工程电磁场第2章恒定电场.ppt

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1、1,第二章 恒定电场,(Steady Electric Field),序,导电媒质中的电流,基本方程 分界面衔接条件 边值问题,导电媒质中恒定电场与静电场的比拟,电导和接地电阻,电源电动势与局外场强,2,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。,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。,基本方程,E 的旋度,边值问题,边界条件,电 位,一般解法,电导与接地电阻,特殊解(静电比拟),恒定电场知识结构,基

2、本物理量 J、E,欧姆定律,J 的散度,4,2.1.1 电流(Current),定义：单位时间内通过某一横截面的电量。,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。,电流I 是通量,是标量,其正负号表示电流流动参考方向。并不反映电流在每一点的流动情况。,5,1.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,电流密度（Current Density),图2.1.1 电流面密度矢量,图2.1.2 电流的计算,电流密度是一个矢量，在各向同性线性导电媒质中，它与电场强度方向一致。,6,

3、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。,分布的面电荷 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,电流线密度,线电流：t 分布的线电荷沿着导线以速度v运动形成的电流 I=t v,7,3.元电流的概念,元电流是元电荷以速度 v 运动形成的电流，也指沿电流方向上一个微元段上的电流。,工程应用,媒质磁化后的表面磁化电流；,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。,图2.1.4 媒质的磁化电流,8,J与E之关系,电流管压降,取一电流管,电阻定义,恒定电流场与恒定电场相互依存。电流J与电场E

4、方向一致。电路理论中的欧姆定律由它积分而得，即 U=RI,欧姆定律的微分形式(Differential Form of Ohms Law),9,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,图2.1.5 J 与 E 之关系,10,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,W,焦耳定律微分形式,焦耳定律积分形式,11,要想在导

5、线中维持恒定电流，必须依靠非静电力将B极板的正电荷抵抗电场力搬到A极板。这种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),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,电源电动势(Source EMF),图2.2.1 恒定电流的形成,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,考虑局外场强Ee，电源内的欧姆定律为,电源电动势与有无外电路无关，其表示将单位正电荷从电源负极移到正极局外电场所做的功，电动势是表征电源特性的物理量。,13,基本方程(Basic Equations),

6、在恒定电场中,故,电荷守恒原理,1.J 的散度,亦称电流连续性方程,恒定电流场是一个无源场，电流线是连续的，恒定电流只能在闭合回路中流动。电路一断开，电流场就不能存在。,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,积分形式,微分形式,构成方程,15,分界面的衔接条件（Boundary Conditions),说明 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,例 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

7、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。,图2.3.2 导体与理想介质分界面,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：,图2.3.3 载流导体表面的电场,18,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,例 试用边值问题求解电弧片中电位、电场及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）,图2.3.4 不同媒质弧形导电片,电位,电场强度,电荷面密度,通解,21,2.4 导电媒质中恒定电场与静电场的比拟,比拟

8、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,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。,两种场可以比拟的条件,1.镜像法的比拟,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,2.恒定电场模拟静电场实验,固体模拟（如导电纸模拟）

9、,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,(条件),24,电导(Conductance),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,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,例 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,绝缘电阻,图2.5.1 同轴电缆横截面,通解，代入边界条件，得,电位函数,解 取圆柱坐标系，边值问题,电场强度,图2.5.

10、2 弧形导电片,电流,电导,电流密度,电场强度,图2.5.3 深埋球形接地器,1.深埋球形接地器,接地电阻(Ground Resistor),解法一 通过电流场计算电阻,解法二 比拟法,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,图2.5.4 直立管形接地器,3.非深埋的球形接地器,解 用镜像法,接地器接地电阻,解,4.浅埋半球形接地器,图2.5.5 非深埋的球形接地器,32,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,同轴电缆,返 回,屏蔽室接地电阻（深度 20 m）,下 页,返

11、回,高压大厅网状接地电阻（深度1米）,上 页,返 回,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,37,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。,38,3.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。,39,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）。,