电磁学第十三讲.pptVIP

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思考题讨论 思考题2-7 一个平板电容器内按图示填充三类电介质,能否解出各介质中的电场? 思考题2-9 两个半无限大导体板构成夹角为?的二面角,点电荷q位于二面角内某一点,当?满足什么要求时,电像法有效? 思考题3-1 电子的静止能量除了静电能外还有其他来源Wx。为解释电子的半径re,Wx是正还是负?与mc2相比大小如何? 特别思考题 思考题2-10 电场线与介质界面重合情形是否总能按照E=?E0求解?例子:两个导体,介质填充在其中一个导体的电场线管内。 加入介质后,导体1表面的自由电荷必然重新分布,使得总电荷面密度与无介质时自由电荷面密度的分布成比例,比例系数?1。 这就要求导体2上的总电荷面密度有同样的“衰减”,总电量也要作同样的减少。 但导体2上只有自由电荷,加入介质前后的电荷总量应该不变! 如何解决矛盾?书中方法失效! 问题出现在什么地方? 书中方法有效的前提是,体系允许有介质时的总电荷与无介质时的自由电荷有相同分布形式: ?e=??e0 并不是任何情况下总能做到这一点。 其他例子:两个导体 (U1U2) 之间的一电场线管填充电介质。 设无介质时?S1带电q,则?S2带电?q。有介质时两界面上自由电荷分别是q?和? q?,两界面上总电荷分别是q?/?r和? q?/?r。 有与无介质时,界面附近电场之比?=q?/q?r。 如果E=?E0成立,必须有 ?=(Q1 ? q?)/(Q1 ?q)=(Q2 + q?)/(Q2 +q), 即要求Q1= ?Q2。 除此以外,有无介质时的电场不会成比例分布。 第十三讲 2010-04-15 第三章 静电能 §3.1 真空中点电荷间的相互作用能 §3.2 连续电荷分布的静电能 §3.3 电荷体系在外电场中的静电能 §3.4 电场的能量和能量密度 §3.5 非线性介质及电滞损耗 §3.6 利用静电能求静电力 3.4 电场的能量和能量密度 静电能贮存在哪里? 前面导出的静电能公式都与电荷相联系,似乎静电能只贮存在电荷上,电荷周围空间的静电能为零!这是早期“超距作用”的观点。 另一方面,静电力可以由电场传递,暗示静电能公式也可能以电场的形式来表达,这就是“近距作用”的观点。 最终由电磁波的赫兹实验评判。 先从平行板电容器的静电能公式入手 前有 设电容器极板间填满介质,则有 Q=?e0S=DS,U=Ed, 从而上述静电能公式可改用电场强度表示 式中V=Sd为两极板间的体积,即电场空间的体积。 定义单位体积的静电能为静电能密度: 写成矢量式如下 可见,原认为局限于极板表面电荷中的静电能,实际上贮存于电场空间。逐点对应,局域量! 对一般形式的电场,总静电能应为 这样定义的静电能密度和静电能计入了介质的极化能,它要求介质是线性无损耗的。 [例3.5] 从电场的能量公式 (3.4.4) 出发,重新计算孤立带电导体球 (电量为q, 半径为R) 的静电能。 [解] 由高斯定理可求得该导体球的电场强度 上述结果与例3.2所得结果一致。这说明,在静电场范围内,式 (3.2.13) 和式 (3.4.4) 完全等效。 最后我们写出宏观静电能和介质极化能的表达式。将D=?0E+P代入式 (3.4.4) 得 式中 在静电学范围内,上两式分别与式 (3.2.10) 和(3.2.14) 等效,?0E2/2为宏观静电能密度,P?E/2为极化能密度,二者之和等于静电能密度we=D?E/2。 上两式对非静电场情形依然成立。 *3.5 非线性介质及电滞损耗 前述静电能公式仅适用于线性无损耗介质。如何处理非线性有损耗介质?继续分析例3.3中填满均匀介质的平行板电容器,其充电过程中电源做元功 dA??udq. 将u=El, q=?e0S=DnS代入上式得 dA??(EdDn)Sl?E?dDV. 于是对单位体积的电介质,电源所做的元功为 da??dA?/V?E?dD 由D??0E+P,可将上式改写为 da??d(?0E2/2)+E?dP 物理意义:电源所做的功一部分用来增加宏观静电能,一部分转化为对介质所做的极化功。 极化功的具体形式及后果取决于极化规律。 对线性无损耗介质,极化规律的一般形式为 Pi??i ?ij?0Ej, ?ij??ji.→ E?dP??i?j?ij?0EidEj??j (?i?ji?0Ei) dEj ??j Pj dEj ? P?dE 于是有d(P?E)?E?dP+P

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