǎn)的原則選擇電位參考點(diǎn)的原則 應(yīng)使電位表達(dá)式有意義。應(yīng)使電位表

9、達(dá)式有意義。 應(yīng)使電位表達(dá)式最簡(jiǎn)單。若電荷分布在有限區(qū)域，通常取無(wú)應(yīng)使電位表達(dá)式最簡(jiǎn)單。若電荷分布在有限區(qū)域，通常取無(wú) 限遠(yuǎn)作電位參考點(diǎn)。限遠(yuǎn)作電位參考點(diǎn)。 同一個(gè)問題只能有一個(gè)參考點(diǎn)。同一個(gè)問題只能有一個(gè)參考點(diǎn)。4. 電位參考點(diǎn)電位參考點(diǎn) 為使空間各點(diǎn)電位具有確定值，可以選定空間某一點(diǎn)作為參考為使空間各點(diǎn)電位具有確定值，可以選定空間某一點(diǎn)作為參考點(diǎn)，且令參考點(diǎn)的電位為零，由于空間各點(diǎn)與參考點(diǎn)的電位差為確點(diǎn)，且令參考點(diǎn)的電位為零，由于空間各點(diǎn)與參考點(diǎn)的電位差為確定值，所以該點(diǎn)的電位也就具有確定值，即定值，所以該點(diǎn)的電位也就具有確定值，即第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大

10、學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版105. 電位的微分方程電位的微分方程在無(wú)源區(qū)域，在無(wú)源區(qū)域，0在均勻介質(zhì)中，有在均勻介質(zhì)中，有EED022標(biāo)量泊松方程標(biāo)量泊松方程拉普拉斯方程拉普拉斯方程第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版116. 靜電位的邊界條件靜電位的邊界條件 設(shè)設(shè)P1和和P2是介質(zhì)分界面兩側(cè)緊貼界面的相鄰兩點(diǎn)，其電位分是介質(zhì)分界面兩側(cè)緊貼界面的相鄰兩點(diǎn)，其電位分別為別為1和和2。當(dāng)兩點(diǎn)間

11、距離當(dāng)兩點(diǎn)間距離l0時(shí)時(shí) 導(dǎo)體表面上電位的邊界條件：導(dǎo)體表面上電位的邊界條件：0dlim21021PPlEl12媒質(zhì)媒質(zhì)2媒質(zhì)媒質(zhì)121l2P1P 若介質(zhì)分界面上無(wú)自由電荷，即若介質(zhì)分界面上無(wú)自由電荷，即0Snn1122常數(shù)，常數(shù)，SnSnn112221由由 和和Se)(21nDDDSnn1122第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版12電容器廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備的電路中：電容器廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備的電路中： 在電子電路中，利用電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波、移相、隔直、旁在電子電路中，

12、利用電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波、移相、隔直、旁 路、選頻等作用。路、選頻等作用。 通過(guò)電容、電感、電阻的排布，可組合成各種功能的復(fù)雜通過(guò)電容、電感、電阻的排布，可組合成各種功能的復(fù)雜 電路。電路。 在電力系統(tǒng)中，可利用電容器來(lái)改善系統(tǒng)的功率因數(shù)，以在電力系統(tǒng)中，可利用電容器來(lái)改善系統(tǒng)的功率因數(shù)，以 減少電能的損失和提高電氣設(shè)備的利用率。減少電能的損失和提高電氣設(shè)備的利用率。 3.1.3 導(dǎo)體系統(tǒng)的電容與部分電容導(dǎo)體系統(tǒng)的電容與部分電容第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版13 電

13、容是導(dǎo)體系統(tǒng)的一種基本屬性，是描述導(dǎo)體系統(tǒng)電容是導(dǎo)體系統(tǒng)的一種基本屬性，是描述導(dǎo)體系統(tǒng) 儲(chǔ)存電荷儲(chǔ)存電荷能力的物理量。能力的物理量。 孤立導(dǎo)體的電容定義為所帶電量孤立導(dǎo)體的電容定義為所帶電量q與其電位與其電位 的比值，即的比值，即qC 1. 電容電容 孤立導(dǎo)體的電容孤立導(dǎo)體的電容 兩個(gè)帶等量異號(hào)電荷（兩個(gè)帶等量異號(hào)電荷（ q）的導(dǎo)體組成的電容器，其電容為的導(dǎo)體組成的電容器，其電容為12qqCU 電容的大小只與導(dǎo)體系統(tǒng)的幾何尺寸、形狀和及周圍電介質(zhì)電容的大小只與導(dǎo)體系統(tǒng)的幾何尺寸、形狀和及周圍電介質(zhì) 的特性參數(shù)有關(guān)，而與導(dǎo)體的帶電量和電位無(wú)關(guān)。的特性參數(shù)有關(guān)，而與導(dǎo)體的帶電量和電位無(wú)關(guān)。第3章

14、電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版14 (1) 假定兩導(dǎo)體上分別帶電荷假定兩導(dǎo)體上分別帶電荷+q 和和q ； (2) 計(jì)算兩導(dǎo)體間的電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算兩導(dǎo)體間的電場(chǎng)強(qiáng)度E； 計(jì)算電容的步驟：計(jì)算電容的步驟：UqC (4) 求比值求比值 ，即得出所求電容。，即得出所求電容。21dlEU (3) 由由 ，求出兩導(dǎo)體間的電位差；，求出兩導(dǎo)體間的電位差；第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等

15、教育電子音像出版社 出版出版15 解解：設(shè)內(nèi)導(dǎo)體的設(shè)內(nèi)導(dǎo)體的電荷為電荷為q ，則由高斯定理可求得內(nèi)外導(dǎo)體間，則由高斯定理可求得內(nèi)外導(dǎo)體間的電場(chǎng)的電場(chǎng)44rr22qqDe,Eerr0011d()44baqqbaUE rabab同心導(dǎo)體間的電壓同心導(dǎo)體間的電壓04abqCUba球形電容器的電容球形電容器的電容04Ca當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)，b 例例3.1.4 同心球形電容器的內(nèi)導(dǎo)體半徑為同心球形電容器的內(nèi)導(dǎo)體半徑為a 、外導(dǎo)體半徑為、外導(dǎo)體半徑為b，其間填充介電常數(shù)為其間填充介電常數(shù)為的均勻介質(zhì)。的均勻介質(zhì)。求此球形電容器的電容。求此球形電容器的電容。孤立導(dǎo)體球的電容孤立導(dǎo)體球的電容abo第3章 電磁場(chǎng)與電

16、磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版16 例例 3.1.5 如圖所示的平行雙線傳輸線，導(dǎo)線半徑為如圖所示的平行雙線傳輸線，導(dǎo)線半徑為a ，兩導(dǎo)線，兩導(dǎo)線的軸線距離為的軸線距離為D ，且，且D a ，求傳輸線單位長(zhǎng)度的電容。，求傳輸線單位長(zhǎng)度的電容。l 解解 設(shè)兩導(dǎo)線單位長(zhǎng)度帶電量分別為設(shè)兩導(dǎo)線單位長(zhǎng)度帶電量分別為 和和 。由于。由于 ，故可近似地認(rèn)為電荷分別均勻分布在兩故可近似地認(rèn)為電荷分別均勻分布在兩導(dǎo)線的表面上。應(yīng)用高斯定理和疊加原導(dǎo)線的表面上。應(yīng)用高斯定理和疊加原理，可得到兩導(dǎo)線

17、之間的平面上任一點(diǎn)理，可得到兩導(dǎo)線之間的平面上任一點(diǎn)P 的電場(chǎng)強(qiáng)度為的電場(chǎng)強(qiáng)度為lDa011( )()2lxE xexDx兩導(dǎo)線間的電位差兩導(dǎo)線間的電位差210011d()dln2DallaDaUElxxDxa故單位長(zhǎng)度的電容為故單位長(zhǎng)度的電容為001(F/m)ln()ln()lCUDaaD axyzxDa第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版17 例例3.1.6 同軸線內(nèi)導(dǎo)體半徑為同軸線內(nèi)導(dǎo)體半徑為a ，外導(dǎo)體半徑為，外導(dǎo)體半徑為b ，內(nèi)外導(dǎo)體，內(nèi)外導(dǎo)體間填充的介電常

18、數(shù)為間填充的介電常數(shù)為 的均勻介質(zhì)，的均勻介質(zhì)，求同軸線單位長(zhǎng)度的電容。求同軸線單位長(zhǎng)度的電容。( )2lEe內(nèi)外導(dǎo)體間的電位差內(nèi)外導(dǎo)體間的電位差1( )dd2bblaaUEell 解解 設(shè)同軸線的內(nèi)、外導(dǎo)體單位長(zhǎng)度帶電量分別為設(shè)同軸線的內(nèi)、外導(dǎo)體單位長(zhǎng)度帶電量分別為 和和 ，應(yīng)用高斯定理可得到內(nèi)外導(dǎo)體間任一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度為應(yīng)用高斯定理可得到內(nèi)外導(dǎo)體間任一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度為故得同軸線單位長(zhǎng)度的電容為故得同軸線單位長(zhǎng)度的電容為12(F/m)ln( / )lCUb aab同軸線同軸線ln( / )2lb a第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社

19、& 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版18 如果充電過(guò)程進(jìn)行得足夠緩慢，就不會(huì)有能量輻射，充電過(guò)如果充電過(guò)程進(jìn)行得足夠緩慢，就不會(huì)有能量輻射，充電過(guò)程中外加電源所做的總功將全部轉(zhuǎn)換成電場(chǎng)能量，或者說(shuō)電場(chǎng)能程中外加電源所做的總功將全部轉(zhuǎn)換成電場(chǎng)能量，或者說(shuō)電場(chǎng)能量就等于外加電源在此電場(chǎng)建立過(guò)程中所做的總功。量就等于外加電源在此電場(chǎng)建立過(guò)程中所做的總功。靜電場(chǎng)能量來(lái)源于建立電荷系統(tǒng)的過(guò)程中外源提供的能量。靜電場(chǎng)能量來(lái)源于建立電荷系統(tǒng)的過(guò)程中外源提供的能量。靜電場(chǎng)最基本的特征是對(duì)電荷有作用力，這表明靜電場(chǎng)具有靜電場(chǎng)最基本的特征是對(duì)電荷有作用力，這表明靜電場(chǎng)具有 能量。能量

20、。 任何形式的帶電系統(tǒng)，都要經(jīng)過(guò)從沒有電荷分布到某個(gè)最終任何形式的帶電系統(tǒng)，都要經(jīng)過(guò)從沒有電荷分布到某個(gè)最終電荷分布的建立電荷分布的建立(或充電或充電)過(guò)程。在此過(guò)程中，外加電源必須克服過(guò)程。在此過(guò)程中，外加電源必須克服電荷之間的相互作用力而做功。電荷之間的相互作用力而做功。3.1.4 靜電場(chǎng)的能量靜電場(chǎng)的能量 第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版191. 靜電場(chǎng)的能量靜電場(chǎng)的能量 設(shè)系統(tǒng)從零開始充電，最終帶電量為設(shè)系統(tǒng)從零開始充電，最終帶電量為 q 、電位為、電位為

21、 。 充電過(guò)程中某一時(shí)刻的電荷量為充電過(guò)程中某一時(shí)刻的電荷量為q 、電位為、電位為 。(01) 當(dāng)當(dāng)增加為增加為(+ d)時(shí)，外電源做功為時(shí)，外電源做功為: (q d)。 對(duì)對(duì)從從0 到到 1 積分，即得到外電源所做的總功為積分，即得到外電源所做的總功為101d2qq 根據(jù)能量守恒定律，此功也就是電量為根據(jù)能量守恒定律，此功也就是電量為 q 的帶電體具有的電的帶電體具有的電場(chǎng)能量場(chǎng)能量We ，即，即 對(duì)于電荷體密度為對(duì)于電荷體密度為的體分布電荷，體積元的體分布電荷，體積元dV中的電荷中的電荷dV具具有的電場(chǎng)能量為有的電場(chǎng)能量為qW21eVWd21de第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技

22、大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版20故體分布電荷的電場(chǎng)能量為故體分布電荷的電場(chǎng)能量為對(duì)于面分布電荷，對(duì)于面分布電荷，電場(chǎng)能量為電場(chǎng)能量為對(duì)于多導(dǎo)體組成的帶電系統(tǒng)，則有對(duì)于多導(dǎo)體組成的帶電系統(tǒng)，則有iq 第第i 個(gè)導(dǎo)體所帶的電荷個(gè)導(dǎo)體所帶的電荷i 第第i 個(gè)導(dǎo)體的電位個(gè)導(dǎo)體的電位式中：式中： iiiiSSiiSiSqSSWiiii21d21d21eVVWd21eSSSWd21e第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高

23、等教育電子音像出版社 出版出版212. 電場(chǎng)能量密度電場(chǎng)能量密度 從場(chǎng)的觀點(diǎn)來(lái)看，靜電場(chǎng)的能量分布于電場(chǎng)所在的整個(gè)空間。從場(chǎng)的觀點(diǎn)來(lái)看，靜電場(chǎng)的能量分布于電場(chǎng)所在的整個(gè)空間。EDw21e電場(chǎng)能量密度：電場(chǎng)能量密度：e1d2VWD E V電場(chǎng)的總能量：電場(chǎng)的總能量：積分區(qū)域?yàn)殡妶?chǎng)積分區(qū)域?yàn)殡妶?chǎng)所在的整個(gè)空間所在的整個(gè)空間2e111ddd222VVVWD E VE E VEV 對(duì)于線性、各向同性介質(zhì)，則有對(duì)于線性、各向同性介質(zhì)，則有2e111222wD EE EE 第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高

24、等教育電子音像出版社 出版出版22由于體積由于體積V外的電荷密度外的電荷密度0，若將上，若將上式中的積分區(qū)域擴(kuò)大到整個(gè)場(chǎng)空間，結(jié)式中的積分區(qū)域擴(kuò)大到整個(gè)場(chǎng)空間，結(jié)果仍然成立。只要電荷分布在有限區(qū)域果仍然成立。只要電荷分布在有限區(qū)域內(nèi)，當(dāng)閉合面內(nèi)，當(dāng)閉合面S 無(wú)限擴(kuò)大時(shí)，則有無(wú)限擴(kuò)大時(shí)，則有211 O( O()DRR)、2111d O(.d ) O()0SSDSSRRR故故11dd22SVDSE D V 推證推證：()DDD ()ddVSD VDSE D R0Se11dd22VVWVDV1()d2VDDV第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出

25、版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版23 例例3.1.7 半徑為半徑為a 的球形空間內(nèi)均勻分布有電荷體密度為的球形空間內(nèi)均勻分布有電荷體密度為的電的電荷，試求靜電場(chǎng)能量。荷，試求靜電場(chǎng)能量。5202420622020220154)d49d49(21arrrarrraa10()3rrEera 解解： 方法一方法一，利用利用 計(jì)算計(jì)算 VVEDWd21e 根據(jù)高斯定理求得電場(chǎng)強(qiáng)度根據(jù)高斯定理求得電場(chǎng)強(qiáng)度 3220()3raEerar故故VEVEVEDWVVVd21d21d2121220210e第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高

26、等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版24)()3(2d3d3dd2202030211arrarrarrrErEaraara 方法二方法二：利用利用 計(jì)算計(jì)算 VVWd21e 先求出電位分布先求出電位分布 故故5202022021e154d4)3(221d21arrraVWaV第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版253.2 導(dǎo)電媒質(zhì)中的恒定電場(chǎng)分析導(dǎo)電媒質(zhì)中的恒定電場(chǎng)分析 3.2.1 恒定電場(chǎng)的基本方程和邊界條件

27、恒定電場(chǎng)的基本方程和邊界條件 3.2.2 恒定電場(chǎng)與靜電場(chǎng)的比擬恒定電場(chǎng)與靜電場(chǎng)的比擬 3.2.3 漏電導(dǎo)漏電導(dǎo)第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版26 由由 可知，導(dǎo)體中若存在恒定電流，則必有維持該電流可知，導(dǎo)體中若存在恒定電流，則必有維持該電流的電場(chǎng)，雖然導(dǎo)體中產(chǎn)生電場(chǎng)的電荷作定向運(yùn)動(dòng)，但導(dǎo)體中的電的電場(chǎng)，雖然導(dǎo)體中產(chǎn)生電場(chǎng)的電荷作定向運(yùn)動(dòng)，但導(dǎo)體中的電荷分布是一種不隨時(shí)間變化的恒定分布，這種恒定分布電荷產(chǎn)生荷分布是一種不隨時(shí)間變化的恒定分布，這種恒定分布電荷產(chǎn)生

28、的電場(chǎng)稱為恒定電場(chǎng)。的電場(chǎng)稱為恒定電場(chǎng)。 恒定電場(chǎng)與靜電場(chǎng)的重要區(qū)別：恒定電場(chǎng)與靜電場(chǎng)的重要區(qū)別： （1 1）恒定電場(chǎng)可以存在于導(dǎo)體內(nèi)部。）恒定電場(chǎng)可以存在于導(dǎo)體內(nèi)部。 （2 2）恒定電場(chǎng)中有電場(chǎng)能量的損耗）恒定電場(chǎng)中有電場(chǎng)能量的損耗, ,要維持導(dǎo)體中的恒定電要維持導(dǎo)體中的恒定電流，就必須有外加電源來(lái)不斷補(bǔ)充被損耗的電場(chǎng)能量。流，就必須有外加電源來(lái)不斷補(bǔ)充被損耗的電場(chǎng)能量。3.2.1 恒定電場(chǎng)的基本方程和邊界條件恒定電場(chǎng)的基本方程和邊界條件EJ第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版

29、社 出版出版271. 1. 基本方程基本方程0d0dlESJCS00EJ 恒定電場(chǎng)的基本方程為恒定電場(chǎng)的基本方程為微分形式：微分形式：積分形式：積分形式：)(rJ 恒定電場(chǎng)的基本場(chǎng)矢量是電流密度恒定電場(chǎng)的基本場(chǎng)矢量是電流密度 和電場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)強(qiáng)度)(rE 恒定電場(chǎng)的電位函數(shù)恒定電場(chǎng)的電位函數(shù)0EE0 J由由0)(02EJ 線性各向同性導(dǎo)電媒質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系線性各向同性導(dǎo)電媒質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系0)(EEJ0 E若媒質(zhì)是均勻的，則若媒質(zhì)是均勻的，則 均勻?qū)щ娒劫|(zhì)中均勻?qū)щ娒劫|(zhì)中沒有體分布電荷沒有體分布電荷第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 &am

30、p; 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版282. 恒定電場(chǎng)的邊界條件恒定電場(chǎng)的邊界條件媒質(zhì)媒質(zhì)2 2媒質(zhì)媒質(zhì)1 121212E1Ene 場(chǎng)矢量的邊界條件場(chǎng)矢量的邊界條件0 J0)(21nJJe2nn1JJ即即0E0)(21nEEe2t1tEE即即 導(dǎo)電媒質(zhì)分界面上的電荷面密度導(dǎo)電媒質(zhì)分界面上的電荷面密度n2211222111n21n)()()(JeeSJJDD場(chǎng)矢量的折射關(guān)系場(chǎng)矢量的折射關(guān)系212n21n12n2t1n1t21/tantanJJEEEE第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音

31、像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版29 電位的邊界條件電位的邊界條件nn221121, 恒定電場(chǎng)同時(shí)存在于導(dǎo)體內(nèi)部和外部，在導(dǎo)體表面上的電場(chǎng)恒定電場(chǎng)同時(shí)存在于導(dǎo)體內(nèi)部和外部，在導(dǎo)體表面上的電場(chǎng) 既有法向分量又有切向分量，電場(chǎng)并不垂直于導(dǎo)體表面，既有法向分量又有切向分量，電場(chǎng)并不垂直于導(dǎo)體表面，因因 而導(dǎo)體表面不是等位面；而導(dǎo)體表面不是等位面；ab11、 說(shuō)明：說(shuō)明：第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版30媒質(zhì)媒質(zhì)2 2媒質(zhì)媒質(zhì)1 12122E1E)(12媒質(zhì)媒質(zhì)

32、2 2媒質(zhì)媒質(zhì)1 12012Ene1E)0(1 如如2 1、且、且 290，則則 10， 即電場(chǎng)線近似垂直于與良導(dǎo)體表面。即電場(chǎng)線近似垂直于與良導(dǎo)體表面。 此時(shí)，良導(dǎo)體表面可近似地看作為此時(shí)，良導(dǎo)體表面可近似地看作為 等位面；等位面； 若媒質(zhì)若媒質(zhì)1為理想介質(zhì)為理想介質(zhì)，即即 10，則則 J1=0，故故J2n= 0 且且 E2n= 0，即導(dǎo)體，即導(dǎo)體 中的電流和電場(chǎng)與分界面平行中的電流和電場(chǎng)與分界面平行。場(chǎng)矢量的折射關(guān)系場(chǎng)矢量的折射關(guān)系212n21n12n2t1n1t21/tantanJJEEEE第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社

33、& 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版31 例例3.2.1一個(gè)有兩層介質(zhì)的平行板電容器，其參數(shù)分別為一個(gè)有兩層介質(zhì)的平行板電容器，其參數(shù)分別為 1、 1 和和 2、 2 ，外加電壓，外加電壓U。求介質(zhì)面上的自由電荷密度。求介質(zhì)面上的自由電荷密度。 解解：極板是理想導(dǎo)體，：極板是理想導(dǎo)體，為等位面，電流沿為等位面，電流沿z 方向。方向。1n2nJJ 由由U1d2d11, 22, zo12121 12212()ddUUUEdE dJ12121122,JJJJEE12JJJ1212()ddJU121212,DJ DJ21122 121212112()SDDJUdd 介第3

34、章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版32 例例3.2.2 填充有兩層介質(zhì)的同軸電纜，內(nèi)導(dǎo)體半徑為填充有兩層介質(zhì)的同軸電纜，內(nèi)導(dǎo)體半徑為a，外導(dǎo)，外導(dǎo)體半徑為體半徑為c，介質(zhì)的分界面半徑為，介質(zhì)的分界面半徑為b。兩層介質(zhì)的介電常數(shù)為。兩層介質(zhì)的介電常數(shù)為 1 和和 2 、電導(dǎo)率為、電導(dǎo)率為 1 和和 2 。設(shè)內(nèi)導(dǎo)體的電壓為。設(shè)內(nèi)導(dǎo)體的電壓為U0 ，外導(dǎo)體接地。求：，外導(dǎo)體接地。求：（1）兩導(dǎo)體之間的電流密度和電場(chǎng)強(qiáng)度分布；（）兩導(dǎo)體之間的電流密度和電場(chǎng)強(qiáng)度分布；（2）介質(zhì)分

35、界面）介質(zhì)分界面上的自由電荷面密度。上的自由電荷面密度。J1212I外導(dǎo)體外導(dǎo)體內(nèi)導(dǎo)體內(nèi)導(dǎo)體介質(zhì)介質(zhì)2 2介質(zhì)介質(zhì)1abc11、22、0U第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版33 （1）設(shè)同軸電纜中單位長(zhǎng)度的徑向電流為）設(shè)同軸電纜中單位長(zhǎng)度的徑向電流為I ,則由則由 可得電流密度可得電流密度Sd,JSI()2IJeac111()2JIEeab 介質(zhì)中的電場(chǎng)介質(zhì)中的電場(chǎng)222()2JIEebc 解解 電流由內(nèi)導(dǎo)體流向外導(dǎo)體，在分界面上只有法向分量，電流由內(nèi)導(dǎo)體流向外導(dǎo)體

36、，在分界面上只有法向分量，所以電流密度成軸對(duì)稱分布?？上燃僭O(shè)電流為所以電流密度成軸對(duì)稱分布?？上燃僭O(shè)電流為I，由求出電流密度由求出電流密度 的表達(dá)式，然后求出的表達(dá)式，然后求出 和和 ，再由，再由 確確定出電流定出電流 I。J012ddbcabUEE1E2E第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版3412021()ln()ln()UJeacb ac b 20121()ln()ln()UEeabb ac b 10221()ln()ln()UEebcb ac b 故兩種介質(zhì)中

37、的電流密度和電場(chǎng)強(qiáng)度分別為故兩種介質(zhì)中的電流密度和電場(chǎng)強(qiáng)度分別為120212ln()ln()UIb ac b 01212ddln( )ln( )22bcabIbIcUEEab由于由于于是得到于是得到第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版3512011121ln()ln()SaUeEab ac b 21022221ln()ln()ScUeEcb ac b 1211221221021()()ln()ln()SbeEeEUbb ac b nSeD （2）由）由 可得，介質(zhì)可得

38、，介質(zhì)1內(nèi)表面的電荷面密度為內(nèi)表面的電荷面密度為介質(zhì)介質(zhì)2外表面的電荷面密度為外表面的電荷面密度為兩種介質(zhì)分界面上的電荷面密度為兩種介質(zhì)分界面上的電荷面密度為J2112I第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版363.2.2 恒定電場(chǎng)與靜電場(chǎng)的比擬恒定電場(chǎng)與靜電場(chǎng)的比擬 如果兩種場(chǎng)，在一定條件下，場(chǎng)方程有相同的形式，邊界如果兩種場(chǎng)，在一定條件下，場(chǎng)方程有相同的形式，邊界形狀相同，邊界條件等效，則其解也必有相同的形式，求解這形狀相同，邊界條件等效，則其解也必有相同的形式，求

39、解這兩種場(chǎng)分布必然是同一個(gè)數(shù)學(xué)問題。只需求出一種場(chǎng)的解，就兩種場(chǎng)分布必然是同一個(gè)數(shù)學(xué)問題。只需求出一種場(chǎng)的解，就可以用對(duì)應(yīng)的物理量作替換而得到另一種場(chǎng)的解。這種求解場(chǎng)可以用對(duì)應(yīng)的物理量作替換而得到另一種場(chǎng)的解。這種求解場(chǎng)的方法稱為比擬法。的方法稱為比擬法。第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版37恒定電場(chǎng)與靜電場(chǎng)的比擬恒定電場(chǎng)與靜電場(chǎng)的比擬基本方程基本方程ED,EEJ0202n2n1t2t1 DDEEn2n1t2t1 JJEE靜電場(chǎng)（靜電場(chǎng)（ 區(qū)域）區(qū)域） 00d, 0

40、dlESJCS0, 0EJ,E0,0DEnn221121 ,nn221121 ,本構(gòu)關(guān)系本構(gòu)關(guān)系位函數(shù)位函數(shù)邊界條件邊界條件恒定電場(chǎng)（電源外）恒定電場(chǎng)（電源外）EEDJqI對(duì)應(yīng)物理量對(duì)應(yīng)物理量靜電場(chǎng)靜電場(chǎng)恒定電場(chǎng)恒定電場(chǎng)GC0d, 0dlESDCS第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版38 工程上，常在電容器兩極板之間、同軸電纜的芯線與外殼之工程上，常在電容器兩極板之間、同軸電纜的芯線與外殼之間，填充不導(dǎo)電的材料作電絕緣。這些絕緣材料的電導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小間，填充不導(dǎo)電的材料作

41、電絕緣。這些絕緣材料的電導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬材料的電導(dǎo)率，但畢竟不為零，因而當(dāng)在電極間加上電壓于金屬材料的電導(dǎo)率，但畢竟不為零，因而當(dāng)在電極間加上電壓U 時(shí)，必定會(huì)有微小的漏電流時(shí)，必定會(huì)有微小的漏電流 J 存在。存在。 漏電流與電壓之比為漏電導(dǎo)，即漏電流與電壓之比為漏電導(dǎo)，即UIG 其倒數(shù)稱為絕緣電阻，即其倒數(shù)稱為絕緣電阻，即IUGR13.2.3 漏電導(dǎo)漏電導(dǎo)第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版39(1) 假定兩電極間的電流為假定兩電極間的電流為I ； 計(jì)算兩電極間的電

42、流密度計(jì)算兩電極間的電流密度 矢量矢量J ； 由由J = E 得到得到 E ; 由由 ，求出兩導(dǎo)，求出兩導(dǎo) 體間的電位差；體間的電位差； (5) 求比值求比值 ，即得，即得出出(2) 所求電導(dǎo)。所求電導(dǎo)。21dlEUUIG/ 計(jì)算電導(dǎo)的方法一計(jì)算電導(dǎo)的方法一： 計(jì)算電導(dǎo)的方法二計(jì)算電導(dǎo)的方法二： (1) 假定兩電極間的電位差為假定兩電極間的電位差為U； (2) 計(jì)算兩電極間的電位分布計(jì)算兩電極間的電位分布 ； (3) 由由 得到得到E ; (4) 由由 J = E 得到得到J ; (5) 由由 ，求出兩導(dǎo)體間，求出兩導(dǎo)體間 電流；電流； (6) 求比值求比值 ，即得出所，即得出所 求電導(dǎo)。求電

43、導(dǎo)。ESISJdUIG/ 計(jì)算電導(dǎo)的方法三計(jì)算電導(dǎo)的方法三：靜電比擬法：靜電比擬法：GC, 第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版40 例例3.2.3 求同軸電纜的絕緣電阻。設(shè)內(nèi)外的半徑分別為求同軸電纜的絕緣電阻。設(shè)內(nèi)外的半徑分別為a 、b，長(zhǎng)度為長(zhǎng)度為l ，其間媒質(zhì)的電導(dǎo)率為，其間媒質(zhì)的電導(dǎo)率為、介電常數(shù)為、介電常數(shù)為。解解：直接用恒定電場(chǎng)的計(jì)算方法直接用恒定電場(chǎng)的計(jì)算方法電導(dǎo)電導(dǎo))/ln(2ablUIG絕緣電阻絕緣電阻ablGRln211baablIlIUln2d2

44、dlElba則則IelIJ2lIJE2設(shè)由內(nèi)導(dǎo)體流向外導(dǎo)體的電流為設(shè)由內(nèi)導(dǎo)體流向外導(dǎo)體的電流為I 。第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版41012222000, 0U 方程通解為方程通解為21CC 例例3.2.4 在一塊厚度為在一塊厚度為h 的導(dǎo)電板上，的導(dǎo)電板上， 由兩個(gè)半徑為由兩個(gè)半徑為r1 和和 r2 的圓弧和夾角為的圓弧和夾角為 0 的兩半徑割出的一段環(huán)形導(dǎo)電媒質(zhì)，如圖所的兩半徑割出的一段環(huán)形導(dǎo)電媒質(zhì)，如圖所示。計(jì)算沿示。計(jì)算沿 方向的兩電極之間的電阻。設(shè)導(dǎo)電

45、媒質(zhì)的電導(dǎo)率為方向的兩電極之間的電阻。設(shè)導(dǎo)電媒質(zhì)的電導(dǎo)率為。 解：解： 設(shè)在沿設(shè)在沿 方向的兩電極之間外加電壓方向的兩電極之間外加電壓U0，則電流沿則電流沿 方向流動(dòng)，而且電流密度是隨方向流動(dòng)，而且電流密度是隨 變化的。但容易變化的。但容易判定電位判定電位 只是只是變量變量 的函數(shù)，因此電位函數(shù)的函數(shù)，因此電位函數(shù) 滿足一維滿足一維拉普拉斯方程拉普拉斯方程代入邊界條件代入邊界條件可以得到可以得到10020/,CUCU環(huán)形導(dǎo)電媒質(zhì)塊環(huán)形導(dǎo)電媒質(zhì)塊r1hr2 0J第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等

46、教育電子音像出版社 出版出版42電流密度電流密度00UJEe兩電極之間的兩電極之間的電流電流21002001ddlnrSrUU hrIJSee hr故故沿沿 方向的兩電極之間的電阻方向的兩電極之間的電阻為為0021( )ln(/ )URIhrr000UU所以所以00UEee 第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版433.3.1 恒定磁場(chǎng)的基本方程和邊界條件恒定磁場(chǎng)的基本方程和邊界條件3.3.2 恒定磁場(chǎng)的矢量磁位和標(biāo)量磁位恒定磁場(chǎng)的矢量磁位和標(biāo)量磁位3.3.3 電感電感

47、3.3.4 恒定磁場(chǎng)的能量恒定磁場(chǎng)的能量3.3.5 磁場(chǎng)力磁場(chǎng)力 3.3 恒定磁場(chǎng)分析恒定磁場(chǎng)分析第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版440HJB微分形式微分形式: :1. 基本方程基本方程BH2. 邊界條件邊界條件本構(gòu)關(guān)系：本構(gòu)關(guān)系：SJHHeBBe)(0)(21n21nSJHHBBt2t12n1n0或或若分界面上不存在面電流，即若分界面上不存在面電流，即JS0，則，則0dddSSCSBSJlH積分形式積分形式: :0)(0)(21n21nHHeBBe或或002tt

48、1n2n1HHBB3.3.1 恒定磁場(chǎng)的基本方程和邊界條件恒定磁場(chǎng)的基本方程和邊界條件第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版45 矢量磁位的定義矢量磁位的定義 磁矢位的任意性磁矢位的任意性 與電位一樣，磁矢位也不是惟一確定的，它加上任意一個(gè)標(biāo)與電位一樣，磁矢位也不是惟一確定的，它加上任意一個(gè)標(biāo)量量 的梯度以后，仍然表示同一個(gè)磁場(chǎng)，即的梯度以后，仍然表示同一個(gè)磁場(chǎng)，即AA 由由0BBA 即恒定磁場(chǎng)可以用一個(gè)矢量函數(shù)的旋度來(lái)表示。即恒定磁場(chǎng)可以用一個(gè)矢量函數(shù)的旋度來(lái)表示。

49、磁矢位的任意性是因?yàn)橹灰?guī)定了它的旋度，沒有規(guī)定其散度磁矢位的任意性是因?yàn)橹灰?guī)定了它的旋度，沒有規(guī)定其散度造成的。為了得到確定的造成的。為了得到確定的A，可以對(duì)，可以對(duì)A的散度加以限制，在恒定磁的散度加以限制，在恒定磁場(chǎng)中通常規(guī)定，并稱為場(chǎng)中通常規(guī)定，并稱為庫(kù)侖規(guī)范庫(kù)侖規(guī)范。0A()AAA 1. 恒定磁場(chǎng)的矢量磁位恒定磁場(chǎng)的矢量磁位矢量磁位或稱磁矢位矢量磁位或稱磁矢位 3.3.2 恒定磁場(chǎng)的矢量磁位和標(biāo)量磁位恒定磁場(chǎng)的矢量磁位和標(biāo)量磁位)(AB第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社

50、 出版出版46 磁矢位的微分方程磁矢位的微分方程在無(wú)源區(qū)：在無(wú)源區(qū)：ABHJ0A 0J JA202 A矢量泊松方程矢量泊松方程矢量拉普拉斯方程矢量拉普拉斯方程AJ2()AAJ 磁矢位的表達(dá)式磁矢位的表達(dá)式3( )1( )d( )()d44VVJ rRB rVJ rVRR 1( )()d4VJ rVR 31()RRR )1()()1()()(1)(RrJRrJrJRRrJ第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版47 磁矢位的邊界條件磁矢位的邊界條件（可以證明滿足（可以證明滿

51、足 ） 0A對(duì)于面電流和細(xì)導(dǎo)線電流回路，磁矢位分別為對(duì)于面電流和細(xì)導(dǎo)線電流回路，磁矢位分別為 利用磁矢位計(jì)算磁通量：利用磁矢位計(jì)算磁通量：0A 12AA12()nSeHHJ/HA121211()nSeAAJ細(xì)線電流細(xì)線電流：CRlIrAd4)(面電流面電流：SSSRrJrAd)(4)(由此可得出由此可得出VVRrJrAd)(4)(CSSlASASBddd2t1tAA 2n1nAA) 0,(BBABA第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版48 例例 3.3.1 求小圓環(huán)電

52、流回路的遠(yuǎn)區(qū)矢量磁位與磁場(chǎng)。小圓形回求小圓環(huán)電流回路的遠(yuǎn)區(qū)矢量磁位與磁場(chǎng)。小圓形回路的半徑為路的半徑為a ，回路中的電流為，回路中的電流為I 。 解解 如圖所示，由于具有軸對(duì)稱性，如圖所示，由于具有軸對(duì)稱性，矢量磁位和磁場(chǎng)均矢量磁位和磁場(chǎng)均與與 無(wú)關(guān)，計(jì)算無(wú)關(guān)，計(jì)算 xO z 平平面上的矢量磁位與磁場(chǎng)面上的矢量磁位與磁場(chǎng)將不失一般性。將不失一般性。(sincos )rxzre rr ee(cossin)rxzre aa eedd(sincos) dxyle aeea 222221 2( sincos)sincos)rrraar221 22sincosraar小圓環(huán)電流小圓環(huán)電流aIxzyrRd

53、lrIPO第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版49對(duì)于遠(yuǎn)區(qū)，有對(duì)于遠(yuǎn)區(qū)，有r a ，所以，所以21 21 2112121( )sincos1sincosaaarrrrrrr1(1sincos)arr2001( )(1sincos)(sincos)d4xyIaaA reerr202sin4yI aer由于在由于在 = 0 面上面上 ，所以上式可寫成，所以上式可寫成yee于是得到于是得到20022( )sinsin44I aISA reerr第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與

54、電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版5011(sin)()sinrBAeAerArrr 03(2cossin )4rISeer式中式中S =a 2是小圓環(huán)的面積。是小圓環(huán)的面積。 載流小圓環(huán)可看作磁偶極子，載流小圓環(huán)可看作磁偶極子， 為磁偶極子的磁矩為磁偶極子的磁矩（或磁偶極矩），則（或磁偶極矩），則mpIS0m2( )sin4pA rer或或 0m3( )4A rprr0m3( )(2cossin )4rpB reer第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出

55、版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版51 解解：先求長(zhǎng)度為：先求長(zhǎng)度為2L 的直線電流的磁矢位。電流元的直線電流的磁矢位。電流元 到點(diǎn)到點(diǎn) 的距離的距離 。則。則22()RzzddzI le I z( , , )Pz 0221()d4()LzLIA rezzz220ln() 4LzLIezzzz 22022()()ln4()()zzLzLIezLzL 例例 3.3.2 求無(wú)限長(zhǎng)線電流求無(wú)限長(zhǎng)線電流 I 的磁矢位，設(shè)電流沿的磁矢位，設(shè)電流沿+z 方向流動(dòng)。方向流動(dòng)。與計(jì)算無(wú)限長(zhǎng)線電荷的電位一樣，令與計(jì)算無(wú)限長(zhǎng)線電荷的電位一樣，令 可得到無(wú)限長(zhǎng)線電

56、流可得到無(wú)限長(zhǎng)線電流的磁矢位的磁矢位 L 01( )ln2zIA reCxyzL-L( , , ) z zddzI le I zR第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版522. 恒定磁場(chǎng)的標(biāo)量磁位恒定磁場(chǎng)的標(biāo)量磁位 一般情況下，恒定磁場(chǎng)只能引入磁矢位來(lái)描述，但在無(wú)傳導(dǎo)一般情況下，恒定磁場(chǎng)只能引入磁矢位來(lái)描述，但在無(wú)傳導(dǎo)電流（電流（J0）的空間）的空間 中，則有中，則有即在無(wú)傳導(dǎo)電流即在無(wú)傳導(dǎo)電流（J0）的空間中，可以引入一個(gè)的空間中，可以引入一個(gè)標(biāo)量位函數(shù)來(lái)標(biāo)量位函數(shù)來(lái)

57、描述磁場(chǎng)。描述磁場(chǎng)。 標(biāo)量磁位的引入標(biāo)量磁位的引入0HmH 標(biāo)量磁位或磁標(biāo)位標(biāo)量磁位或磁標(biāo)位第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版531. 磁通與磁鏈磁通與磁鏈 ii3.3.3 電感電感 單匝線圈形成的回路的磁鏈定單匝線圈形成的回路的磁鏈定 義為穿過(guò)該回路的磁通量義為穿過(guò)該回路的磁通量 多匝線圈形成的導(dǎo)線回路的磁多匝線圈形成的導(dǎo)線回路的磁 鏈定義為所有線圈的磁通總鏈定義為所有線圈的磁通總和和 CI 細(xì)回路細(xì)回路 粗導(dǎo)線構(gòu)成的回路，磁鏈分為粗導(dǎo)線構(gòu)成的回路，磁鏈分為 兩部

58、分：一部分是粗導(dǎo)線包圍兩部分：一部分是粗導(dǎo)線包圍 的、磁力線不穿過(guò)導(dǎo)體的外磁通量的、磁力線不穿過(guò)導(dǎo)體的外磁通量 o ；另一部分是磁力線穿；另一部分是磁力線穿過(guò)過(guò) 導(dǎo)體、只有粗導(dǎo)線的一部分包圍的內(nèi)磁通量導(dǎo)體、只有粗導(dǎo)線的一部分包圍的內(nèi)磁通量 i。 iCI o粗回路粗回路第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版54 設(shè)回路設(shè)回路 C 中的電流為中的電流為I ，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與回路，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與回路 C 交鏈的磁鏈交鏈的磁鏈為為 ，則磁鏈，則磁鏈 與回路與回路 C 中的電流中的

59、電流 I 有正比關(guān)系，其比值有正比關(guān)系，其比值IL稱為回路稱為回路 C 的自感系數(shù)，簡(jiǎn)稱自感。的自感系數(shù)，簡(jiǎn)稱自感。2. 自感自感 自感只與回路的幾何形狀、尺寸以及周圍的磁介質(zhì)有關(guān)，與自感只與回路的幾何形狀、尺寸以及周圍的磁介質(zhì)有關(guān)，與電流無(wú)關(guān)。電流無(wú)關(guān)。 自感的特點(diǎn)自感的特點(diǎn)： 外自感外自感ILooILii 內(nèi)自感；內(nèi)自感；粗導(dǎo)體回路的自感：粗導(dǎo)體回路的自感：L = Li + Lo第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版55 解解：先求內(nèi)導(dǎo)體的內(nèi)自感。設(shè)同軸：先求內(nèi)導(dǎo)體

60、的內(nèi)自感。設(shè)同軸線中的電流為線中的電流為I ，由安培環(huán)路定理，由安培環(huán)路定理0ii22,22IIHBaa穿過(guò)沿軸線單位長(zhǎng)度的矩形面積元穿過(guò)沿軸線單位長(zhǎng)度的矩形面積元dS = d的磁通為的磁通為0ii2ddd2IBSa (0)a 例例3.3.4 求同軸線單位長(zhǎng)度的自感。設(shè)內(nèi)導(dǎo)體半徑為求同軸線單位長(zhǎng)度的自感。設(shè)內(nèi)導(dǎo)體半徑為a，外導(dǎo)，外導(dǎo)體厚度可忽略不計(jì)，其半徑為體厚度可忽略不計(jì)，其半徑為b，空氣填充。，空氣填充。得得與與di 交鏈的電流為交鏈的電流為22IIa 則與則與di 相應(yīng)的磁鏈為相應(yīng)的磁鏈為30ii4ddd2IIIaabadIiB2222idaIaIIlHC第3章 電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫高等教育出版社高等教育出版社 & 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 出版出版56因此內(nèi)導(dǎo)體中總的內(nèi)磁鏈為因此內(nèi)導(dǎo)體中總的內(nèi)磁鏈為300ii40dd28aIIa0ii8LI故單位長(zhǎng)度的內(nèi)自感為故單位長(zhǎng)度的內(nèi)自感為再求內(nèi)、外導(dǎo)體間的外自感。再求內(nèi)、外導(dǎo)體間的外自感。00ooddln22baIIba00ioln82bLLLa02IB0ooddd2I則則o0oln2bLIa故單位長(zhǎng)度的外自感為故單位長(zhǎng)度