第三章静电场边值问题.ppt

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3.1 边值问题的分类和解的唯一性定理 3.3 复变函数法 3.6格林函数法 ? 若 , 2、圆柱坐标系中的分离变量法(二维场) 利用 sin 函数的正交性来确定 。等式两端同乘 ,然后从 0到 a对 x积分 图3.4.3 接地金属槽内 的等位线分布 1)选定圆柱坐标,列出定解问题 (1) (2) (3) (4) 5) (6) 例1.5.2 在均匀电场 中,放置一根半径为a,介电常数为 的无限长均匀介质圆柱棒,它的轴线与 垂直。柱外是自由空间 。试求圆柱内外电位函数 和电场强度 的分布。 根据场分布的对称性 图3.4.4 均匀电场中的介质圆柱棒 3)解常微分方程,将各特解线性叠加得通解。 当 时, 当 时, 2)分离变量, 设 代入式(1)得 或 根据 根据 , 比较系数得 当 时, 4)利用给定边界条件确定积分常数。 根据场分布对称性 当 时, 通解中不含 的奇函数项, 解之,得 比较系数法: 当 时,得 当 时, , 则最终解 c)由分界面 的衔接条件,得 ? 介质柱内的电场是均匀的,且与外加电场E0平行。 因 , ,所以 。 ? 介质柱外的电场非均匀变化,但远离介质柱的区域,其电场趋近于均匀电场 。 图3.4.5 均匀外电场中介质 圆柱内外的电场 3.5点电荷密度的delta函数表示 3.5.1 delta 函数 Delta函数的定义 Delta的空间表示 图3.5.1 单位点电荷的密度分布 点电荷是电荷体分布的极限情况,可以把它看成是一个体积很小,电荷密度很大,总电量不变的带电小球体。 3.5.2 点源的delta函数表示 当 时,电荷密度趋近于无穷大,通常用冲击函数 表示点电荷的密度分布。对于位于空间r’带电量为q的点电荷,其电荷密度分布可以用Delta函数表示为: 根据真空中的泊松方程,该点电荷在空间激发的位场可以表示为: 3.6.1 泊松方程的积分形式 对于体积V内具有连续二阶导数的任意标量函数 ,有: 取 为待求电荷分布的电势分布,满足 取任意标量函数 代入格林公式可以得到: 当体积分包括场点,可以得到: 上式表明: 1、当积分区域趋于无穷时(这时区域包含所有可能的电荷分布),第二项的通量积分为零 ; 2、当积分区域仅包含部分电荷时,第一项表示区域内的电荷的贡献,第二项表示区域外的电荷激发的场,通过在边界上的行为影响区域内的电位分布; 3、当积分区域不包括电荷时,第一项为零,区域内的场完全区域外的电荷通过在边界上的行为影响区域内的电位分布。此即得到拉普拉斯方程的积分形式: * 边值问题的分类和解的唯一性定理 镜像法 复变函数法 分离变量法 点电荷密度的delta函数表示 格林函数法 第三章 静电场边值问题的解析解 为什么说第二类 边界条件 与导体上给定电荷分 布或边界是电力线的条 件是等价的? 3.1.1 静电场的边值问题 已知场域边界 上各点电位值 图3.1.1 边值问题框图 自然 边界条件 参考点电位 有限值 边值问题 微分方程 边界条件 场域 边界条件 分界面 衔接条件 第一类 边界条件 第二类 边界条件 第三类 边界条件 已知场域边界 上各点电位 的法向导数 一、二类边界条件的线性组合,即 边值问题 研究方法 计算法 实验法 作图法 解析法 数值法 实测法 模拟法 定性 定量 积分法 分离变量法 镜像法、电轴法 微分方程法 保角变换法 有限差分法 有限元法 边界元法 矩量法 模拟电荷法 数学模拟法 物理模拟法 图3.1.2 边值问题研究方法框图 例3.1.1 图示长直同轴电缆横截面。已知缆芯截面是一边长为2b的正方形,铅皮半径为a,内外导体之间电介质的介电常数为 ,并且在两导体之间接有电源 U0,试写出该电缆中静电场的边值问题。 解:根据场分布对称性,确定场域。 (阴影区域) 场的边值问题 图3.1.3 缆心为正方形的同轴电缆横截面 边界条件 积分之,得通解 例3.1.2 设有电荷均匀分布在半径为a的介质球型区域中,电荷体密度 为 ,试用解微分方程的方法求球体内、外的电位及电场。 解: 采用球坐标系,分区域建立方程 参考点电位 图3.1.4 体电荷分布的球形域电场 解得 电场强度(球坐标梯度公式): 对于一维场(场量仅仅是一个坐标变量的函数),只要对二阶常系数微分方程积分两次,得到通解;然后利用边界条件求得积分常数,得到电位的解;再由 得到电场强度E的分布。 电位: 2. 唯一性定理的重要意义 ? 唯一性定理为静电场问题的多种解法 镜像法、试探解、数值解、解析解等)提供了思路及理论根据。 3.1.2 静电场中解的唯一性定理 证明: (反证法) 3.2.1 点电荷对无限

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