兰州大学姜孟瑞电动力学 2-1 标势及其方程PPT课件.ppt

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例3 求带电量Q、半径为a的导体球的静电场总能量。 整个导体为等势体, 导体球的电荷分布于球面上,由书中(1.14)式最方便。球面上的电势为 解: 因此静电场总能量为 * 静电场总能量也可以由书中(1.13)式求出。因为球内电场为零,故只须对球外积分 作业: 1. * 本章研究的主要问题: 本章内容: 电磁场的基本理论应用到最简单的情况:电荷静止,相应的电场不随时间而变化的情况。 在给定的自由电荷分布以及周围空间介质和导体分布的情况下,求解静电场。 第二章 静电场 * 1. 引入标势及其微分方程和边值关系 2. 唯一性定理 3. 分离变量法 4. 镜像法 5. 格林函数法 6. 电多级矩 本章具体内容: * §2.1 静电场的标势及其微分方程 若场与时间无关 所以静电场的理论基础就是: * 静电场的无旋性是它的一个重要特性,由于无旋性,电场强度E可以用一个标量场的梯度来表示,和力学中用势函数描述保守力场的方法一样。 一、静电场的标势 1. 电势差和电势 所以,静电场对电荷作功与路径无关。设C1和C2为连接P1和P2点的两条不同路径,则 * 将单位正电荷由P1点移到P2点,电场对它所作的功为: 这功就定义为P1和P2两点之间的电势差。即 如果 ,则 和 分别为P1点和P2点的电势。 所以任意一点P的电势为 * 注意: (1) 由定义,只有两点的电势差才有物理意义,某点上的电势的绝对数值是没有物理意义的。 (2) 某点电势的具体数值与零势点的选择有关,所以必须指明零势点的位置。 (3) 零势点的选择是任意的,在电荷分布于有限区域的情况下,可以选无穷远的电势为零。 (4) 一个具体问题中只能选一个零势点。 * 2. 电势与电场强度的关系 (1) 任意一点P的电势 给出了电势 与电场强度的积分关系,例如:真空中点电荷 激发的电场强度为 所以,若取无限远处电势为零。则任意一点的电势为: * 同样,点电荷组产生的电势为: 连续分布的电荷系统: * 所以 由以上讨论可知,若空间中所有电荷分布都给定,则电场强度和电势均可求出。但实际情况往往并不是所有电荷都能预先给定,因此,必须电荷与电场相互作用的微分方程。 (2) 电势与电场强度的微分关系 由 可得: 而 * 二、静电势的微分方程和边值关系 这就是泊松方程。 其中ρ为自由电荷密度。 1. 泊松(Poisson)方程 在简单介质中有: 将上式代入 得: 泊松方程是静电势满足的基本微分方程。给出 边界条件就可以确定电势 的解。在数学上 这称为边值问题。 * 2. 边值关系 将电场的边值关系 在两介质界面上,电势 必须满足边值关系。 化为用电势表示的边值关系。 如图把电荷沿法线方向移动 时,切线分量不做功。沿法线方向做功为零。 该式与 等价。 * 将 代入另一边值关系 得: 即: n从1指向2! * ① 导体内部不带电,电荷只能分布于导体表面上; 导体有它的特殊性,在导体表面上的边值关系有它特点: 设导体表面所带电荷面密度为σ,设它外面的介质电容率为ε,导体表面的边界条件为 2. 导体表面上的边值关系 ② 导体内部电场为零; ③ 导体表面上电场必沿法线方向,因此导体表面 为等势面,整个导体的电势相等。 常量 * 场的总能量可以用电荷和电势表示,在线性介质中静电场的总能量为: 三、静电场的能量 所以 由 和 得 * 式中右边第二项是散度的体积分,它可以化为面积分: 所以 积分区域V为ρ≠0的区域。 注意: (1) 上式只能用于计算静电场的总能量。 (2) 不是能量密度。 * 解: 例1 求均匀电场E0的电势。 均匀电场每一点强度E0相同,其电场线为平行直线。选空间任一点为原点,并设该点上的电势为φ0,那么任一点P处的电势为 其中x为P点的位矢。注意均匀电场可以看作由无穷大平行板电容器产生,其电荷分布不在有限区域内,因此不能选无穷远电势为零。 * 若选?0=0,则有 例2 解: 均匀带电的无限长直导线的电荷线密度为τ,求电势。 如图,设场点P到导线的垂直距离为R,电荷元τdz, 到P点的距离为 * 积分结果无穷大,无穷大的出现是由于电荷不是分布于有限区域内。 则 计算两点P和P0的电势差可以不出现无穷大。设P0点与导线的垂直距离为R0,则P点和P0点的电势差为 * 则 若选P0点为参考点,规定 , * 取 的负梯度得: 所以 *

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