静电场边值分析.ppt

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1.直角坐标系中的分离变量法分离变量法是通过变量分离将三维偏微分方程简化为三个独立的常微分方程,从而简化求解。分离变量法对于11种正交曲面坐标系都是行之有效的。令,获得三个常微分方程为第63页,共64页,星期六,2024年,5月感谢大家观看第64页,共64页,星期六,2024年,5月例两个相互平行的半无限大接地导体平面,间距为d,其有限端被电位为?0的导电平面封闭,且与半无限大接地导体平面绝缘,如图所示。试求三个导体平面形成的槽中电位分布。Odxy?=0?=0?=?0电位满足的拉普拉斯方程变为解选取直角坐标系。槽中电位分布与z无关,这是一个二维场的问题。第31页,共64页,星期六,2024年,5月应用分离变量法,令为了满足及,Y(y)的解应为槽中电位满足的边界条件为因为y=0时,电位?=0,因此上式中常数B=0。为了满足,分离常数ky应为第32页,共64页,星期六,2024年,5月求得已知,求得可见,分离常数kx为虚数,故X(x)的解应为式中的常数C应为零?那么式中的常数C=AD。求得第33页,共64页,星期六,2024年,5月因x=0时,电位?=?0,得上式右端为变量,但左端为常量,因此不能成立。这就表明此式不能满足给定的边界条件。因此,必须取上式的线性组合作为电位方程的解。为了满足x=0,?=?0,由上式得即第34页,共64页,星期六,2024年,5月Odxy?=0?=0?=?0利用傅里叶级数的正交性,求出系数Cn为求得槽中电位分布函数为电场线等位面第35页,共64页,星期六,2024年,5月4.圆柱坐标系中的分离变量法在圆柱坐标系中,电位微分方程展开式为令求得上式中只有第二项为变量?的函数,因此将上式对?求导,得知第二项对?的导数为零,可见第二项应为常数。令第36页,共64页,星期六,2024年,5月即式中的k?为分离常数,它可以是实数或虚数。令,m为整数,则上式的解为考虑到,以及上式,则前述方程可表示为变量?的变化范围为,因此,上式的解一定是三角函数,且常数k?一定为整数。第37页,共64页,星期六,2024年,5月上式第一项仅为变量r的函数,第二项仅为变量z的函数,因此,它们应为常数。式中的分离常数kz可为实数或虚数,其解可为三角函数、双曲函数或指数函数。式中的C,D为待定常数。当kz为实数时,可令令第38页,共64页,星期六,2024年,5月将变量z的方程代入前式,得若令,则上式变为上式为标准的贝塞尔方程,其解为贝塞尔函数,即式中,为m阶第一类贝塞尔函数;为m阶第二类贝塞尔函数。当r=0时,。因此,当场区包括r=0时,只能取第一类贝塞尔函数。第39页,共64页,星期六,2024年,5月J2(x)J1(x)J3(x)J0(x)第一类贝塞尔函数x第40页,共64页,星期六,2024年,5月N3(x)N1(x)N0(x)N2(x)第二类贝塞尔函数x第41页,共64页,星期六,2024年,5月至此,我们分别求出了R(r),?(?),Z(z)的解,而电位微分方程的通解应为三者乘积,或取其线性组合。若静电场与变量z无关,则。那么电位微分方程变为此方程的解为指数函数,即若又与变量?无关,则m=0。那么,电位微分方程的解为第42页,共64页,星期六,2024年,5月考虑到以上各种情况,电位微分方程的解可取下列一般形式例设一根无限长的导体圆柱位于均匀静电场中,电场强度方向垂直于导体圆柱。试求导体圆柱外的电场强度。xyaE0O第43页,共64页,星期六,2024年,5月解选取圆柱坐标系。令z轴为圆柱轴线,电场强度的方向与x轴一致,即当导体圆柱处于静电平衡时,圆柱内的电场强度为零,圆柱为等位体,圆柱表面电场强度切向分量为零,且柱外的电位

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