工程電磁場導(dǎo)論第一章

工程電磁場導(dǎo)論第一章第1頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四靜電場下頁上頁相對觀察者靜止且量值不隨時間變化的電荷靜電荷產(chǎn)生的電場。靜電荷電場電荷周圍存在的一種特殊形式的物質(zhì)，它對外的表現(xiàn)是對引入電場的電荷有機(jī)械力的作用。第2頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四ElectricFieldIntensity1.1電場強(qiáng)度下頁上頁研究一個矢量場，首先必須研究場的基本物理量，對于電場來說就是電場強(qiáng)度。1.電荷和電荷密度電荷+-滿足電荷守恒定律第3頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四下頁上頁體電荷密度連續(xù)分布在一個體積V內(nèi)的電荷體電荷的電場體積dV’內(nèi)的元電荷體積V'內(nèi)的總電荷第4頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四下頁上頁面電荷密度連續(xù)分布在一個忽略厚度的面積S'上的電荷面積dS'內(nèi)的元電荷面積S'內(nèi)的總電荷線電荷密度連續(xù)分布在一個忽略面積的線形區(qū)域l'上的電荷第5頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四下頁上頁dl'內(nèi)的元電荷曲線l'內(nèi)的總電荷點(diǎn)電荷理想中的點(diǎn)電荷只有幾何位置而沒有幾何大小。第6頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四2.庫侖定律(Coulomb’sLow)N(牛頓)兩點(diǎn)電荷間的作用力庫侖定律研究的是均勻媒質(zhì)中的點(diǎn)電荷問題真空中的介電常數(shù)F/m下頁上頁庫侖定律是基本試驗定律，準(zhǔn)確性達(dá)10-9。注意第7頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四2.電場強(qiáng)度

(ElectricIntensity

)V/m(N/C)電場強(qiáng)度

E等于單位正電荷所受的電場力F下頁上頁電場強(qiáng)度的定義E是矢量，它的方向為單位正電荷所受電場力的方向。E是空間坐標(biāo)的函數(shù)。E的大小等于單位正電荷所受電場力的大小。單位V/m。表明第8頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四

由庫侖定律和電場強(qiáng)度的定義可得單個點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場強(qiáng)度點(diǎn)電荷的電場一般表達(dá)式為：下頁上頁疊加原理第9頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四

N個點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場強(qiáng)度(矢量疊加原理)矢量疊加原理下頁上頁連續(xù)分布電荷產(chǎn)生的電場強(qiáng)度第10頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四體電荷的電場元電荷產(chǎn)生的電場，，下頁上頁矢量的積分第11頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四解真空中有一長為L的均勻帶電直導(dǎo)線，電荷線密度為

,試求P點(diǎn)的電場。下頁上頁帶電長直導(dǎo)線的電場例軸對稱場，取圓柱坐標(biāo)系。ZZ第12頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四無限長直導(dǎo)線產(chǎn)生的電場0下頁上頁第13頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四矢量積分的繁復(fù)；為了求出任意情況時的電場分布，必須研究靜電場的性質(zhì)，得出靜電場的基本規(guī)律和方程。存在的問題：下頁上頁介質(zhì)和導(dǎo)體上的電荷分布往往未知。第14頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四1.靜電場的守恒性1.2靜電場的守恒性及電位下頁上頁靜電場中，試驗電荷qt沿某一路徑移動一個距離dl，BAqdlr電場E對qt所做的功為：第15頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四下頁上頁靜電場中，試驗電荷qt從A點(diǎn)移至B點(diǎn)，電場所做的功只與起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的位置有關(guān)，而與移動路徑無關(guān)。AB表明第16頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四下頁上頁對任意分布的電荷上式都成立上式反映了靜電場的基本性質(zhì)：守恒性守恒定律or環(huán)路定律靜電場是無旋場由Stokes’定理，靜電場在任一閉合環(huán)路的環(huán)量靜電場是無旋場表明第17頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四矢量恒等式點(diǎn)電荷電場取旋度0下頁上頁從點(diǎn)電荷電場證明：第18頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四矢量的旋度仍為一矢量，在直角坐標(biāo)系中其表達(dá)式為：下頁上頁旋度描述了矢量的各分量在垂直該分量方向上的變化情況。注意第19頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四下頁上頁根據(jù)靜電場是無旋場，可以檢驗一個矢量場是否為靜電場。例試判斷矢量A是否表示靜電場？解第20頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四負(fù)號表示電場強(qiáng)度的方向從高電位指向低電位。矢量恒等式由下頁上頁2.電位及電位梯度電位函數(shù)1)

電位和電位梯度2)

電位的物理意義根據(jù)靜電場是無旋場，可以引入電位函數(shù)表征靜電場。第21頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四下頁上頁表明兩點(diǎn)之間的電位差（電壓）為單位正電荷從一點(diǎn)移動到另一點(diǎn)時電場所做的功。第22頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四電場的旋度為零是引入電位函數(shù)的依據(jù)。電位與電場強(qiáng)度的關(guān)系滿足：下頁上頁場中兩點(diǎn)間的電壓是唯一確定的，但場一定時某點(diǎn)的電位值是不確定的。矢量場表示成標(biāo)量場注意第23頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四引入電位參考點(diǎn)，場中的電位唯一確定，參考點(diǎn)選擇不同，計算所得電位值相差一常數(shù)。參考點(diǎn)的電位為零。下頁上頁如點(diǎn)電荷q的電場中，任意一點(diǎn)相對于參考點(diǎn)的電位：電位參考點(diǎn)第24頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四選擇參考點(diǎn)盡可能使電位表達(dá)式比較簡單。電位參考點(diǎn)可任意選擇，但同一問題，一般只能選取一個參考點(diǎn)。工程中取大地為電位參考點(diǎn)，當(dāng)電荷在有限區(qū)域時，一般取無窮遠(yuǎn)為電位參考點(diǎn)。下頁上頁注意第25頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四下頁上頁3)

電位的計算點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電位：點(diǎn)電荷群連續(xù)分布電荷式中相應(yīng)的積分原域第26頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四所以因r>>d，得電偶極子下頁上頁例計算電偶極子的電場(r>>d

)。在球坐標(biāo)系中解表示電偶極矩（dipolemoment)，方向由-q指向+q。第27頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四3.電力線與等位線（面）人為的在電場中繪出的一些曲線，曲線上任一點(diǎn)的切線方向與該點(diǎn)電場強(qiáng)度E的方向一致，曲線的疏密程度與電場強(qiáng)度的大小成正比。電力線下頁上頁為了形象的描述電場在空間的分布，做場的分布圖，在電場中就是表示電場強(qiáng)度的電力線和表示電位分布的等電位線。電力線第28頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四直角坐標(biāo)系電力線不能相交；電力線下頁上頁電力線的數(shù)學(xué)表示：E

線微分方程靜電場中電力線的性質(zhì)：電力線不能自行閉合；電力線起始于正電荷而終止于負(fù)電荷；電場強(qiáng)處，電力線密集，否則稀疏。第29頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四當(dāng)取不同的C值時，可得到不同的等位線(面)。電位相等的點(diǎn)連成的曲面稱為等位面。下頁上頁等位線(面)方程等位面的性質(zhì)：等位線（面）等位面的數(shù)學(xué)表示：等位面不能相交；等位面與電力線互相垂直；等位面密集處表示電位梯度大，即電場強(qiáng)度大，電力線密集；第30頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四電力線方程(球坐標(biāo)系)：等位線方程(球坐標(biāo)系)：將和代入E線方程下頁上頁例分析電偶極子電場的電力線和等位面。因為電偶極子的等位線和電力線第31頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四點(diǎn)電荷與接地導(dǎo)體的電場點(diǎn)電荷與不接地導(dǎo)體的電場下頁上頁第32頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四介質(zhì)球在均勻電場中導(dǎo)體球在均勻電場中點(diǎn)電荷位于無限大介質(zhì)上方點(diǎn)電荷位于無限大導(dǎo)板上方下頁上頁第33頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四介質(zhì)球在均勻電場中下頁上頁均勻電場場中任一點(diǎn)電場強(qiáng)度都有相同的數(shù)值和方向。平板電容器E線場中等位面為間隔均勻的平行平面。幾種特殊形式的電磁場第34頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四下頁上頁平行平面電場場中能找到一些平行平面，且任一平面上電場的分布都相同。平板電容器E線0無限長直導(dǎo)線的電場。第35頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四如果在一族同心球面上（設(shè)球心在原點(diǎn)），場

F

的分布函數(shù)都相同，即F=f（r），則稱這個場為球面對稱場。如點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場；帶電球體產(chǎn)生的電場。上頁0球面對稱場上頁第36頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四下頁上頁子午平面場場中能找到一根直線，且通過直線的任一平面上的電場分布都相同。點(diǎn)電荷位于無限大導(dǎo)板上方第37頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四如果在經(jīng)過某一軸線(設(shè)為Z

軸)的一族子午面上，場

F

的分布函數(shù)都相同，即F=f（r,），則稱這個場為軸對稱場。如螺線管線圈產(chǎn)生的磁場；有限長直帶電導(dǎo)線產(chǎn)生的電場。下頁上頁軸對稱場第38頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四1.真空中的高斯定律

(Gauss’sTheoreminVacuum)1.2高斯定律Gauss’sTheorem下頁上頁通量是標(biāo)量通量可正可負(fù)，決定于E與S的夾角。dS的方向：dSdS

矢量E

沿有向曲面S的通量若S

為閉合曲面注意第39頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四

穿出包圍點(diǎn)電荷q的同心球面的電通量。下頁

穿出包圍點(diǎn)電荷q

的任意閉合面的電通量。上頁第40頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四

穿出包圍多個點(diǎn)電荷的閉合面的電通量。下頁上頁

穿出包圍連續(xù)分布電荷的閉合面的電通量。

E

的通量等于閉合面S

包圍的凈電荷與真空介電常數(shù)之比。結(jié)論第41頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四

S

面上的E

是由系統(tǒng)中全部電荷產(chǎn)生的。下頁上頁>0

(有正源)<0

(有負(fù)源)=0(無源)注意閉合面外的電荷對場的影響第42頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四靜電場是有源場，電荷是電場的通量源。下頁2.散度定理

高斯定律的微分形式結(jié)論第43頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四計算步驟：a）分析場分布的對稱性，判斷能否用高斯定律求解。b）選擇適當(dāng)?shù)拈]合面作為高斯面，使

容易積分。對于具有高度對稱性的電場，利用高斯定律可以方便的求出場強(qiáng)分布，但對于一般電場，高斯定律只能確定任意閉曲面上的場強(qiáng)通量。下頁上頁3.高斯定律的應(yīng)用高斯定律是描述電場特性的規(guī)律。應(yīng)用高斯定律可以導(dǎo)出電場分界面上法線分量的邊界條件。第44頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四球殼內(nèi)的電場球殼外的電場哪些區(qū)域的電場能用高斯定律直接求解？下頁上頁±q分別在金屬球內(nèi)外q在金屬球殼內(nèi)例第45頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四球?qū)ΨQ電場求半徑為a，體電荷密度為的球產(chǎn)生的電場。下頁上頁例解arE第46頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四試求電荷線密度為

的無限長均勻帶電體的電場。分析場分布,取圓柱坐標(biāo)系由得下頁上頁無限長均勻帶電體例解不能取無窮遠(yuǎn)為電位參考點(diǎn)注意第47頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四電力電纜上頁上頁第48頁，共52頁，2023年，2月20日，星期四電纜多層絕緣的工程意義。下頁上頁例arEr1arEr1r