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第一节静电场的标势及其微分方程.doc
第 静电场的标势及其微分方程
教学目的:基于Maxwell’s Equations定义出电标势,并推导出静电标势满足的微分方程——Poisson方程。
重难点:电标势的定义及其微分方程。
教学方法与手段:多媒体+课堂板书讲授。
教学内容:
本章研究内容主要是:在给定的自由电荷分布及其周围空间介质和导体分布的情况下,如何求解电场。需要注意有一下两点:
电荷静止,也就是
电场不随时间变化,也就是
本章研究上面问题采用的方法有一下几种:分离变量法、镜像法、格林函数法、电多极矩法。
采用这些解法的依据是:唯一性定理。
1、电场的标势和微分方程(Scalar Potential and Differential Equation for Electrostatic)
静电现象满足以下两个条件:其一是电荷静止不动;其二是场量不随时间变化。故
(3.1)
把静电条件代入Maxwell’s Equations,即可得电场满足的方程为
(3.2)
这两方程连同介质的电磁性质方程是解决静电问题的基础。
根据电场方程(即电场的无旋性),可以引入一个标势。
在电磁学中,已知,因为相距为两点的电势差为
(3.3)
由于
(3.4)
所以
(3.5)
又因为在均匀各向同性的介质中有,则
(3.6)
这里,所以可得
(3.7)
即
(3.8)
此方程称为Poisson方程。
若在无源区即,上式化为:
(3.9)
此方程为Laplace方程。
在各种不同条件下,求解Poisson方程是处理静电问题的基本途径。
2.静电场的基本问题(The Fundamental Problems of Electrostatic Field)
如果电荷是连续分布的,则观察点处的标势为:
(3.10)
这个式子只反映了电荷激发电场这一方面,而没有反映电场对电荷的作用另一方面。
如果空间还有导体存在的话,那么物理机制为考虑到感应情况,以上问题的模拟是:
现在,只要找出一个电荷对它邻近的电场是怎样作用的,一点上的电场和它邻近的电场又是怎样联系的,即要找出电荷和电场相互作用规律的微分形式,而在导体表面或其他边界上场和电荷的相互作用关系则由边值关系和边界条件反映出来,称之为边值问题。
在介质的分界面上,电场满足的边值关系为
(3.11)
且为电势所满足的边值关系:
在介质分界面附近取两点1和2,而所以
(3.12)
由于,故,且;即在界面上,电势是连续的。
注意:
可以代替,也就是可以代替。
证明:
因为
可见
而
故有
可得
另外,由方程可得:
即
也就是说,在两种不同介质的分界面上,电势满足的关系为
(3.13)
(2)在介质与导体的分界面上的情况
由于静电平衡条件,我们知道:
导体内部,导体表面上的场强与表面垂直导体是等势体;导体内无电荷分布,电荷只分布在导体的表面上。
因此,在导体与介质的分界面上;
即有
归纳起来,静电场的基本问题是:求出在每个区域(均匀)内满足Poisson方程,在所有分界面上满足边值关系和在所研究的整个区域边界上满足条件的电势的解。
3、利用静电势来描述静电场的能量(Describing the Energy of Electrostatic by Using the Scalar Potential of Electrostatic Field)
已知在线性介质中静电场的总能量为
(3.14)
在静电情形下,能量W可以用电势和电荷表示。由可得
(3.15)
因此
(3.16)
即
(3.17)
若我们考虑的势体系的总能量,则上式的体积分是对全空间进行的。那么上式右边第二项的面积分是对无穷大的闭合曲面进行的。有限的电荷体系在无穷远处的电势,电场,而面积~r2,故在r 时,面积分项的值等于零,故有
(3.18)
讨论:对的使用需要注意以下几点
适用于静电场,线性介质;
适用于求总能量(如果求某一部分能量时,面积分项);
不能把看成是电场能量密度,它只能表示能量与存在着电荷分布的空间有关。真实的静电场能量是以密度的形式在空间连续分布,场强大的地方能量也大;
中的
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