工程电磁场原理课程教案.doc

第三章 静态电磁场II：恒定电流的电场和磁场 3．1 恒定电场的基本方程与场的特性 1．恒定电场 由麦克斯韦组的磁场旋度方程，对于导电媒质中的传导电流密度Jc，有 上式两边取散度，得 又由麦克斯韦组的另一旋度方程 而导电媒质的构成方程为 由此可见，导电媒质中(电源区域外)恒定电场具有无散无旋场。 仿照静电场的处理，引入标量电位函数((r)作为辅助场量，即令E = -(( ，可得电位(满足拉普拉斯方程，即 (2( = 0 例1：设一扇形导电片，如图所示，给定两端面电位差为U0。试求导电片内电流场分布及其两端面间的电阻。 [解]：采用圆柱坐标系，设待求场量为电位(，其边值问题为： 积分，得 ( =C1( + C2 由边界条件，得 ， 故导电片内的电位 电流密度分布为 对于图示厚度为t的导电片两端面的电阻为 2．电功率 在恒定电流场中，沿电流方向截取一段元电流管，如图所示。该元电流管中的电流密度J可认为是均匀的，其两端面分别为两个等位面。在电场力作用下，dt时间内有dq电荷自元电流管的左端面移至右端面，则电场力作功为 dW = dU( dq 于是外电源提供的电功率为 故电功率体密度 或写成一般形式 p = E(J 3．不同媒质分界面上的边界条件 两种不同导电媒质分界面上的边界条件： 类同于静电场的讨论，在两种不同导电媒质分界面上场量的边界条件为 J1n= J2n 或 en((J2(J1)=0 E1t= E2t 或 en((E2(E1)=0 对于线性且各向同性的两种导电媒质，有如下类比于静电场的折射定律 良导体与不良导体分界面上的边界条件： 当电流从良导体流向不良导体时，如图所示，设(1 (((2，由折射定律可知，只要(1 ( 90(，就有(2 ( 0。这表明，当电流由良导体侧流向不良导体侧时，电流线总是垂直于不良导体((2(0)。换句话说，这时可以不计良导体内部的电压降，而把良导体表面可近似看作为等位面。 导体与理想介质分界面上的边界条件： 此时，由于Jc2n = 0，必然有Jc1n = 0；且E1t= E2t，电场强度的切向分量连续。应指出的是，虽然E1n=Jc1n /(1= 0，但E2n ( 0，其结果将使导体外表面处的电场强度E2，与导体表面不相垂直，如图所示。然而，分量E2t与E2n相比是极其微小的，因而在研究导体外表面附近的电场时，可以略去E2t分量的影响。即近似为静电场中导体的边界条件。也就是说，当分析载有恒定电流的导体外部电场时，可以应用静电场分析方法。 两种有损电介质分界面上的边界条件： 如图所示，在两种有损电介质的分界面上，应有 同时，还有 联立求解，得分界面上自由电荷面密度为 由此可见，只有当两种媒质参数满足条件时，其上表面自由电荷才为零，即(=0。 例2：设一平板电容器由两层非理想介质串联构成，如图所示。其介电常数和电导率分别为(1，(1和(2，(2，厚度分别为d1和d2，外施恒定电压U0，忽略边缘效应。试求：(1)两层非理想介质中的电场强度；(2)单位体积中的电场能量密度及功率损耗密度；(3)两层介质分界面上的自由电荷面密度。 [解]：(1) 忽略边缘效应，可以认为电容器中电流线与两介质交界面相垂直，用边界条件 又有电压关系 联立求解两式，得 ， (2)两非理想介质中的电场能量密度分别为 ， 相应的单位体积中的功率损耗分别为 ， (3)分界面上的自由电荷面密度为 3．2 恒定电场与静电场的比拟 1．静电比拟法 将均匀导电媒质中的恒定电场与无源区中均匀介质内的静电场相比较，可以看出，两者有如下表的对应关系。 均匀导电媒质中的恒定电场 无源区中均匀介质中的静电场 (2( = 0 (2( = 0 显然，只要两者对应的边界条件相同，则恒定电流场中电位(、电场强度E和电流密度Jc的分布将分别与静电场中的电位(、电场强度E和电位移矢量D的分布相一致。如果场中两种媒质分区均匀，当恒定电场与静电场两者边界条件相似，且两者对应的电导率与介电常数之间满足如下物理参数相似的条件时： 则两种场在分界面上的Jc 线与对应的D线折射情况相同。根据以上相似原理，就可以把一种场的计算和实验结果，推广应用于另一种场。这就是静电比拟法。 由静电比拟法，有 因此，可以利用电容的计算方法计算电导或电阻，反之亦然。即 例1：内外导体半径分别为a和b的同轴电缆，如图所示导体间外施电压U0。试求其因绝缘介质不完善而引起的电缆内的泄漏电流密度及其单位长绝缘电阻。 [解]： （1）解法一：恒定电场分析法 电场强度E和泄漏电流密度Jc均只有径向分量，作一半径为(的同轴单位圆柱面，且令单位长泄漏电流为I，则 ， 内外导体间电压为 由此可知泄漏电流密度