陕西师范大学电动力学详细知识梳理

陕西师范大学电动力学详细知识梳理 第一章第一章 电磁现象的普遍规律电磁现象的普遍规律 一、主要内容一、主要内容： 电磁场可用两个矢量—电场强度 这一章的主要任务是： 在实验定律的基础上找出 和磁感应强度 , 来完全描写， 所满足的偏微分方程组—麦克斯韦 方程组以及洛仑兹力公式，并讨论介质的电磁性质及电磁场的能量。在电磁学的基础上从 实验定律出发运用矢量分析得出电磁场运动的普遍规律； 使学生掌握麦克斯韦方程的微分 形式及物理意义；同时体会电动力学研究问题的方法，从特殊到一般，由实验定律加假设 总结出麦克斯韦方程。完成由普通物理到理论物理的自然过渡。 二、知二、知 识识 体体 系：系： 三、内容提要：三、内容提要： 1 1．电磁场的基本实验定律：．电磁场的基本实验定律： （（1 1）库仑定律：）库仑定律： 1 / 23 陕西师范大学电动力学详细知识梳理 对个点电荷在空间某点的场强等于各点电荷单独存在时在该点场强的矢量和，即： （（2 2）毕奥——萨伐尔定律）毕奥——萨伐尔定律（电流决定磁场的实验定律） （（3 3）电磁感应定律）电磁感应定律 ①生电场为有旋场（又称漩涡场）,与静电场本质不同。 ②磁场与它激发的电场间关系是电磁感应定律的微分形式。 （（4 4）电荷守恒的实验定律）电荷守恒的实验定律 , ①反映空间某点与之间的变化关系，非稳恒电流线不闭合。 ② 若空间各点与 无关，则 ， 为稳恒电流，电流线闭合。 均与 无关，它产生的场也与 无关。稳恒电流是无源的（流线闭合） ， 2 2、电磁场的普遍规律—麦克斯韦方程、电磁场的普遍规律—麦克斯韦方程 其中： 2 / 23 陕西师范大学电动力学详细知识梳理 1 是介质中普适的电磁场基本方程，适用于任意介质。 2 当，过渡到真空情况： 3 当时，回到静场情况： 4 有 12 个未知量，6 个独立方程，求解时必须给出 介质中： 3 3、介质中的电磁性质方程、介质中的电磁性质方程 若为非铁磁介质 1、电磁场较弱时： 向同性均匀介质： ， 2、导体中的欧姆定律 在有电源时，电源内部 4 4．洛伦兹力公式．洛伦兹力公式 考虑电荷连续分布， ，为非静电力的等效场。 ， 均呈线性关系。 与，与的关系。 3 / 23 陕西师范大学电动力学详细知识梳理 单位体积受的力： 洛伦兹认为变化电磁场上述公式仍然成立，近代物理实验证实了它的正确。 说明：① ② 5.5.电磁场的边值关系电磁场的边值关系 其它物理量的边值关系： 恒定电流: 6 6、电磁场的能量和能流、电磁场的能量和能流 能量密度：能量密度： 能流密度：能流密度： 三．重点与难点三．重点与难点 1．概念：电场强度、磁感应强度、电流密度、极化强度、磁化强度、能流密度。 4 / 23 陕西师范大学电动力学详细知识梳理 2．麦克斯韦方程、电荷守恒定律、边值关系、极化强度与极化电荷的关系、磁化强度与 磁化电流的关系、应用它们进行计算和证明。 3．电磁场的能量及其传输 第二章第二章 静静 电电 场场 一、主要内容一、主要内容： 应用电磁场基本理论解决最简单的问题：电荷静止或电荷分布不随时间变化，产生的场不随时间变化 的静电场问题。 本章研究的主要问题是：在给定自由电荷分布及介质和导体分布的情况下如何求解静电场。由于静电 场的基本方程是矢量方程，求解很难，并不直接求解静电场的场强，而是通过静电场的标势来求解。 首先根据静电场满足的麦克斯韦方程，引入标势，讨论其满足的微分方程和边值关系。在后面几节中陆续 研究求解：分离变量法、镜像法和格林函数法。最后讨论局部范围内的电荷分布所激发的电势在远处的展 开式。 二、知二、知 识识 体体 系：系： 1.1.静电场的微分方程：静电场的微分方程： 边值关系： 静电场的能量： 5 / 23 陕西师范大学电动力学详细知识梳理 2.2.静电边值问题的构成：静电边值问题的构成： 3 3．静电边值问题的基本解法：．静电边值问题的基本解法： （1）镜像法 （2）分离变量法 条件：电势满足拉普拉斯方程： （3）电多极矩 (4) 格林函数法 三、内容提要：三、内容提要： 1 1．静电场的电势．静电场的电势 引入标量函数即静电势后 空间两点电势差： 6 / 23 陕西师范大学电动力学详细知识梳理 参考点： （1）电荷分布在有限区域，通常选无穷远为电势参考点 （２）电荷分布在无限区域不能选无穷远点作参考点，否则积分将无穷大。 连续分布电荷：无穷远处为参考点 2.2.电势满足的微分方程电势满足的微分方程 泊松方程： 其中仅为自由电荷分布，适用于均匀各向同性线性介质。 对的区域：电势满足拉普拉斯方程： 3.3.边值关系边值关系 ①①. .两介质界面上边值关系 ②②. .导体与介质界面上的边值关系 7 / 23 陕西师范大学电动力学详细知识梳理 ③③. .导体与导体界面上的边值关系 其中是导体的电导率 4.4.静电场的能量静电场的能量 用电势表示： 注意：①不是静电场的能量密度;是自由电荷密度,而则是空间所有电荷的电势， ② 5.5.唯一性定理：唯一性定理： ①①均匀单一介质 只适用于静电场。 当区域 V 内自由电荷分布已知，满足 8 / 23 ，若V 边界上已知，或V 边界上已知，则 陕西师范大学电动力学详细知识梳理 V 内场（静电场）唯一确定。 ② 均匀单一介质中有导体 当区域 V 内有导体存在， 给定导体之外的电荷分布 则内电场唯一确定。 ， 当 1或已知， 每个导体电势或带电量， 四、四、. .静电边值问题的基本解法：静电边值问题的基本解法： 1.1.镜像法：镜像法： 理论依据：唯一性定理，采用试探解的方法。 镜像法：镜像法： 用假想点电荷来等效地代替导体或介质边界面上的未知面电荷分布，然后用空间点电荷和等效点电 荷迭加给出空间电势分布。 条件：条件： ①所求区域内只能有少许几个点电荷（只有点电荷产生的感应电荷才能用点电荷代替。）或是简单的 连续分布。 ②导体边界面形状规则，具有一定对称性。 ③给定边界条件。 要求：要求： ①做替代时，不能改变原有电荷分布（即自由点电荷位置、Q 大小不 能变）。泊松方程不能改变。所以假想电荷必须放在所求区域之外。 9 / 23 陕西师范大学电动力学详细知识梳理 ②不能改变原有边界条件，通过边界条件确定假想电荷的大小和位置。 ③一旦用了假想等效电荷，不能再考虑边界面上的电荷分布。 ④坐标系根据边界形状来选择。 2.2.分离变量法：分离变量法： 条件条件：电势满足拉普拉斯方程： ①空间处处 用拉普拉斯方程。 ，自由电荷只分布在某些介质（如导体）表面上，将这些表面视为区域边界，可以 ②在所求区域介质中有自由电荷分布，若这个自由电荷分布在真空中，产生的势 中电势可表示为两部分的和 为已知，则区域V 不满足，但表面上的电荷产生的电势使满足，仍可用拉普拉斯方程求解。 注意：注意：边值关系还要用而不能用。 拉普拉斯方程的通解： 轴对称通解： 为勒让德函数， … 10 / 23 陕西师范大学电动力学详细知识梳理 球对称球对称通解：若与均无关，即具有球对称性，则通解为： 解题步骤解题步骤 ①选择坐标系和电势参考点 坐标系选择主要根据区域中分界面形状 参考点主要根据电荷分布是有限还是无限 ②