電磁場與波 靜電場和恒定電場

電磁場與波靜電場和恒定電場第1頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1電場強(qiáng)度與電位函數(shù)ElectricFieldIntensity&ElectricPotential

庫侖定律電場強(qiáng)度電位函數(shù)

電偶極子第2頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月1、庫侖定律（Coulom’sLaw）真空中的介電常數(shù)（電容率）2、電場強(qiáng)度（ElectricFieldIntensity）例：兩個(gè)點(diǎn)電荷位于（1，0，0）和（0，1，0），帶電量分別為20nC和-20nC，求（0，0，1）點(diǎn)處的電場強(qiáng)度第3頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月分布電荷的電場強(qiáng)度（1）線電荷（2）面電荷（3）體電荷線電荷密度（ChargeLineDensity）：當(dāng)電荷分布在一細(xì)線（其橫向尺寸與長度的比值很?。┥蠒r(shí)，定義線電荷密度為單位長度上的電荷當(dāng)電荷分布在一個(gè)表面上時(shí)，定義面電荷密度為單位面積上的電荷面電荷密度（ChargeArealDensity）：體電荷密度（ChargeVolumeDensity）：設(shè)電荷以體密度ρV(r′)分布在體積V內(nèi)。在V內(nèi)取一微小體積元dV′，其電荷量dq=ρV(r)dV′，將其視為點(diǎn)電荷，則它在場點(diǎn)P(r)處產(chǎn)生的電場為第4頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

例有限長直線l上均勻分布著線密度為ρl的線電荷,如下圖所示，求線外一點(diǎn)的電場強(qiáng)度。

有限長直線電荷的電場

無限長線電荷的場

第5頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月解題思路（步驟）：1.根據(jù)電荷分布形狀，以及它與所求點(diǎn)電場之間的相對(duì)位置關(guān)系，選擇并建立坐標(biāo)系。2.確定源點(diǎn)、場點(diǎn)，及其位置矢量，距離矢量。3.代入電場強(qiáng)度計(jì)算式，確定積分上下限，求解。例一個(gè)均勻帶電的環(huán)形薄圓盤，內(nèi)半徑為a，外半徑為b，面電荷密度為，求z軸上任意一點(diǎn)的電場強(qiáng)度第6頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月3、電位函數(shù)（ElectricPotential）在靜電場中，某點(diǎn)P處的電位定義為把單位正電荷從P點(diǎn)移到參考點(diǎn)Q的過程中靜電力所作的功。若正試驗(yàn)電荷qt從P點(diǎn)移到Q點(diǎn)的過程中電場力作功為W，則P點(diǎn)處的電位為“—”負(fù)號(hào)的物理意義：電位的增加總是朝著抗拒電場強(qiáng)度的方向；電場強(qiáng)度的方向總是垂直于電位面，并從電位高處指向電位低處。第7頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月第8頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月例真空中一個(gè)帶電導(dǎo)體球，半徑為a，所帶電量為Q，試計(jì)算球內(nèi)外的電位與電場強(qiáng)度。

孤立帶電導(dǎo)體球的場

帶電導(dǎo)體球的場分布

第9頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

電偶極子是指相距很近的兩個(gè)等值異號(hào)的電荷。2.1.4電偶極子

定義電偶極矩矢量的大小為p=qd，方向由負(fù)電荷指向正電荷，即

則P點(diǎn)的電位可以寫成下列形式:

第10頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月取負(fù)梯度得電偶極子在P點(diǎn)處的電場強(qiáng)度為

電偶極子的電場線

第11頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月第12頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.2靜電場的基本方程

用散度描述電場：用旋度描述電場：

庫侖定律電場強(qiáng)度電通密度（電感應(yīng)強(qiáng)度）電通量高斯定律電位函數(shù)靜電場的旋度電場力做功第13頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.1電通密度與電通量電通密度電通量電感應(yīng)強(qiáng)度，或電位移矢量真空中，它與電場強(qiáng)度的關(guān)系：（即通量的概念在電場中的應(yīng)用）所以，表示單位面積上的電通量，稱為電通密度。第14頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.2靜電場的高斯定律（Gauss’law）定義：從閉合面內(nèi)發(fā)出的總電通量，等于面內(nèi)所包圍電荷總電量。積分形式微分形式靜電場是有散的

散度與場源的關(guān)系

此式說明：空間任意存在正電荷密度的點(diǎn)，都發(fā)出電通量線（即電力線）第15頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月例：用高斯定律求孤立點(diǎn)電荷q在任意點(diǎn)P點(diǎn)產(chǎn)生的電場強(qiáng)度第16頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月用散度描述電場：用旋度描述電場：

庫侖定律電場強(qiáng)度電通密度（電感應(yīng)強(qiáng)度）電通量高斯定律電位函數(shù)靜電場的旋度電場力做功所以，靜電場中電場強(qiáng)度的旋度恒為零，即靜電場為無旋場（保守場）第17頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié)用散度描述電場：用旋度描述電場：

庫侖定律電場強(qiáng)度電通密度（電感應(yīng)強(qiáng)度）電通量高斯定律電位函數(shù)靜電場的旋度電場力做功積分形式微分形式第18頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月靜電場屬于有散無旋場基本方程的總結(jié)

微分形式積分形式第19頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3電介質(zhì)的極化與電通量密度一、靜電場中的物質(zhì)二、電介質(zhì)中的基本方程1.靜電場中的導(dǎo)體（如金屬）2.靜電場中的半導(dǎo)體（如硅和鍺）3.靜電場中的電介質(zhì)（即絕緣體，如空氣，瓷）（1）導(dǎo)體內(nèi)部任何一點(diǎn)的場強(qiáng)都等于零（2）電荷只分布在導(dǎo)體的外表面上（3）導(dǎo)體成為一個(gè)等位體，即導(dǎo)體表面電位處處相等。靜電場中半導(dǎo)體與導(dǎo)體的表現(xiàn)沒有區(qū)別。極化的結(jié)果在電介質(zhì)的內(nèi)部和表面形成極化電荷，這些極化電荷在介質(zhì)內(nèi)激發(fā)與外電場方向相反的電場第20頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月第21頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月第22頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月線性、均勻、各向同性的電介質(zhì)中，電通密度與電場強(qiáng)度之間的關(guān)系(也稱媒質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系）：其中：

因而，任何電介質(zhì)中，靜電場的方程，只要將前面得出的方程中的介電常數(shù)換成即可。第23頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4導(dǎo)體的電容一、電容器與電容

二、電容計(jì)算應(yīng)用舉例——綜合題目儲(chǔ)存電荷的容器稱為電容器,相互接近而又相互絕緣的任意形狀導(dǎo)體都可構(gòu)成電容器。電容：一個(gè)導(dǎo)體上的電荷量與此導(dǎo)體相對(duì)于另一導(dǎo)體的電位之比,單位是法拉（F）.第24頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月1.平行雙導(dǎo)線，單位長度的電容2.同軸線內(nèi)外導(dǎo)體間，單位長度的電容3.孤立導(dǎo)體的電容第25頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5靜電場的邊界條件1、電通密度的法向分量(即垂直于分界面的分量），滿足的邊界條件。2、電場強(qiáng)度的切向分量（即平行于分界面的分量），滿足的邊界條件。決定分界面兩側(cè)電場變化關(guān)系的方程稱為靜電場的邊界條件，即電場在兩種不同媒質(zhì)分界面上變化的規(guī)律。

第26頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月電通密度的法向分量，滿足的邊界條件物理意義：靜電場中，如果不同媒質(zhì)分界面上存在自由面電荷密度，則電通密度的法向分量不連續(xù)。第27頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.電場強(qiáng)度的切向分量，滿足的邊界條件物理意義：靜電場中不同媒質(zhì)分界面上,電場強(qiáng)度的切向分量總是連續(xù)的。第28頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）兩種不同電介質(zhì)之間的分界面：（2）電介質(zhì)與導(dǎo)體之間的分界面：

界面上無自由電荷分布，即ρS=0，邊界條件變?yōu)?/p>

當(dāng)媒質(zhì)2為導(dǎo)體時(shí)，物理意義：導(dǎo)體表面上的靜電場，總是垂直于導(dǎo)體表面第29頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月Exm1.靜電場中，介電常數(shù)分別為和的兩種電介質(zhì)被一平面分割開，如下圖所示，若、分別是、與分界面法線的夾角，求、之間的關(guān)系。第30頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月Exm2.平行板電容器的長和寬分別為a和b，板間距離為d，電容器的一半厚度(0-d/2)用介電常數(shù)為ε的玻璃填充，另一半為空氣。若板上外加電壓為U0:(1)分別求出有介質(zhì)填充(0-d/2)區(qū)域和無填充(d/2-d)區(qū)域中的電場強(qiáng)度;(2)板上及分界面上的自由面電荷密度;(3)電容器的電容量;第31頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月Exm3.在圖示球形電容器中，對(duì)半地填充有介電系數(shù)分別為和的兩種均勻介質(zhì)，兩介質(zhì)交界平面是以球心為中心的圓環(huán)面。在內(nèi)、外導(dǎo)體間施加電壓U時(shí)，試求：（1）電容器中的電位函數(shù)和電場強(qiáng)度；（2）內(nèi)導(dǎo)體兩部分表面上的自由電荷密度。第32頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.6恒定電場一、電流與電流密度二、恒定電場的基本方程三、恒定電場的邊界條件第33頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月1、電流的定義電荷在電場作用下作定向運(yùn)動(dòng)形成電流。單位為安培A通過媒質(zhì)中某點(diǎn)的電荷的傳輸速率，定義為電流，即恒定電流（直流電流）第34頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2、電流密度矢量(單位是A/m2)—體電流密度假定體電荷密度為的電荷以速度沿某方向運(yùn)動(dòng)，如下圖所示。設(shè)在垂直于電荷流動(dòng)的方向上取一面積元，若流過的電流為ΔI，則定義電流密度矢量的大小為單位面積上穿過的電流，方向?yàn)殡娏鞯牧飨蛟撌奖砻?，電流密度與電流I的關(guān)系是一個(gè)矢量場與它的通量的關(guān)系；或者說電流是電流密度矢量場的通量。

在導(dǎo)電媒質(zhì)中，體電流密度與電場強(qiáng)度的關(guān)系：其中，表示導(dǎo)電媒質(zhì)的電導(dǎo)率,電導(dǎo)率的值越大，表示媒質(zhì)導(dǎo)電性能越好。第35頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月二、恒定電場的基本方程

電流密度矢量

電荷守恒定理

電流連續(xù)性方程用旋度描述：

電場力做功電場的旋度電位函數(shù)分兩條主線討論，用散度描述：電荷既不能創(chuàng)造，也不能毀滅，而只能轉(zhuǎn)移。

單位時(shí)間內(nèi)由閉合面S流出的電流應(yīng)等于單位時(shí)間內(nèi)S面內(nèi)電荷的減少量。

第36頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月積分形式散度定理微分形式電流連續(xù)性方程恒定電流連續(xù)性方程:第37頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

電流密度矢量電荷守恒原理電流連續(xù)性方程恒定電流場的基本方程——小結(jié)1用散度描述：方程表明：恒定電流電場是無散場，即導(dǎo)電媒質(zhì)中有恒定電流通過時(shí)，其內(nèi)部電流密度是連續(xù)的。

積分形式微分形式第38頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

電流密度矢量

電荷守恒原理

電流連續(xù)性方程用旋度描述：電場力做功電場的旋度電位函數(shù)分兩條主線討論，二、恒定電流場的基本方程用散度描述：積分形式微分形式拉普拉斯方程第39頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月表明：恒定電流電場屬于無散無旋場二、恒定電流電場的基本方程——總結(jié)

在電源外的導(dǎo)體內(nèi),恒定電場的基本方程為：

微分形式積分形式第40頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月三、恒定電場的邊界條件電場在兩種不同媒質(zhì)分界面上變化的規(guī)律。決定分界面兩側(cè)電場變化關(guān)系的方程——稱為邊界條件。1.電流密度的法向分量，滿足的邊界條件2.電場強(qiáng)度的切向分量，滿足的邊界條件第41頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月電流密度的法向分量，滿足的邊界條件根據(jù)電流連續(xù)性方程：表明：電流密度的法向分量在分界面上是連續(xù)的。第42頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.電場強(qiáng)度的切向分量，滿足的邊界條件根據(jù)恒定電流電場的環(huán)量：表明：分界面上電場強(qiáng)度的切向分量總是連續(xù)的。第43頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月導(dǎo)體中的恒定電流電場與無荷區(qū)的靜電場之間，具有相似性。體現(xiàn)在：只要把就可以從恒定電流電場的方程，變?yōu)闊o荷區(qū)靜電場的方程，反之亦然。第44頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月導(dǎo)電媒質(zhì)中的恒定電流電場，與非導(dǎo)電媒質(zhì)中無電荷區(qū)的靜電場在性質(zhì)上很相似。我們常用

矢量代替

矢量，用

代替