NO.9-10 第二章 静电场--泊松方程和拉普拉斯方程.ppt

静电场计算中的两类问题,已知场空间分布，求源电荷分布,利用高斯定理的微分形式,已知源电荷分布，求空间场分布,边值问题,利用高斯定理的积分形式（当电场分布具有某种空间对称性）,直接法,间接法,2.5泊松方程和拉普拉斯方程,微分形式：,积分形式:,2.5.1静电场的基本方程,本构关系:,线形、各向同性媒质,静电场:无旋有散场,2.5.2泊松方程和拉普拉斯方程,电位满足的泊松方程,当场中无电荷分布(即)的区域:,拉普拉斯方程,拉普拉斯算子,拉普拉斯算子在不同坐标系中的计算公式,直角坐标系中:,圆柱坐标系中:,球坐标系中:,四.一维泊松方程的求解,P.66例2-9例2-10,例1设有一个半径为a的球体,其中均匀充满体电荷密度为v(C/m3)的电荷,球内外的介电常数均为0,试用电位微分方程,求解球内、外的电位和电场强度。解：设球内、外的电位分别为1和2,1满足泊松方程,2满足拉普拉斯方程,由于电荷均匀分布,场球对称,所以1、2均是球坐标r的函数。;,(1)分别列出球内、外的电位方程:,当ra时,当ra时,将上述两个方程分别积分两次可得1、2的通解:,(2)根据边界条件,求出积分常数A、B、C、D:边界条件是:;r=a,1=2;r=a,r,2=0(以无限远处为参考点);r=0,(因为电荷分布球对称,球心处场强E1=0,即Er=0)。由上述条件,确定通解中的常数:,例2如图所示三个区域,它们的介电常数均为0,区域2中的厚度为d(m),其中充满体电荷密度为v(C/m3)的均匀体电荷,分界面为无限大。试分别求解、区域的位函数与电场强度。,平板形体电荷的几何关系,解设、区域的电位函数分别为1(y)、2(y)、3(y)。(1)分别列出三个区域的电位方程。在、两个区域内电位满足拉普拉斯方程,而第区域的电位满足泊松方程:,将上面三个方程分别分两次可得,由场分布的y=0平面对称性，可知3(y)=1(-y)，所以我们只需求解1和2，也就是只要根据边界条件确定常数C1、C2、C3、C4。,(2)由边界条件确定常数:边界条件为:,时,1=2;,(交界面上无自由面电荷);,y=0,2=0因体电荷板无限大,不能选择无限远处为参考点,这里选择y=0处为参考点。,由场分布的对称性,2(y)=2(-y);由条件、可得:,由条件可得,根据公式,可求得三个区域的电场分布:,场量在不同媒质分界面上各自满足的关系将场量在分界面上分解成:法向normal分量(以下标n表示)-垂直于分界面切向tangency分量(以下标t表示)-平行于分界面,由静电场基本方程的积分形式:,2.6分界面上的边界条件,两种不同媒质分界面的边界条件,两种不同媒质分界面的边界条件,法向边界条件,切向边界条件,法向边界条件,一.D满足的边界条件,若界面上无自由电荷分布，即在S=0时:,结论:若两种媒质交界面上有自由电荷,则D的法向分量不连续,高斯通量定理,(1)第一媒质是电介质,第二媒质是导体;静电场中导体内部电场为零,故,两种特殊情况,(2)两种介质都是电介质,且分界面上没有自由电荷,即s=0,则,即,结论:当12时,E的法向分量不连续,其原因是交界面上有束缚面电荷密度,结论：在介质交界面上,电场强度的切向分量始终连续,或,静电场的无旋性:,二.E满足的边界条件,三.电位满足的边界条件,(1)第一媒质是电介质,第二媒质是导体;,(2)两种介质都是电介质,且分界面上没有自由电荷,即s=0,则,电场方向在交界面上的曲折,两式相除:,改写:,四、介质分界面上电场方向的关系,边界条件:,当两种介质分界面上没有自由电荷,即s=0,则,-静电场的折射定理,边界条件,构成边值问题必不可少的条件;判断不同媒质界面两侧场量的大小、方向及连续、突变;,例1同心球电容器的内导体半径为a，外导体的内半径为b，其间填充两种介质，上半部分的介电常数为1，下半部分的介电常数为2，如图所示。设内、外导体带电分别为q和-q，求内外导体之间空间的电位移矢量和电场强度。,Er1,Er2,Er2,Er1,解：,在半径为r的球面上作电位移矢量的面积分，有,例3.11如图所示,两个无限长同轴圆柱,内、外导体半径分别为a和b,两导体间部分填充介电常数为的电介质,内外导体间的电压为U0。图(a)中电介质与空气分界面的半径为c;图(b)中01间部分填充电介质。试对该二同轴线分别求出:(1)内、外导体间的电场强度E及电通量密度D;(2)导体表面上单位长度的带电量l。,解因为同轴圆柱是轴对称结构,故只有沿半径方向的电场。图(a)结构中,电场垂直于介质与空气的交界面,根据两介质交界面上法向分量电通量密度相等的边界条件,可知道不同介质内D的表示式相同。而在图(b)结构中,电场平行于介质与空气交界面,由交界面上电场强度切向分量连续的边界条件,得知不同介质内E的表示式相同。,(1)图(a)结构:当=c时,令内、外导体表面