哈工大電磁場(chǎng)課件

工程電磁場(chǎng)導(dǎo)論哈爾濱工業(yè)大學(xué)電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/212電偶極子的電力線電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/213電偶極子的等位面電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/214電偶極子電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/215電偶極子電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/216電阻率大于1010

·cm的一類材料就稱為絕緣體。電介質(zhì)的含義比絕緣體要廣泛。絕緣材料的作用是不導(dǎo)電和耐高壓。絕緣材料在電場(chǎng)中被極化后表現(xiàn)出介電性質(zhì)，利用這一性質(zhì)的絕緣材料就被稱為介電材料。電介質(zhì)就是絕緣體對(duì)嗎？？？電介質(zhì)電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/217金屬導(dǎo)體自由電子傳導(dǎo)電介質(zhì)束縛電荷感應(yīng)電介質(zhì)電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/218材料在電場(chǎng)中被極化后表現(xiàn)出介電性質(zhì)，利用這一性質(zhì)的材料就被稱為介電材料。與金屬不同，介電材料內(nèi)部沒(méi)有電子的共有化，從而不存在自由電子，只存在束縛電荷，即通過(guò)極化過(guò)程來(lái)傳遞和記錄電子信息，與此同時(shí)伴隨著各種特征的能量損耗過(guò)程。因此，電介質(zhì)是以感應(yīng)而非傳導(dǎo)的方式來(lái)傳遞電磁場(chǎng)信息。二、電介質(zhì)的極化

電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/219二、電介質(zhì)的極化

電介質(zhì)的極化現(xiàn)象

電介質(zhì)中，原子、分子或離子中的正負(fù)電荷以共價(jià)鍵或離子鍵的形式被相互強(qiáng)烈地束縛著，通常稱為束縛電荷。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)使偶極分子混亂取向，介質(zhì)在各個(gè)方向上的分子偶極矩矢量和為零。在外電場(chǎng)作用時(shí)，偶極分子將沿電場(chǎng)方向偏轉(zhuǎn)定向，這時(shí)電介質(zhì)內(nèi)部分子偶極矩的矢量和就不再是零，整個(gè)電介質(zhì)對(duì)外感生出宏觀偶極矩。這種在外電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)中出現(xiàn)有序排列的電偶極子，表面上出現(xiàn)束縛電荷的現(xiàn)象，稱為電介質(zhì)的極化。電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/2110二、電介質(zhì)的極化

電介質(zhì)極化的機(jī)理

電介質(zhì)極化現(xiàn)象，歸根結(jié)底是電介質(zhì)中的微觀荷電粒子在電場(chǎng)作用下，電荷分布發(fā)生變化而導(dǎo)致的一種宏觀統(tǒng)計(jì)平均效應(yīng)。按照微觀機(jī)制，可歸納為以下幾種基本形式，即電子位移極化、離子位移極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化和空間電荷極化。不同結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)，可能存在著完全不同的極化形式。有些電介質(zhì)可能只具有一種極化形式，也有的可能具有其中的兩種或兩種以上的極化形式，甚至還有可能上述幾種極化同時(shí)存在于一種電介質(zhì)中。電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/2111二、電介質(zhì)的極化

電介質(zhì)極化的機(jī)理

－電子位移極化電介質(zhì)中原子、分子和離子等任何粒子，在電場(chǎng)作用下都能感生一個(gè)沿電場(chǎng)方向的感應(yīng)偶極矩。這是由于在電場(chǎng)的作用下，粒子中的電子云相對(duì)于原子核發(fā)生位移引起的，因此稱為電子位移極化，該極化存在于一切介質(zhì)之中。電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/2112電子位移極化示意圖

無(wú)電場(chǎng)時(shí)有電場(chǎng)時(shí)在電場(chǎng)的作用下原子核周圍的電子云發(fā)生偏轉(zhuǎn)原子核和電子云重心重合呈現(xiàn)偶極矩電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/2113二、電介質(zhì)的極化

電介質(zhì)極化的機(jī)理

－離子位移極化在離子晶體和玻璃等無(wú)機(jī)介質(zhì)中，正負(fù)離子處于平衡狀態(tài)，其偶極矩的矢量和為零，但在電場(chǎng)作用下，這些離子除產(chǎn)生電子位移極化外，離子本身還將發(fā)生可逆的彈性位移。正離子沿電場(chǎng)方向移動(dòng)，負(fù)離子沿反電場(chǎng)方向移動(dòng)，形成感應(yīng)偶極矩，這就是離子位移極化。電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/2114離子位移極化示意圖

有電場(chǎng)時(shí)在電場(chǎng)的作用下晶格發(fā)生畸變無(wú)電場(chǎng)時(shí)電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/2115二、電介質(zhì)的極化

電介質(zhì)極化的機(jī)理

－偶極子轉(zhuǎn)向極化非晶態(tài)極性有機(jī)電介質(zhì)的分子或分子鏈節(jié)具有一定的固有偶極矩，可以把它們看成是偶極子，這種電介質(zhì)在沒(méi)有外電場(chǎng)作用時(shí)，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)使偶極分子或鏈節(jié)作混亂排布，分子的偶極矩在空間各個(gè)方向取向的機(jī)率相同，介質(zhì)對(duì)外不顯極性，宏觀偶極矩為零。在外電場(chǎng)作用下，偶極子要受到電場(chǎng)轉(zhuǎn)矩的作用，而沿電場(chǎng)方向取向，從而形成沿電場(chǎng)方向的宏觀偶極矩，這就是偶極子轉(zhuǎn)向極化。電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/2116偶極子轉(zhuǎn)向極化示意圖

電場(chǎng)作用于偶極子的轉(zhuǎn)矩電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/2117二、電介質(zhì)的極化

電介質(zhì)極化的機(jī)理

－空間電荷極化當(dāng)介質(zhì)中存在著少量自由電荷載流子(正負(fù)離子和電子)時(shí)，在外電場(chǎng)作用下，載流子將移動(dòng)而使介質(zhì)有微小的漏導(dǎo)電流。由于實(shí)際介質(zhì)往往是結(jié)構(gòu)不均勻的材料，如電子陶瓷就是一個(gè)典型的多相系統(tǒng)，它既有結(jié)晶相，同時(shí)也會(huì)有玻璃相和氣相，各相間的介電性能也不完全相同，因而載流子有可能被阻止在這些相的界面上，形成空間電荷的局部積累。使介質(zhì)中電荷分布不均勻，從而產(chǎn)生電矩，發(fā)生極化，這種現(xiàn)象稱為空間電荷極化或界面極化。電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/2118空間電荷極化示意圖

－－+++－－電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/2119電介質(zhì)極化的機(jī)理

電子極化起因于具有正電荷的原子核和包圍原子核的電子云的負(fù)電荷中心位置發(fā)生錯(cuò)開(kāi)引起的極化。離子極化轉(zhuǎn)向極化(趨向極化)空間電荷極化(界面極化)在離子晶體中，由帶正電的原子和帶負(fù)電的原子的相對(duì)位置發(fā)生錯(cuò)開(kāi)而引起的極化。具有永久偶極子的分子，由于偶極子轉(zhuǎn)向電場(chǎng)方向而引起的極化。電介質(zhì)不均勻時(shí)產(chǎn)生的極化。彈性可逆，無(wú)能量損耗不可逆，伴隨能量損耗電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/2120靜電場(chǎng)的基本方程☆靜電場(chǎng)是一個(gè)無(wú)旋、有源場(chǎng)，靜止電荷就是靜電場(chǎng)的源。這兩個(gè)重要特性用簡(jiǎn)潔的數(shù)學(xué)形式為：電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/2121解：根據(jù)靜電場(chǎng)的旋度恒等于零的性質(zhì),例題：已知試判斷它能否表示個(gè)靜電場(chǎng)？

對(duì)應(yīng)靜電場(chǎng)的基本方程，矢量A可以表示一個(gè)靜電場(chǎng)。能否根據(jù)矢量場(chǎng)的散度來(lái)判斷該矢量場(chǎng)是否是靜電場(chǎng)?靜電場(chǎng)的基本方程電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/2122靜電場(chǎng)的基本方程泊松方程拉普拉斯方程——拉普拉斯算子電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/2123分界面上的銜接條件分界面兩側(cè)E的切向分量連續(xù)。分界面兩側(cè)的D的法向分量不連續(xù)。圖2在電介質(zhì)分界面上應(yīng)用環(huán)路定律則有根據(jù)根據(jù)，則有圖1在電介質(zhì)分界面上應(yīng)用高斯定律已知場(chǎng)域邊界上各點(diǎn)電位值自然邊界條件參考點(diǎn)電位有限值邊值問(wèn)題微分方程邊界條件場(chǎng)域邊界條件分界面銜接條件第一類邊界條件第二類邊界條件第三類邊界條件已知場(chǎng)域邊界上各點(diǎn)電位的法向?qū)?shù)一、二類邊界條件的線性組合，即電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/2125唯一性定理在靜電場(chǎng)中凡滿足電位微分方程和給定邊界條件的電位解，是給定靜電場(chǎng)的唯一解，稱為靜電場(chǎng)的唯一性定理。意義：(1)指出決定場(chǎng)分布的因素(方程+邊界條件)；(2)

唯一性定理為靜電場(chǎng)問(wèn)題的多種解法(試探解、數(shù)值解、解析解等）提供了思路及理論根據(jù)。電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/2126唯一性定理2.唯一性定理的重要意義例題：圖示平板電容器的電位，哪一個(gè)解答正確？答案：（C

）圖

平板電容器外加電源U0邊值問(wèn)題研究方法解析法數(shù)值法實(shí)測(cè)法模擬法定性定量積分法分離變量法鏡像法、電軸法微分方程法保角變換法有限差分法有限元法邊界元法矩量法模擬電荷法數(shù)學(xué)模擬法物理模擬法邊值問(wèn)題研究方法框圖計(jì)算法實(shí)驗(yàn)法作圖法電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/2128鏡像法將待求場(chǎng)區(qū)域邊界上的感應(yīng)電荷分布用一些該區(qū)域外，而且能保證邊界條件不變的集中虛設(shè)電荷來(lái)代替，用這些虛設(shè)電荷（鏡像電荷）與原電荷共同計(jì)算場(chǎng)分布。此法的正確性有唯一性定理來(lái)保證。三要素：鏡像電荷的個(gè)數(shù)、位置、電量大小和符號(hào)電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/2129鏡像法—平面鏡像點(diǎn)電荷與導(dǎo)體平面電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/2130鏡像法—平面鏡像點(diǎn)電荷與不同介質(zhì)面電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/2131鏡像法—球面鏡像點(diǎn)電荷對(duì)接地導(dǎo)體球電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/2132鏡像法—球面鏡像點(diǎn)電荷對(duì)不接地導(dǎo)體球電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/2133電軸法—問(wèn)題提出邊值問(wèn)題：

（導(dǎo)線以外的空間）長(zhǎng)直平行圓柱導(dǎo)體傳輸線電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/2134電軸法—兩根細(xì)導(dǎo)線產(chǎn)生的電場(chǎng)以y軸為參考點(diǎn),則當(dāng)K取不同數(shù)值時(shí),就得到一族偏心圓。兩根細(xì)導(dǎo)線的電場(chǎng)計(jì)算等位線方程為：圓心坐標(biāo)圓半徑電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/2135電軸法—兩根細(xì)導(dǎo)線產(chǎn)生的電場(chǎng)

a、h、b三者之間的關(guān)系滿足根據(jù)及E線的微分方程，得E線方程為

兩細(xì)導(dǎo)線的場(chǎng)圖電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/2136電軸法—原理用置于電軸上的等效虛設(shè)線電荷,來(lái)代替圓柱導(dǎo)體面上分布電荷,從而求得電場(chǎng)的方法,稱為電軸法。平行圓柱導(dǎo)體傳輸線電場(chǎng)的計(jì)算關(guān)鍵步驟：電軸的確定電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/2137電軸法—原理用置于電軸上的等效虛設(shè)線電荷,來(lái)代替圓柱導(dǎo)體面上分布電荷,從而求得電場(chǎng)的方法,稱為電軸法。關(guān)鍵步驟：電軸的確定不同半徑傳輸線的電軸位置電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/2138鏡像法（電軸法）小結(jié)

鏡像法（電軸法）的理論基礎(chǔ)是靜電場(chǎng)唯一性定理；鏡像法（電軸法）的實(shí)質(zhì)是用虛設(shè)的鏡像電荷（電軸）替代未知電荷的分布，使計(jì)算場(chǎng)域?yàn)闊o(wú)限大均勻介質(zhì)；鏡像法（電軸法）的關(guān)鍵是確定鏡像電荷（電軸）的個(gè)數(shù)（根數(shù)），大小及位置；應(yīng)用鏡像法（電軸法）解題時(shí)，注意：鏡像電荷（電軸）只能放在待求場(chǎng)域以外的區(qū)域。疊加時(shí)，要注意場(chǎng)的適用區(qū)域。電工基礎(chǔ)教研室金釗2023/11/2139靜電場(chǎng)小結(jié)

靜電場(chǎng)：相對(duì)觀察者靜止且量值不隨時(shí)間變化的電荷所產(chǎn)生的電場(chǎng)。本章任務(wù)：闡述靜電荷與電場(chǎng)之間的關(guān)系，在已知電荷或電位的情況下求解電場(chǎng)的各種計(jì)算方法，或者反之。靜電場(chǎng)是本課程的基礎(chǔ)。由此建立的物理概念、分析方法在一定條件下可類比推廣到恒定電場(chǎng)，恒定磁場(chǎng)及