第2章恒定电场精.ppt

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1、第2章恒定电场第1页，本讲稿共39页 通有直流电流的导电媒质中同时存在着电流场和恒定电场。恒定电场是动态平衡下的电荷产生的，它与静电场有相似之处。Introduction2.0 序 本章要求:熟练掌握静电比拟法和电导的计算。理解各种电流密度的概念，通过欧姆定律和焦耳定律深刻理解场量之间的关系。掌握导电媒质中的恒定电场基本方程和分界面衔接条件。下 页上 页返 回第2页，本讲稿共39页2.1.1 电流(Current)定义：单位时间内通过某一横截面的电量。2.1 导电媒质中的电流Current in Conductive Media三种电流：A传导电流电荷在导电媒质中的定向运动。位移电流随时间变化

2、的电场产生的假想电流。运动电流带电粒子在真空中的定向运动。下 页上 页返 回第3页，本讲稿共39页 1.电流面密度 J电流体电荷 以速度 v 作匀速运动形成的电流。电流密度2.1.2 电流密度（Current Density)下 页上 页返 回图2.1.1 电流面密度矢量图2.1.2 电流的计算第4页，本讲稿共39页2.电流线密度 K电流en 是垂直于 dl，且通过 dl 与曲面相切的单位矢量。面电荷 在曲面上以速度 v 运动形成的电流。图2.1.3 电流线密度及其通量下 页上 页电流线密度返 回第5页，本讲稿共39页3.元电流的概念元电流是元电荷以速度 v 运动形成的电流工程应用媒质磁化后的

3、表面磁化电流；同轴电缆的外导体视为电流线密度分布；高频时，因集肤效应，电流趋于导体表面分布。下 页上 页图2.1.4 媒质的磁化电流返 回第6页，本讲稿共39页2.1.3 欧姆定律的微分形式 (Differential Form of Ohms Law)J 与 E 共存，且方向一致。简单证明：欧姆定律 微分形式。在线性媒质中对 两边取面积分左边右边欧姆定律 积分形式。所以下 页上 页图2.1.5 J 与 E 之关系返 回第7页，本讲稿共39页2.1.4 焦尔定律的微分形式 (Differential Form of Joules Law)导体有电流时，必伴随功率损耗，其功率体密度为 W/m3

4、W焦耳定律微分形式焦耳定律积分形式下 页上 页返 回第8页，本讲稿共39页 提供非静电力将其它形式的能转为电能的装置称为电源。2.2.1 电源 (Source)2.2 电源电动势与局外场强Source EMF and 0ther Field Intensity电源电动势是电源本身的特征量，与外电路无关。局外场强局外力2.2.2 电源电动势(Source EMF)下 页上 页返 回图2.2.1 恒定电流的形成第9页，本讲稿共39页因此，对闭合环路积分局外场 Ee 是非保守场。图2.2.2 电源电动势与局外场强电源电动势总场强下 页上 页返 回第10页，本讲稿共39页2.3.1 基本方程(Basi

5、c Equations)2.3 基本方程分界面衔接条件 边值问题 Basic Equations Boundary Conditions Boundary Value Problem在恒定电场中恒定电场是一个无源场，电流线是连续的。故电荷守恒原理1.J 的散度亦称电流连续性方程散度定理下 页上 页返 回第11页，本讲稿共39页结论：恒定电场是无源无旋场。2.E的旋度 所取积分路径不经过电源，则 3.恒定电场（电源外）的基本方程恒定电场是无旋场。得积分形式微分形式构成方程斯托克斯定理下 页上 页返 回第12页，本讲稿共39页2.3.2 分界面的衔接条件（Boundary Conditions)说

6、明 分界面上 E 切向分量连续，J 的法向分量连续。折射定律图2.3.1 电流线的折射由得下 页上 页返 回第13页，本讲稿共39页例2.3.1 导体与理想介质分界面上的衔接条件。解:在理想介质中空气中导体中不同导体分界面？提问：表明 1 分界面导体侧的电流一定与导体表面平行。表明 2 导体与理想介质分界面上必有面电荷。下 页上 页返 回图2.3.2 导体与理想介质分界面第14页，本讲稿共39页 若 （理想导体），导体内部电场为零，电流分布在导体表面，导体不损耗能量。导体周围介质中的电场：表明 3 电场切向分量不为零，导体非等位体，导体表面非等位面。下 页上 页返 回图2.3.3 载流导体表面

7、的电场第15页，本讲稿共39页基本物理量基本物理量 J J 欧姆定律欧姆定律J J 的散度的散度E E 的旋度的旋度 基本方程基本方程 电位电位 边界条件边界条件边值问题边值问题一般解法一般解法特殊解（静特殊解（静电比拟）电比拟）电导与接地电阻电导与接地电阻图图 2.0.2 2.0.2 恒定电场的知识结构框图恒定电场的知识结构框图第16页，本讲稿共39页2.3.3 边值问题（Boundary Value Problem)分界面衔接条件拉普拉斯方程得由基本方程出发由得常数恒定电场中是否存在泊松方程？思考下 页上 页返 回第17页，本讲稿共39页 例2.3.2 试用边值问题求解电弧片中电位、电场及

8、导体分界面上的面电荷分布。(区域）解:选用圆柱坐标系，边值问题为：(区域）下 页上 页图2.3.4 不同媒质弧形导电片返 回第18页，本讲稿共39页电位 电场强度电荷面密度通解下 页上 页返 回第19页，本讲稿共39页 2.4 导电媒质中恒定电场与静电场的比拟2.4.1 比拟方法(Contrast Method)Contrast of Steady Electric Field and Electrostatics 静电场恒定电场（电源外）恒定电场E静电场ED 两种场各物理量满足相同的定解问题，则解也相同。那么，通过对一个场的求解或实验研究，利用对应量关系便可得到另一个场的解。下 页上 页返

9、回第20页，本讲稿共39页两种场可以比拟的条件1.镜像法的比拟2.4.2 比拟方法的应用（Contrast Method Application)图2.4.1 静电场与恒定电流场的镜像法比拟静电场微分方程相同；场域几何形状及边界条件相同；媒质分界面满足恒定电场下 页上 页返 回第21页，本讲稿共39页2.恒定电场模拟静电场实验固体模拟 （如导电纸模拟）实验方法：液体模拟 （如电解槽模拟）图2.4.2 静电场平行板造型 恒定电流场的电极表面近似为等位面图示恒定电流场对应什么样的静电场？比拟条件是什么？思考(条件 )下 页上 页返 回第22页，本讲稿共39页2.5.1 电导(Conductance

10、)1.通过电流场计算电导2.5 电导与接地电阻或设Conductance and Ground Resistor思路设下 页上 页返 回第23页，本讲稿共39页当满足比拟条件时，用比拟法由电容计算电导。多导体电极系统的部分电导可与静电系统的部分电容比拟。（自学）2.比拟法即下 页上 页返 回第24页，本讲稿共39页例2.5.1 求图示同轴电缆的绝缘电阻。解 设电导用静电比拟法求解由静电场根据关系式，得绝缘电阻下 页上 页图2.5.1 同轴电缆横截面返 回第25页，本讲稿共39页通解 ，代入边界条件，得电位函数解 取圆柱坐标系 ，边值问题下 页上 页电场强度图2.5.2 弧形导电片返 回例2.5

11、.2 已知导电片厚度为 h，当试求电导片的电导。第26页，本讲稿共39页电流电导电流密度下 页上 页返 回电场强度第27页，本讲稿共39页图2.5.3 深埋球形接地器1.深埋球形接地器2.5.2 接地电阻(Ground Resistor)解法一 通过电流场计算电阻解法二 比拟法接地电阻越大越好吗？如何改变R?思考下 页上 页 由接地器电阻、接地器与土壤之间的接触电阻、土壤电阻构成。接地电阻：返 回第28页，本讲稿共39页2.直立管形接地器解:考虑地面的影响，可用镜像法。实际电导即在静电场中 比拟法下 页上 页图2.5.4 直立管形接地器返 回第29页，本讲稿共39页3.非深埋的球形接地器解 用

12、镜像法接地器接地电阻 解4.浅埋半球形接地器设 I下 页上 页图2.5.5 非深埋的球形接地器返 回 图2.5.6 浅埋半球形 接地器I第30页，本讲稿共39页第31页，本讲稿共39页为危险区半径2.5.3 跨步电压(Step Voltage)以浅埋半球接地器为例人体的安全电压U040V图2.5.7 半球形接地器的危险区上 页返 回第32页，本讲稿共39页同轴电缆返 回第33页，本讲稿共39页屏蔽室接地电阻（深度 20 m）下 页返 回第34页，本讲稿共39页高压大厅网状接地电阻（深度1米）上 页返 回第35页，本讲稿共39页1.干电池和钮扣电池（化学电源）电 源 干电池电动势1.5V，仅取决

13、于（糊状）化学材料，其大小决定储存的能量，化学反应不可逆。钮扣电池电动势1.35V，用固体化学材料，化学反应不可逆。干电池钮扣电池下 页返 回第36页，本讲稿共39页氢氧燃料电池示意图2.燃料电池（化学电源）电池电动势1.23V。以氢、氧作为燃料。约40%45%的化学能转变为电能。实验阶段加燃料可继续工作。只要不断供给燃料，就可以不断输出电能，化学反应结果生成水，以水蒸汽的形式排走。燃料电池属环保产品，排出的水可以用作饮料或淋浴用。下 页上 页返 回第37页，本讲稿共39页3.太阳能电池（光能电源）一块太阳能电池电动势0.6V。太阳光照射到PN结上，会形成一个从N区流向P区的电流。约 11%的光能转变为电能 ，故常用太阳能电池板。一个50cm2太阳能电池的电动势为0.6V，电流为0.1A。下 页上 页返 回太阳能电池示意图第38页，本讲稿共39页蓄电池示意图4.蓄电池（化学电源）电池电动势2V。使用时，电池放电，当电解液浓度小于一定值时，电动势低于2V，常要充电，化学反应可逆。蓄电池进行化学反应对外电路放电，当硫酸浓度降到一定值时，电动势小于 2 V，要对蓄电池充电（还原反应）。上 页返 回第39页，本讲稿共39页