講4電荷電流連續(xù)性方程靜電場教學文案

講4電荷電流連續(xù)性方程靜電場1.電荷體密度單位：C/m3

(庫/米3

)電荷連續(xù)分布于體積V內(nèi)，用電荷體密度來描述其分布

理想化實際帶電系統(tǒng)的電荷分布形態(tài)分為四種形式：

點電荷、體分布電荷、面分布電荷、線分布電荷2.電荷面密度單位:C/m2

(庫/米2)

電荷分布在厚度可忽略的薄層上（當僅考慮薄層外、距薄層的距離要比薄層的厚度大得多處的電場，而不分析和計算該薄層內(nèi)的電場時），認為電荷是面分布，可用電荷面密度表示

若電荷分布在細線上，線的直徑可忽略（當僅考慮細線外、距細線的距離要比細線的直徑大得多處的電場，而不分析和計算線內(nèi)的電場時)，認為電荷是線分布,可用電荷線密度表示

3.電荷線密度單位:C/m(庫/米)

總電荷為q

的電荷集中在很小區(qū)域V，(當不分析和計算該電荷所在的小區(qū)域中的電場，而僅需要分析和計算電場的區(qū)域又距離電荷區(qū)很遠，即場點距源點的距離遠大于電荷所在的源區(qū)的線度時)，小體積V中的電荷可看作位于該區(qū)域中心、電荷為q

的點電荷。4.點電荷點電荷位于處，電荷密度為

例1：球心在原點半徑為a的球體M內(nèi)均勻分布體密度為ρ的體電荷，求半徑為r與球M的同心的球內(nèi)所包含的電荷量。

若已知球內(nèi)的電荷密度為

若已知球M內(nèi)包含的總電荷量為Q，且電荷均勻分布于球內(nèi)，求球內(nèi)的體電荷密度。

若已知球M表面均勻分布電荷，電荷的總量為Q，求表面的面電荷密度。2.1.2

電流與電流密度電流是否可以在開路（或者單導體結(jié)構(gòu)）中傳輸？

存在可以自由移動的電荷;

存在電場。單位:A（安）電流方向:正電荷的流動方向電流

——電荷的定向運動而形成，用i表示，其大小定義為：單位時間內(nèi)通過某一橫截面S

的電荷量形成電流的條件：

電荷在某一體積內(nèi)定向運動所形成的電流稱為體電流。

體電流密度：方向是正電荷運動的方向，大小為垂直于電流流動方向的單位面積的電流。單位：A/m2（安/米2）

。

一般情況下，在空間不同的點，電流的大小和方向往往是不同的。在電磁理論中，常用體電流、面電流和線電流來描述電流的狀態(tài)。

1.體電流

流過任意曲面S的電流為體電流密度矢量2.面電流

電荷在一個厚度可以忽略的薄層內(nèi)定向運動所形成的電流稱為面電流，用面電流密度矢量來描述其分布單位：A/m（安/米）通過薄導體層上任意有向曲線

的電流為

◆電流連續(xù)性方程

◆真空中靜電場的基本規(guī)律電荷與電荷密度電流與體電流密度電荷的定向運動形成電流。電荷的體密度與電流的體密度是否有關(guān)系？靜電場恒磁場時變電磁場電流連續(xù)性方程

◆電流連續(xù)性方程

◆真空中靜電場的基本規(guī)律2.1.3電荷守恒定律（電流連續(xù)性方程）電荷守恒定律:電荷既不能被創(chuàng)造，也不能被消滅，只能從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體。電流連續(xù)性方程流出閉合曲面S的電流等于體積V內(nèi)單位時間所減少的電荷量。iiiρ,q電流連續(xù)性方程和麥克斯韋方程是研究時變電磁場的基本定律。時變電磁場恒定電流的連續(xù)性方程從任意閉合面穿出的恒定電流為0，恒定電流場是無散度的場?！镉呻娏鬟B續(xù)性方程推導基爾霍夫電流定律基爾霍夫電流定律：

任何瞬時流入電路任一節(jié)點的電流的代數(shù)和等于零。

●時變電流是否滿足基爾霍夫定律？●是否有穿入的電流與穿出的電流不等的節(jié)點、器件、網(wǎng)絡(luò)？2.2真空中靜電場的基本規(guī)律靜電場：空間位置固定、電量不隨時間變化的電荷產(chǎn)生的電場。本節(jié)內(nèi)容

2.2.1庫侖定律與電場強度

2.2.2靜電場的散度與旋度1.庫侖定律(1785年)真空中靜止點電荷q1對q2的作用力:

大小與兩電荷的電荷量成正比，與兩電荷距離的平方成反比；2.2.1庫侖定律電場強度

方向沿q1和q2連線方向，同性電荷相排斥，異性電荷相吸引；電場力服從疊加定理體電荷對q的作用力面電荷對q的作用力線電荷對q的作用力2.電場強度

空間某點的電場強度定義為置于該點的單位點電荷（又稱試驗電荷）受到的作用力。電荷之間的作用力由電場給予——法拉第。

——試驗電荷真空中處有靜止點電荷q

，q產(chǎn)生的電場為

引入電場的任何電荷都受到電場所作用的力；當電荷在電場中移動時，電場所作用的力對電荷做功，說明電場具有能量。面電荷的電場強度線電荷的電場強度體電荷產(chǎn)生的電場強度例2.2.1：電偶極子是由相距很近、帶等值異號的兩個點電荷組成的電荷系統(tǒng)，求其遠區(qū)電場強度（r>>d）。電偶極矩解：d+q-qθzOd+q-qOθz2.2.2靜電場的散度與旋度靜電場是發(fā)散場，電力線起始于正電荷，終止于負電荷。1.靜電場的散度與高斯定理靜電場是無旋場，是保守場，電場力做功與路徑無關(guān)。2.靜電場的旋度與環(huán)路定理斯托克斯定理靜電場旋度與環(huán)路定理的推導

在電場分布具有一定對稱性的情況下，可以利用高斯定理計算電場強度。

3.利用高斯定理計算電場強度具有以下幾種對稱性的場（或電荷分布）可用高斯定理求解：

球?qū)ΨQ分布：包括均勻帶電的球面，球體和多層同心球殼等。帶電球殼多層同心球殼均勻帶電球體aOρ0

無限大平面電荷：如無限大的均勻帶電平面、平板等。

軸對稱分布：如無限長均勻帶電的直線，圓柱面，圓柱殼等。利用積分形式的高斯定理求解靜電場的條件：電場具有對稱性分布；電場強度的模可以從面積分中提出來。利用積分形式的高斯定理求解靜電場的步驟：

1、分析電場的方向，電場強度的大小的變化規(guī)律;

2、選取高斯面;

3、計算電場強度的通量；

4、計算電荷量；

5、確定電場強度。

例1

求真空中均勻帶電球體的場強分布。已知球體半徑為a

，電荷密度為0。ar0r高斯面取為與帶點球同心，半徑為r的球面電荷具有球?qū)ΨQ性，電場具有球?qū)ΨQ性，例2（3.2.1，V3)

電荷按體密度，分布于一個半徑為a的球形區(qū)域內(nèi)，其中ρ0為常數(shù)。計算球內(nèi)外的電場強度。

解:arr例3、無限長直導線上分布均勻線電荷ρl，直導線放于z軸，求空間的電場強度。解：根據(jù)電荷的對稱性，采用高斯定理求解，高斯曲面為過場點以導線為對稱軸高度和h的圓柱體表面作業(yè)2.92.151.采用高斯定理求無窮長直導線(均勻分布密度為ρl的線電荷）在自由空間產(chǎn)生的電場強度。關(guān)于立體角:立體角是由過一點的射線繞過該點的某軸旋轉(zhuǎn)一周所掃出的錐面所限定的空間。又可以定義立體角為球面上的面元與半徑的二次方的比值。立體角的單位是球面度。閉合球面的立體角是4π。例4、半徑為a高度為無窮長的圓柱表面均勻分布面電荷密度為ρS的電荷，求空間的電場強度。2.9無限長線電荷通過點（6,8,0）且平行于z軸，線電荷密度為ρl試求點P(x,y,z）處的電場強度。

例2.2.1

計算電荷面密度為均勻帶電的環(huán)形薄圓盤(內(nèi)半徑為a、外半徑為b)軸線上任意點的電場強度。解：P(0,0,z)brRyzx均勻帶電的環(huán)形薄圓盤dSaP(0,0,z)brRyzx均勻帶電的環(huán)形薄圓盤dSa電荷分布具有軸對稱性，因此z軸上的電場沿z軸方向。3.幾種典型電荷分布的電場強度均勻帶電圓環(huán)均勻帶電