电磁场第二章 静电场.ppt

主讲 刘万东教授 研究生学位课程 2 电磁场理论 TheoryofElectromagneticfields 哈工大江滨浩教授 第二章静电场 2 1静电场基本方程组2 2静电位及泊松方程2 3静电场的唯一性定理2 4镜像法2 5格林函数2 6静电场的能和力2 7多极展开 静电场基本方程组 静止电荷产生的场 静电场 是电荷分布与电场的稳定平衡状态下的场 当体系不随时间变化时 麦氏方程组中的电场可以分离为 衔接条件 导体情况 且有 注 导体的介电常数或 电位函数 又静电场是无旋场 故可引入标量场 静电位 矢量分析中的霍姆赫兹定理 任意矢量可表示为 若取无穷远点电位为零 定义 分析 电力线与等位面的关系电位参考点的可选择性 位函数 矢量恒等式 任意标量函数均满足 故应限定 电位差 给定电荷分布的静电位 通常电荷分布和电场是耦合的 不能事先确定 尤其是极化电荷 若电荷分布给定 则静电位可以直接求出 此式不是求解电场的有效表达式 泊松方程 描述均匀 各向同性 线性介质中静电场的基本方程 泊松 拉普拉斯 方程 求解稳定场的泛定方程 对各向同性 线性介质 均匀介质时当时 边值问题 泛定方程 边值条件 定解条件 泊松方程 Poisson 拉普拉斯方程 通常的情况 静电位的边值关系 电位连续保证了电场平行分量连续 电位的边值关系 1 电位是连续的 边界处电场是有限的 2 电位法向梯度值变化与面电荷有关 唯一性定理的表述 1 在区域中每个均匀的子区域内满足泊松方程 空间区域内静电场唯一确定的条件为 2 在区域中每两子区域边界上满足边值条件 n由i区域指向j区域 4 给定区域表面上或之值 3 已知区域内的电荷密度 适定性问题 第一类边界条件 第二类边界条件 唯一性定理的证明 设有 同时满足上述条件 令 则 3 区域表面上 或 因再 故 导体存在时唯一性定理 1 导体内部电场为零 导体是等位体 2 电荷以面电荷形式分布于表面 导体的静电平衡条件 对给定电位值 将导体看成是区域边界之一即可 若区域中存在导体 给定导体上的电位值或总电荷值其他区域条件如前述 则电场唯一确定 导体内电场为零 对给定电荷值 只要包围导体的表面有 第二类边界条件 例 静电屏蔽之解释 唯一性定理说 S面内的电场由内部电荷及S上的电位决定 与外面的电荷及电场无关 不影响S面内部 与接地无关 不影响S面外部 课堂休息 课堂休息 1 边值问题解析法概述 分离变量法 多变量的齐次偏微分方程单变量的常微分方程组 求解满足边界条件的常微分方程的特解关键点 选择合适的坐标系 边界面与坐标面部分重合 复变函数法 复位函数法 保角变换法 适合处理复杂边界 二维 情况 镜像法 将边界上的感应电荷 电流 对场的贡献用所求区域之外的集中电荷的场来表示 利用边界条件来确定集中电荷 镜像电荷 的位置和量值 格林函数法 利用单位点源的解 格林函数和叠加原理来解决一般电荷分布的普遍边值问题 镜像法 1 例 接地无限大导体板附近一点电荷 求空间电位 设电荷位置 则在处设置 可取消导体表面 除点电荷处 边值问题 镜像法 2 例 接地导体球外一点电荷 求空间电位 电荷位置 设镜像电荷在处 电荷为 边值问题 镜像法 3 例 不接地导体球外一点电荷 求空间电位 电荷位置 设两个镜像电荷 分别在处 电荷为 边值问题 试确定如下镜像电荷的个数 大小与位置 点电荷密度的函数表示 电荷为的点电荷密度 记为 函数应具有下面性质 函数的选择性质 三维函数 函数有量纲 中值定理 以泛函定义的广义函数 格林函数 格林公式 第一类边值问题 若给定区域内电荷分布 同时给定第一类边值条件 即 令 由Green公式 体电荷贡献面电荷贡献 第二类边值问题 若给定区域内电荷分布 同时给定第二类边值条件 即 令 由Green公式 对外问题平均值 体电荷贡献面电荷贡献 半无限空间第一类格林函数 半无限空间的第一类格林函数 源电荷贡献感应面电荷贡献 球形空间第二类格林函数 球外区域的第二类格林函数 镜像电荷 面电荷贡献 课堂休息 2 静电场的能量 例 荷电孤立导体球静电能 静电场的能量电场能量体密度 仅对静电场成立 不代表能量密度 电导体系静电能 外场中电荷系统的能量 电荷系统与外场的相互作用能 考察两个电荷系统 电荷分布分别为 产生的电位分别为 则两个体系的相互作用能可以定义为 静电能量的定理 1 汤姆荪 Thomson 定理 导体系统 只有当每个导体处于等电位体的情况下 才能达到平衡 静电场能量为极小值 不能自身达到 恩绍 Eamshaw 定理 任意静电系统 仅受静电力作用的带电体 不能在电场中静止地处于稳定平衡系统稳定平衡条件是有极小值 具有极小值的条件是一阶导数为零 二阶导数必须恒大于零 但不存在三者同时大于零的情况任何静电体系状态的形成都必须有其它约束力参与 从相对论的角度 可说明这种约束力是麦克斯韦方程组所必须的 试想一下 电荷在相互斥力的作用力下 将飞散到无限远处 静电能量的定理 2 定理 把不带电体引入到固定电荷系统电场中 将使电场的总能量减小定理 场源不变情况下 使一部分介质的介电常数增加时 将会使介质中的总能量减小 例 能量减小 切断电源 电荷不变 总能量的减小 表明有其它形式能量的转换 热能 弹性能 极化能等 为零 电源不变 电荷不变 静电力 直接法 电场的属性 注 不包含电荷本身的电场 导体表面电荷所受到的力显然 在两侧连续 而在上反向等大再因为在导体内部并 得到 另 导体外表面的总电场为可见 如上结果是 麦克斯韦张力张量的直接结果 见后 验证了两种方法的正确性 虚功原理计算静电力 1 广义坐标g 度量场状态的独立参量广义力f 企图改变广义坐标的力 功 gf 在多导体系统中 导体p发生位移dg后 其功能关系为 外源提供能量 静电能量增量 电场力所作功 常电荷系统 K断开 表示取消外源后 电场力作功必须靠减少电场中静电能量来实现 虚功原理计算静电力 2 常电位系统 K接通 外源提供能量的增量 外源提供的能量有一半用于静电能量的增量 另一半用于电场力做功 根据f的 号判断力的方向 例试求图示平行板电容器极板的电场力 相同 负号表示电场力企图使d减小 吸引力 即电容增大 虚功原理计算静电力 3 电介质片受到的静电力的机理 边缘电场不均匀性的效应 板间的电场为E U d 设插入介质部分的宽度为x 则系统能量为 介质块所受的力为 介质被拉入电容中 导电板受到的力为 负号表示导电板受到的力为吸引力与前页结果一致 体积力与表面力 1 表面力 其中麦克斯韦张力张量 证明 作业 利用 有类似有 代入整理 得 体积力与表面力 2 例1 利用张量计算带电平板间的电力 吸引力 与虚位移法得到结果一致 说明场力可通过表面力 应力 来表示场力是由电力线传递力管以太说 后论 给出了实际计算电场力 净力 有效表达式 面积分较体积分容易计算注 积分面的可选择性 例2导体表面电荷所受的静电力 前页 作用在介质上的静电力 体积力 内应力 场致伸缩力 显现力 材料总体净余力 表达式 介质质量密度 第一项 电场作用与介质中自由电荷的显现力第二项 电场对不均匀介质的力 可用来计算介质分界面上的显现力第三项 场致伸缩力 内应力 可使材料变形或破裂 因为 注 与虚位移法的结果一致 作用在介质上的静电力 启示 能量变化 作功 广义力乘广义坐标 虚功原理 证明 课堂休息 3 有限空间电荷在远处电位 若电荷分布在有限的空间 空间的线度为 则该电荷分布对空间较远处产生的场 可以按小参量进行展开 原子核线度原子线度 将在处展开 原点在选在内 记 电位的多极展开 带电体系的电多极矩 电四极矩的另一定义 体系的电四极矩 或 讨论 有限空间电荷分布在远处产生的电位可表示成各多极矩电位的叠加 多极矩展开随阶数升高而减小 电偶极矩 原点对称的电荷分布 电偶极矩不为零 典型 等量正负电荷相距 此时 偶极源可粗略底表示 中性 带电体的场特征 外场的展开 可以将外场在有限尺度的电荷系统处展开 也可以写成矢量符号形式 外场中能量的级数形式 1 有限尺度的电荷系统在外场处能量 外场中能量的级数形式 2 外场与有限空间电荷系统的相互作用能可以表示成与各多极矩的相互作用能之和 电荷 零级矩 与外场相互作用能 电