电磁场与电磁波理论(第二版)(徐立勤-曹伟)第4章习题解答.doc

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第4章习题解答

4.1电导率为的均匀、线性、各向同性的导体球,半径为,其外表的电位分布为。试确定外表上各点的电流密度。

解:由于导体球的外部是空气,所有在导体球的外表只有切向分量,即

4.2如题4.2图所示平板电容器。板间填充两种不同的导电媒质,其厚度分别为和,两平板的面积均为。假设在两极板上加上恒定的电压。试求板间的电位、电场强度、电流密度以及各分界面上的自由电荷和电容器的漏电导。

解:理想电容器,满足的定解问题为

以及

由直接积分法可以得到电位的通解为

由和可以确定出及,那么上式电位的表达式为

利用电位在介质分界面的边界条件,那么确定出

因此电位分布为

而对应的电场强度和电位移矢量为

以及

根据静电比较法得到对平板电容器内恒定电场的电位为

电场强度为

电流密度矢量为

此时的电流称为电容器的漏电流,对应的电导称为电容器的漏电导,有

——极板的面积

,试求导电片上的电位分布以及导电片中各处的电流密度。

解:根据题意,定解问题为

以及

于是可以将通解直接选为

由得到,那么

由得到,即。因此

由得到,于是

再由可以得到

比较系数法可以得到,而其余的系数均为零。因此,导电片上电位分布为

利用和可以计算出导电片上各处电流密度分布为

4.4在电导率为的无限大导电媒质中流有电流密度的恒定电流。今沿轴方向挖一半径为的无限长圆孔。试求空间各处的电位、电场强度和电流密度。

解:在圆柱坐标系下,均匀电流密度产生的电位为,因此存在空腔的媒质中电位的定解问题为

以及

根据别离变量法可以得到问题的通解为

代入边界条件可以得到,,即

而电流密度为

4.5如题4.5图所示,厚度为的扇形弧片由两块大小相同但电导率不同的金属片构成。弧片的内外半径分别为和。当以和作为电极时,加上恒定的电压后,试求弧片上的电位分布、分界面上的面电荷密度以及极板间的电阻;假设以和作为电极,结果又如何?

解:弧片内电流只有分量,即,。根据边界条件可以得到,即。而

可以解得

金属片1中的电位分布为

金属片2中电位分布为

面电荷密度为

电流为

根据电阻的定义可得

当电极改置于内圆弧和外圆弧,那么,即,因此电位仅为的函数,

因此电位分布为

于是有

因此,总电流为

阻抗为

球形电容器的内球半径为,外球壳的内半径为。将两种不同的导电煤质分别填入两个半球,两种导电煤质的电导率分别为和。求该电容器的漏电阻。

解:设在上电位为,上电位为零。根据题意,电位仅为的函数,因此定解问题为

因此,通解为

根据边界条件可以得到

因此

在两种煤质中电流密度分别为

因此总电流为

于是电容器的漏电阻

4.8半径为的圆柱形导体内的磁场,试求导体中的总电流。

解:

4.14某一电流分布的矢量磁位为

求该电流分布及其对应的。

解:利用矢量磁位满足的泊松方程来求出电流分布为

由可以求出磁感应强度为

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