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文檔簡介
11.ElectricPotentialReview22.ConductorsinStaticElectricField3.DielectricsinStaticElectricFieldInsideaconductor(understaticconditions)BoundaryConditions(ataConductor/FreeSpaceInterface)34.ElectricFluxDensityandDielectricConstant4Maintopic1.
靜電場的邊界條件2.
電容和電容器3.
靜電場的能量51.BoundaryConditionsforElectrostaticFields
電磁問題通常涉及具有不同物理特性的媒質(zhì),并且需要關(guān)于兩種媒質(zhì)之間分界面的場量關(guān)系的知識.例如,我們希望知道場矢量E
和D
在穿過兩個界面時是如何變化的.現(xiàn)在我們來考慮兩種一般媒質(zhì)之間的分界面.6(1)電場強度E的切向分量
(tangentialcomponent)Letusconstructasmallpath
abcdawithsidesab
andcdinmedia1and2respectively,bothbeingparalleltotheinterfaceandequalto
w.Theintegralformisassumedtobevalidforregionscontainingdiscontinuousmedia,isappliedtothispath.Ifweletsidesbc=da=
h
approachzero,theircontributionstothelineintegralofEaroundthepathcanbeneglected.ThuswehaveE1E2
2
1at
w
hacdban27
電場強度在分界面處的切向分量是相等的.換句話說,電場強度的切向分量連續(xù).對于線性各向同性的一般介質(zhì),有:
an2
的方向是有媒質(zhì)②
指向媒質(zhì)
①.
8(2)電通密度D的法向分量(normalcomponent)Inordertofindarelationbetweenthenormalcomponentsofthefieldsataboundary,weconstructasmallpillboxwithitstopfaceinmedium1andbottomfaceinmedium2.Thefaceshaveanarea
S,andtheheightofthepillbox
hisvanishinglysmall.ApplyingGauss’slawtothepillbox,wehave
h
S
2
1an2D1D2
s9邊界的法線方向由媒質(zhì)②指向媒質(zhì)①.
S
是邊界上的面電荷密度.D場的法向分量在通過存在面電荷的分界面時是不連續(xù)的,不連續(xù)的量等于面電荷密度.10討論(1)、BoundaryConditionsfor
Dielectric-conductorInterface
討論(2)、
Intheabsenceofnetsurfacefreecharge,onehasTheboundaryconditionsthatmustbesatisfiedforstaticelectricfieldsareasfollows:11例1:兩理想介質(zhì)的分界面為Z=0的平面,如圖所示,在介質(zhì)2中的場強為求介質(zhì)1中分解面上的場分量。
2=0
r2
1=0
r1xzy12132.
電容和電容器導(dǎo)體比例常數(shù)C
稱為孤立導(dǎo)體的電容.電容是指電位每增加一單位所必須施加于物體的電荷量.14
電容器的電容是雙導(dǎo)體系統(tǒng)的一種物理性質(zhì),其依賴于導(dǎo)體的形狀和它們之間媒質(zhì)的介電常數(shù),與電荷Q
和導(dǎo)體之間的電位差V12都無關(guān).電容器即使沒有電壓提供或?qū)w上沒有自由電荷它也是存在的.15CapacitanceCcanbedeterminedfromaboveequationbyeither(1)assumingaV12
anddeterminingQintermsofV12,or(2)assumingaQanddeterminingV12intermsofQ.Atthisstage,sincewehavenotyetstudiedthemethodsforsolvingboundary-valueproblems(whichwillbetakenupinChapter4),wefindCbythesecondmethod.Theprocedureisasfollows:1.對已知的幾何形狀,選擇合適的坐標(biāo)系.2.假設(shè)導(dǎo)體上攜帶了電荷+Qand-Q.3.通過高斯定理或其它關(guān)系根據(jù)假設(shè)的電荷量Q來確定E.4.求出導(dǎo)體兩端的電位差V12.5.FindCbytakingtheratioQ/V12.16Example3-18P12417Example3-19P12518(1)Series&ParallelConnectionsofCapacitorsParallelConnectionsofCapacitors電容器的電壓相等
Seriesconnectionsofcapacitors(電容器的電量相等)(2)CapacitancesInMulticonductorSystems19靜電能來源:外力克服電場力做功轉(zhuǎn)化而來,靜電場能僅與帶電體的最終帶電狀態(tài)有關(guān)而與到達(dá)這一狀態(tài)的中間過程無關(guān)。靜電能:當(dāng)電荷放入電場中,就會受到電場力的作用,電場力做功使電荷位移,這說明電場具有能量。靜電場內(nèi)儲存著能量,這種能量通常被稱為靜電能。電場越強,對電荷的力就越大,做功的能力就越強,說明電場具有的能量就越大。3.ElectrostaticEnergy能量的零點:
最初電荷都分散在彼此相距很遠(yuǎn)(無限遠(yuǎn))的位置上。通常規(guī)定,處于這種狀態(tài)下的靜電能為零。靜電場能量We等于于把各部分電荷從無限分散的狀態(tài)聚集成現(xiàn)有帶電體系時抵抗靜電力所作的全部功。20BringachargeQ2frominfinityagainstthefieldofachargeQ1
infreespacetoadistanceR12(1)TwochargeswhereV2isthepotentialatP2establishedbychargeQ1,chosethereferencepointforthepotentialatinfinity;Thisworkisstoredintheassemblyofthetwochargesaspotentialenergy.AnotherformwhereV1isthepotentialatP1establishedbychargeQ2.21Bringanothercharge
Q3frominfinitytoapointthatis
R13
tocharge
Q1
andR23
from
charge
Q2
infreespace,anadditionalworkisrequiredthatequals
whereV3
isthepotentialatP3
establishedbychargesQ1andQ2,W3,whichisstoredintheassemblyofthethreechargesQ1,Q2
,andQ3
,is(2)
Threecharges22WecanrewriteW3
inthefollowingformwhereV1
isthepotentialatQ1
establishedbychargesQ2andQ3,similarly,V2andV3arethepotentialsatQ2andQ3,respectively,inthethree-chargeassembly.23Extendingthisprocedureofbringinginadditionalcharges,wearriveatthefollowinggeneralexpressionfor
thepotentialenergyofagroupofN
discretepointchargesatrest.(ThepurposeofthesubscripteonWeistodenotethattheenergyisofanelectricnature.)WehavewhereVk
,
theelectricpotentialatQk,
iscausedbyalltheotherchargesandhasthefollowingexpression:(3)
AgroupofNdiscretepointchargesatrest24Tworemarksareinorderhere.First,Wecanbenegative.Inthatcase,workisdonebythefield(notagainstthefield).Second,Weinthisequationrepresentsonlytheinteractionenergy(mutalenergy)anddoesnotincludetheworkrequiredtoassembletheindividualpointchargesthemselves(self-energy).(4)acontinuous
chargedistributionWereplaceQkby
dvandthesummationbyanintegrationandobtain:NotethatWeinthisequationincludesthework(self-energy)requiredtoassemblethedistributionofmacroscopiccharges,becauseitistheenergyofinteractionofeveryinfinitesimalchargeelementwithallotherinfinitesimalchargeelements.25Example3-23P136Findtheenergyrequiredtoassembleauniformsphereofchargeofradiusbandvolumechargedensity
.
RbdR26(4)ElectrostaticEnergyinTermsatFieldQuantities
Recallingthevectoridentity,Wecanwriteas27SinceV’canbeanyvolumethatincludesallthecharges,wemaychooseittobeaverylargespherewithradiusR(R→
).Foralinearmedium,wehaveD=
E,28Wecanalwaysdefineanelectrostaticenergydensity
we
mathematically,However,thisdefinitionofenergydensityisar
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