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第二章 静电场 静止电荷产生的场——静电场. §2.l 静电场的标势及其微分方程 1. 静电场的标势 静电场是无旋场,故可引入标量场,静电势 取无穷远点电势为零 2. 静电势的微分方程和边值关系 静电场的问题?求解下列方程问题 有导体时的边值问题 在静止情况下, 导体的静电平衡条件为 (1)导体内部不带电,电荷只能分布于导体表面上; (2)导体内部电场为零; (3)导体表面上电场沿法线方向, 导体表面为等势面.整个导体的电势相等. 导体表面的边界条件为 3. 静电场能量 在线性介质中静电场的总能量为 仅对静电场成立,??/2不代表能量密度. ? ?1/r, D ?1/r2,面积 ?r2,r?? 电荷分布?所激发的电场总能量 1. 静电问题的唯一性定理 唯一性定理:设区域V内给定自由电荷分布 ,在边界S上给定 (i)电势 或 (ii)电势的法向导数 , 则V内的电场唯一地确定. 也就是说,在V内存在唯一的解,它在每个均匀区域内满足泊松方程,在两均匀区域分界面上满足边值关系,并在V的边界S上满足给定的?或??/?n值. §2.2 唯一性定理 唯一性定理的表述: 空间区域V 内静电场唯一确定的条件为: (1)在区域 V中每个均匀的子区域 Vi 内满足泊松方程: (2) 在区域 V 中每两个子区域边界上满足边值条件: (4) 给定区域V 表面上? 或??/?n 之值. (3) 已知区域V内的电荷密度 ?,? ; 2. 有导体存在时的唯一性定理 导体的静电平衡条件: 导体内部电场为零,导体是等势体 电荷以面电荷形式分布于表面 对于第一类边界条件,只要把导体存在的空间扣除,将导体看成是区域边界之一,即可证明电场被唯一确定. 两类边界条件: 第一类:给定导体表面上的 ??i/?n 或 ?i 第二类:给定每个导体上的电荷 Qi 对于第二类边界条件,在导体外,电荷分布给定,大区域表面上电势或电势的法向导数给定;每个导体上的总电荷给定. §2.3 分离变量法解拉普拉斯方程 泊松方程 产生电场的电荷分布在区域的边界上, 其作用通过边界条件反映出来. 这类问题的解法是求解拉普拉斯方程的满足边界条件的解. 拉普拉斯方程 球坐标系下拉普拉斯方程的通解: 若系统具有轴对称性,取对称轴为z轴, 唯一性定理 具有边界条件的泊松方程求解是很困难的. 电场分布 区域内只有一个或几个点电荷,区域边界是导体或介质界面时求解电场分布的一种特殊方法--镜像法. 尝试解 Q Q’ + + + + 点电荷Q的映像 代换满足边界条件 代换没有改变电荷分布 泊松方程不变 假想电荷代替感应电荷分布 问题解决 §2.4 镜像法 电荷为Q的点电荷密度: ?函数应具有下面性质: ?函数的选择性质: §2.5 格林函数 1. 点电荷密度的?函数表示 位于 点的单位点电荷产生的电势满足泊松方程: 加上边界条件: 则?在S为边界的区域V中,有唯一的解. 称此解为此区域内的格林(Green)函数. 2. 格林函数 第一类格林函数: 第二类格林函数: 设区域V内有两个函数?和?: ——格林(Green)公式 利用格林函数求解静电场 边界条件和电荷对空间电场的贡献可以分离,具有叠加性质 3. 格林公式 §2.6 电多极矩 真空中给定电荷密度激发的电场电势为 体系的电荷 体系的电偶极矩 体系的电四极矩 电荷(零极矩)与外场相互作用能: 电偶极矩与外场相互作用能: 电四极矩与外场相互作用能: 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: * * * * * 这是书上唯一性定理的表述 §2 唯一性定理 一、绝缘介质情形的唯一性定理 静电学的基本问题:求满足边界条件的泊松方程的解. 问题:在什么样的边界条件下,电场是唯一的? * 唯一性定理也可以表述为 注:1)在数学上矢量场的唯一性定理:一个矢量场被它的 散度、旋度和边值条件唯一确定; 2)上述条件决定的静电势可以相差一个常数,它们对应同一个电场. * * * * * * * * * * * * 这是书上唯一性定理的表述 §2 唯一性定理 一、绝缘介质情形的唯一性定理 静电学的基本问题:求满足边界条件的泊松方程的解. 问题:在什么样的边界条件下,电场是唯一的? * 唯一性定理也可以表述为 注:1)在数学上矢量场的唯一性定理:一个矢量场被它的 散度、旋度和边值条件唯一确定; 2)上述条件决定的静电势可以相差一个常数,它们对应同一个电场. * * * * * * *
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