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1、电磁场课件电磁场课件高斯定理高斯定理1第1页，本讲稿共44页第一章第一章 静电场静电场实验实验基础基础与理论与理论基础基础静电场的静电场的基基本方程本方程基本方程的基本方程的解解应用应用1.1电场强度，电位电场强度，电位1.2高斯定律高斯定律1.3 静电场的基本方程，静电场的基本方程，分界面上的衔接条件分界面上的衔接条件1.4 静电场边值问题，唯一性定理静电场边值问题，唯一性定理1.5 分离变量法分离变量法1.6 有限差分法有限差分法1.7 镜像法和电轴法镜像法和电轴法1.8电容和部分电容电容和部分电容1.9静电能量与力静电能量与力 2第2页，本讲稿共44页1.2高斯定理高斯定理1.2.1 静
2、电场中的导体静电场中的导体1.2.2 静电场中的电介质静电场中的电介质1.2.3 高斯定理高斯定理3第3页，本讲稿共44页1.2.1 静电场中的导体静电场中的导体导体的特点导体的特点：有大量自由电子。有大量自由电子。看录像，思考：导体在外电场中达到看录像，思考：导体在外电场中达到静电平衡静电平衡1、导体中的、导体中的电荷和场强电荷和场强如何分布？如何分布？电荷只电荷只分布在导体表面分布在导体表面导体导体内部场强内部场强处处为处处为0；导体表面任意一点的场强方向与导体表面任意一点的场强方向与表面表面垂直垂直;导体为一个导体为一个等位体等位体，导体表面为一，导体表面为一个个等位面等位面;E导导体体
3、E引起电荷移动引起电荷移动4第4页，本讲稿共44页静电屏蔽静电屏蔽的原理的原理2、有空腔的、有空腔的导体壳导体壳带电体带电体 A 在空腔导体在空腔导体 B 外外正、负感应电荷分布在正、负感应电荷分布在 B 的外表面上。的外表面上。A+-+BE内内=0带电体带电体 A 在空腔导体在空腔导体 B 内内-+A正、负感应电荷分布在正、负感应电荷分布在 B 的内、外表面上。的内、外表面上。5第5页，本讲稿共44页3.3.导体表面电荷密度导体表面电荷密度 与该处与该处 E E表表的大小成正比。的大小成正比。在导体外紧靠导体表面的一点在导体外紧靠导体表面的一点 P:导导体体E表表4.4.孤立带电导体表面电荷
4、分布孤立带电导体表面电荷分布处在静电平处在静电平衡时衡时,在导体表面在导体表面凸出凸出的尖锐部分的尖锐部分电荷面密电荷面密度度 较大较大;在比较平坦部分电荷面密度在比较平坦部分电荷面密度 较小。较小。6第6页，本讲稿共44页 任何导体，只要它们带电量不变，则其电位是不变的。任何导体，只要它们带电量不变，则其电位是不变的。（）一导体的电位为零，则该导体不带电。一导体的电位为零，则该导体不带电。（）接地导体都不带电。（接地导体都不带电。（）静电场中的导体静电场中的导体7第7页，本讲稿共44页无极性分子无极性分子有极性分子有极性分子1、电介质的特点：在电场作用下：电介质在电场作用下：电介质分子旋转或
5、拉伸分子旋转或拉伸，正负电荷中心不再重合，形成正负电荷中心不再重合，形成电偶极子电偶极子。1.2.2 静电场中的电介质静电场中的电介质电子被原子核束缚，不能自由活动；电子被原子核束缚，不能自由活动；看录像，思考：将一块看录像，思考：将一块电介质电介质放入放入外电场外电场中的表现？中的表现？8第8页，本讲稿共44页思考：思考：外加电场后，介质发生极化，形成外加电场后，介质发生极化，形成附加电附加电场场，破坏原电场分布。，破坏原电场分布。怎样计算怎样计算电介质极化电介质极化后产生后产生的电场？的电场？方向由负电荷指向正电荷。方向由负电荷指向正电荷。定义：定义：极化强度为极化强度为定义：矢量定义：矢
6、量电偶极矩电偶极矩可计算出，单个电偶极子产可计算出，单个电偶极子产生的电位为：生的电位为：怎样衡量怎样衡量电介质极化电介质极化的强弱？的强弱？9第9页，本讲稿共44页-q+qP0zr2r1r d例：电偶极子的电场例：电偶极子的电场思路：由电位求场强。思路：由电位求场强。-q+q dP0zr2r1r解：解：当当dr时：时：r2-r1dcos r2 r1 r2E=-10第10页，本讲稿共44页介质中体积元介质中体积元 V 产生的电位为：产生的电位为：整个介质产生的电位为：整个介质产生的电位为：11第11页，本讲稿共44页dq0 xyzP整个介质产生的电位：整个介质产生的电位：矢量恒等式：矢量恒等式
7、：1/RP P P12第12页，本讲稿共44页整个介质产生的电位：整个介质产生的电位：P P1.在有介质存在的空间中，任意点的电场是由在有介质存在的空间中，任意点的电场是由自由电自由电荷、极化电荷荷、极化电荷共同在共同在真空真空中产生的中产生的电场的叠加电场的叠加；3.极化电荷的总和为极化电荷的总和为02.极化电荷的体密度为极化电荷的体密度为 P、面密度为、面密度为 P结论：结论：13第13页，本讲稿共44页1 1、自由电荷与束缚电荷的区别是什么？、自由电荷与束缚电荷的区别是什么？2 2、电介质的极化和导体的静电感应有何不同？、电介质的极化和导体的静电感应有何不同？3 3、如何考虑电介质和导体
8、在静电场中的效应？、如何考虑电介质和导体在静电场中的效应？导体导体自由电荷自由电荷自由移动自由移动静电感应静电感应电介质电介质束缚电荷束缚电荷不能自由移动不能自由移动 电偶极子电偶极子极化极化电荷重新分布电荷重新分布附加电场附加电场附加电场附加电场导体导体表面静电感应电荷表面静电感应电荷在导体内部与外电场在导体内部与外电场处处处处抵消抵消E0电介质电介质束缚电荷极化束缚电荷极化在电介质内部在电介质内部削弱削弱外电场外电场合电场不为零合电场不为零14第14页，本讲稿共44页1、真空中的高斯定理：、真空中的高斯定理：点电荷点电荷q、闭合面为以点电荷所在处为球心的球面：、闭合面为以点电荷所在处为球心
9、的球面：点电荷点电荷q、闭合面为任意形状：、闭合面为任意形状：n个点电荷、闭合面为任意形状：个点电荷、闭合面为任意形状：电荷连续分布、闭合面为任意形状：电荷连续分布、闭合面为任意形状：结论：结论：在真空中，由任意闭合面穿出的在真空中，由任意闭合面穿出的E通量，等于该闭合面内所有通量，等于该闭合面内所有电荷的代数和除以真空的介电常数电荷的代数和除以真空的介电常数1.2.3 高斯定理高斯定理15第15页，本讲稿共44页电介质电介质表面表面S为电介质中一假想闭合面，不包含介质的表面；为电介质中一假想闭合面，不包含介质的表面；自由电荷自由电荷q1、q2、q3分布在导体表面分布在导体表面S1、S2、S3
10、上：上：Sq1q2q3S1S2S302、介质中的高斯定律16第16页，本讲稿共44页定义：电通量密度，电位移矢量定义：电通量密度，电位移矢量 在在静电场静电场中（无论在真空还是介质中（无论在真空还是介质中，不管介质均匀与否），由任意闭合中，不管介质均匀与否），由任意闭合面穿出的面穿出的D通量，等于该闭合面内所有通量，等于该闭合面内所有自由电荷自由电荷的的代数和代数和，与所有极化电荷及闭，与所有极化电荷及闭合面外的自由电荷无关。合面外的自由电荷无关。高斯通量定高斯通量定理理的微分形式的微分形式在在静电场静电场中，任意一点的中，任意一点的D的散度等于该点的的散度等于该点的自由电荷体密度自由电荷体密
11、度。高斯通量定高斯通量定理理的积分形的积分形式式D=0(1+)E=0 rE=E线性、各向同性：线性、各向同性：P=0 E 电介质的介电常数；（电介质的介电常数；（F/m）r电介质的相对介电常数，无量纲电介质的相对介电常数，无量纲17第17页，本讲稿共44页 实实际际中中经经常常使使用用介介电电常常数数的的相相对对值值，这这种种相相对值称为相对介电常数，以对值称为相对介电常数，以 r 表示，其定义为表示，其定义为可可见见，任任何何介介质质的的相相对对介介电电常常数数总总是是大大于于1。下下表给出了几种介质的相对介电常数的近似值。表给出了几种介质的相对介电常数的近似值。介介 质质介介 质质空空 气
12、气1.0石石 英英3.3油油2.3云云 母母6.0纸纸1.34.0陶陶 瓷瓷5.36.5有机玻璃有机玻璃2.63.5纯纯 水水81石石 腊腊2.1树树 脂脂3.3聚乙烯聚乙烯2.3聚苯乙烯聚苯乙烯2.6 r r r r18第18页，本讲稿共44页图示平行板电容器中放入一块介质后，其图示平行板电容器中放入一块介质后，其D 线、线、E 线和线和P 线的分布。线的分布。D 线由正的自由电荷出发，终止于负的自由电荷；线由正的自由电荷出发，终止于负的自由电荷；P 线由负的极化电荷出发，终止于正的极化电荷。线由负的极化电荷出发，终止于正的极化电荷。E 线由正电荷出发，终止于负电荷；线由正电荷出发，终止于负
13、电荷；D线E线P线D、E与与 P 三者之间的关系三者之间的关系3、D 线、E 线和P 线：19第19页，本讲稿共44页1 1、电场强度在电介质内部是增加了，还是、电场强度在电介质内部是增加了，还是减少了？减少了？2 2、说明、说明E、P与与D三矢量的物理意义。三矢量的物理意义。E与介质有关，与介质有关，D与介质无关的说法对吗？与介质无关的说法对吗？20第20页，本讲稿共44页E是电场强度是电场强度，其物理意义是从力的角度描述静电场特性物理，其物理意义是从力的角度描述静电场特性物理量。其定义为静电场中任一点单位正电荷所受到的电场力。量。其定义为静电场中任一点单位正电荷所受到的电场力。P是电极化强
14、度是电极化强度，其物理意义是描述电介质中任一点电极化，其物理意义是描述电介质中任一点电极化强弱的物理量。强弱的物理量。D是电位移矢量是电位移矢量，是一个，是一个辅助辅助物理量，其本身并没有明确的物理量，其本身并没有明确的物理意义，然而引入它可以物理意义，然而引入它可以方便方便地表达出任一点的场量与场地表达出任一点的场量与场源之间的关系，即电位移矢量的散度等于该点分布的自由源之间的关系，即电位移矢量的散度等于该点分布的自由电荷体密度。电荷体密度。E和和D的分布都与介质有关的分布都与介质有关。但是穿过闭合曲面的。但是穿过闭合曲面的D通量仅通量仅与该闭合面所包围的自由电荷有关，而与介质中的束缚电与该
15、闭合面所包围的自由电荷有关，而与介质中的束缚电荷无关。荷无关。21第21页，本讲稿共44页q q D 通量只取决于高斯面内的通量只取决于高斯面内的自由电荷，而高斯面上的自由电荷，而高斯面上的 D 是由高斯面内、外的系统所有是由高斯面内、外的系统所有电荷共同产生的。电荷共同产生的。点电荷点电荷q分别置于金属球壳的内外分别置于金属球壳的内外点电荷的电场中置入任意一块介质点电荷的电场中置入任意一块介质q q22第22页，本讲稿共44页qqq点电荷点电荷q在高斯面在高斯面 S 内位置不同内位置不同,D的通量有的通量有何变化何变化?23第23页，本讲稿共44页高斯定律的表达式中高斯定律的表达式中,左方的
16、场强左方的场强 E 是曲面上各面元是曲面上各面元 dS 处的场强处的场强,它是由它是由全部电荷全部电荷(有有封闭曲面内封闭曲面内,又有封闭曲面外的又有封闭曲面外的电荷电荷)产生的产生的合场强合场强。qnqn+idSE24第24页，本讲稿共44页4、应用高斯定律的、应用高斯定律的解题步骤解题步骤:应用高斯通量定律可很简捷地求解对称场的分布。应用高斯通量定律可很简捷地求解对称场的分布。1.根据电荷分布的对称性根据电荷分布的对称性,分析电场分布的对称性。分析电场分布的对称性。2.选好通过场点的封闭曲面选好通过场点的封闭曲面(高斯面高斯面)。3.应应用高斯定律用高斯定律,找准找准高斯面内包围的电荷量高
17、斯面内包围的电荷量,即可求得场强即可求得场强 E。25第25页，本讲稿共44页试问：试问：能否选取正方形的高斯面求解球对称场能否选取正方形的高斯面求解球对称场(a)(b)(c)图图1.1.球对称场的高斯面球对称场的高斯面 (a)(a)球对称分布：包括均匀带电的球面，球体和多层同球对称分布：包括均匀带电的球面，球体和多层同心球壳等。心球壳等。5、高斯面的选取方法、高斯面的选取方法:26第26页，本讲稿共44页(b)b)轴对称分布：包括无限长均匀带电的直线，圆轴对称分布：包括无限长均匀带电的直线，圆柱面，圆柱壳等。柱面，圆柱壳等。图图2.2.轴对称场的高斯面轴对称场的高斯面27第27页，本讲稿共4
18、4页(c)(c)无限大平面电荷：包括无限大的均匀带电平面，无限大平面电荷：包括无限大的均匀带电平面，平板等。平板等。(a a)(b b)(c c)图图3.3.平行平面场的高斯面平行平面场的高斯面试问：试问：能否选取底面为方型的封闭柱面为高斯面？能否选取底面为方型的封闭柱面为高斯面？28第28页，本讲稿共44页 真空中有两个同心金属球壳，内球壳半径R1，带电q1，外球壳半径R2，壳厚R2，带电q2，求场中各处电场及电位。R1R2 R2q1分析电荷分布情况分析电荷分布情况：-q1q1+q2求场强分布情况：求场强分布情况：（方向、对称性）方向、对称性）以与球壳同心、半径为以与球壳同心、半径为r的球面
19、为闭合面的球面为闭合面a.r R1：q=0 D=0 E=0b.R1 r R2：q=q1c.R2 r R2+R2：q=q1+q2Er0R1R2R2+R2 例例1解解:29第29页，本讲稿共44页R1R2 R2q1求各处电位：求各处电位：-q1q1+q2Er0R1R2R2+R2 以无限远处为参考点，电位为以无限远处为参考点，电位为0：a.r R2+R2：b.R2 r R2+R2：c.R1 r R2：d.r=R1：30第30页，本讲稿共44页 同轴电缆有两层绝缘体，分界面也是同轴圆柱面，尺寸如图。内外导体之间的电压为U，求场中各处电场。求场强分布情况：求场强分布情况：（方向、对称性）方向、对称性）作
20、半径为作半径为r、长为、长为l的同轴圆柱面（包括两个底面）的同轴圆柱面（包括两个底面）a.r R1：=0 D=0 E=0b.R1 r R2：c.R2 r R3：=0 D=0 E=0Er0R1R2R3R1R2 1R3 20=l E例例2分析电荷和场分布情况分析电荷和场分布情况：解解:31第31页，本讲稿共44页 2、圆圆 柱柱 形形 电电 容容 器器 外外 导导 体体 的的 半半 径径 为为 1cm，内内 外外 导导 体体 之之 间间 充充 满满 击击 穿穿 强强 度度 为为 1.8103KV/m的的 电电 介介 质，质，试试 确确 定定 该该 电电 容容 器器 能能 承承 受受 最最 大大 电
21、电 压压 时时 的的 内内 导导 体体 的的 半半 径径 a a 为为 多多 少？少？并并 求求 能能 承承 受受 的的 最最 大大 电电 压压 值。值。32第32页，本讲稿共44页解：解：设设 外外 导导 体体 半半 径径 为为 b，单单 位位 长长 度度 上上 导导 体体 所所 带带 电电 荷荷 量量 为为，则，则 由由 高高 斯斯 定定 理理 可可 知：知：EraarEar=pp pp22max(最最 大大 场场 强强 在在ra处）（处）（4）则则 (8)(10)dd=UaEbamax（ln-=1）0abe=0 368.cmUbeEmaxmax.=66 24 kvUaErraEbaab=
22、maxmaxln1d33第33页，本讲稿共44页ra真空中有电荷以体密度真空中有电荷以体密度 均匀分布于一半径为均匀分布于一半径为a a的球中，试求球内外的电场强度及电位。的球中，试求球内外的电场强度及电位。ra4 r2 D=4 a3/3例例334第34页，本讲稿共44页无限大平面均匀带电，电荷面密度为无限大平面均匀带电，电荷面密度为，求电场强度。，求电场强度。解解：（：（1 1）电荷分布具有平面对称性）电荷分布具有平面对称性选取直角坐标选取直角坐标（2 2）电场垂直于带电平面）电场垂直于带电平面（3 3）以带电平面为对称面，作一平行六）以带电平面为对称面，作一平行六面体，设其侧面面积为面体，
23、设其侧面面积为S。xs0结论：无限大均匀带电平面在两侧产生反向匀强电场结论：无限大均匀带电平面在两侧产生反向匀强电场-x O xS例例435第35页，本讲稿共44页求线电荷密度为求线电荷密度为l的无限长带电直线的电场。的无限长带电直线的电场。解：解：（1 1）建立适当的坐标系）建立适当的坐标系电荷分布具有轴对称性，选柱坐标电荷分布具有轴对称性，选柱坐标（2 2）分析场的分布特征）分析场的分布特征zP(r,z)r电场沿径向分布，只有电场沿径向分布，只有Er分量，分量，E=er Er（3 3）根据场分布作一闭合面）根据场分布作一闭合面高斯面高斯面取高度为取高度为1的闭合圆柱面，即的闭合圆柱面，即S
24、=er S侧侧+ezS上底上底-ezS下底下底（4 4）代入高斯定律中计算：）代入高斯定律中计算：即即l0 时时例例5 536第36页，本讲稿共44页同轴线内导体半径为同轴线内导体半径为a，外导体半径为，外导体半径为b，内、外导，内、外导体间介质为空气，其间电压为体间介质为空气，其间电压为U（1 1）求）求ra处的电场强度处的电场强度（2 2）求）求arb处的电位移矢量处的电位移矢量课堂练习课堂练习abU0a.r a：E=0b.arb37第37页，本讲稿共44页课堂练习课堂练习1 12 21 1：一点电荷：一点电荷q放在无界均匀介质中的一个放在无界均匀介质中的一个球形空腔中心，设介质的介电常数
25、为球形空腔中心，设介质的介电常数为，空腔的，空腔的半径为半径为a a，求（，求（1 1）介质的极化强度）介质的极化强度 （2 2）空腔表面的极化电荷面密度。）空腔表面的极化电荷面密度。38第38页，本讲稿共44页均匀均匀：媒质的特性不随：媒质的特性不随空间坐标空间坐标而变；而变；各向同性各向同性：媒质的特性不随：媒质的特性不随场量方向场量方向而变；而变；线性线性：媒质的特性不随：媒质的特性不随场量大小场量大小而变而变关于媒质的常用术语：关于媒质的常用术语：39第39页，本讲稿共44页电力电缆40第40页，本讲稿共44页220K伏XLPE交链聚乙烯高压电力电缆41第41页，本讲稿共44页6K伏三相矿用橡套电缆（中间地线、右侧测量线）42第42页，本讲稿共44页电力电缆43第43页，本讲稿共44页作业作业P19 123P67 1344第44页，本讲稿共44页