兰州大学姜孟瑞电动力学 1-5 电磁场边值关系.ppt

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1、兰州大学姜孟瑞电动力学 1-5 电磁场边值关系 Four short words sum up what has lifted most successful Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more. individuals above the crowd: a little bit more. -author -author -date-date 边值关系是描述两侧场量与界面上电荷电流的边值关系是描述两侧场量与界面上电荷电流的关

2、系。由于场量跃变的原因是面电荷、电流激发附关系。由于场量跃变的原因是面电荷、电流激发附加的电磁场，而积分形式的麦氏方程可以应用于任加的电磁场，而积分形式的麦氏方程可以应用于任意不连续分布的电荷电流所激发的场，因此，意不连续分布的电荷电流所激发的场，因此，在两在两介质分界面上，应该用介质分界面上，应该用麦氏方程组的积分形式求解麦氏方程组的积分形式求解电磁场。边值关系就是电磁场。边值关系就是两介质分界面上经过化简以两介质分界面上经过化简以后的麦氏方程组的积分形式后的麦氏方程组的积分形式。 下面我们分别求出场量的法向分量和切向分量下面我们分别求出场量的法向分量和切向分量的跃变。的跃变。麦氏方程组的积

3、分形式为：麦氏方程组的积分形式为：(1)(2)(3)(4)我们先从最简单的开始。在分界面上化简我们先从最简单的开始。在分界面上化简0dSB0dddddddddddfSVSSLSLVQtItSBSDSDlHSBlE当柱体的厚度趋于零时当柱体的厚度趋于零时,对侧面对侧面的积分趋于零的积分趋于零,对上下底面积分对上下底面积分得得(B2nB1n) S=0 。1. 关于磁感强度的边值关系：关于磁感强度的边值关系：0dSB将方程将方程应用到两介质应用到两介质2B1BB2n=B1n或矢量形式：或矢量形式：n(B2- -B1)=0此式表示界面两侧此式表示界面两侧B的法向分量连续。的法向分量连续。由此得到：由此

4、得到：分界面上的一个扁平状柱体表面。分界面上的一个扁平状柱体表面。上式左边的面积分遍及柱体的上上式左边的面积分遍及柱体的上下底和侧面。下底和侧面。质边界上的一个扁平状柱体表质边界上的一个扁平状柱体表面。上式左边的面积分遍及柱面。上式左边的面积分遍及柱体的上下底和侧面。当柱体的体的上下底和侧面。当柱体的厚度趋于零时厚度趋于零时,对侧面的积分趋对侧面的积分趋于 零于 零 , 对 上 下 底 面 积 分 得对 上 下 底 面 积 分 得(D2nD1n) S 。2. 关于电位移的边值关系：关于电位移的边值关系：2D1D将方程将方程应用到两介应用到两介fdQSD(D2nD1n) S =f S 即即D2n

5、D1n=f n(D2- -D1)=f或矢量形式：或矢量形式：由此得到：由此得到：为了弄清楚边界条件的物理意义，我们先把总电场的麦氏为了弄清楚边界条件的物理意义，我们先把总电场的麦氏方程方程:上式左边的面积分遍及柱体的上下上式左边的面积分遍及柱体的上下底和侧面底和侧面,Qf和和Qp分别为柱体内的总分别为柱体内的总自由电荷和总束缚电荷自由电荷和总束缚电荷,它们等于相它们等于相应的电荷面密度应的电荷面密度f 和和p乘以底面积乘以底面积S。当柱体的厚度趋于零时。当柱体的厚度趋于零时,对侧对侧Pf0dQQSE应用到两介质边界上的一个扁平应用到两介质边界上的一个扁平状柱体。状柱体。面的积分趋于零面的积分趋

6、于零,对上下底面积分得对上下底面积分得0(E2nE1n) S 。如右图如右图:通过薄层右侧面进通过薄层右侧面进入介质入介质2的正电荷为的正电荷为:- -P2dS ，由介质，由介质1通过薄通过薄层左侧进入薄层的正电荷层左侧进入薄层的正电荷为为P1dS ，因此，薄层内，因此，薄层内出现的净余电荷为出现的净余电荷为(P2 P1) dS ，以，以P表示束缚电荷面密表示束缚电荷面密度，有度，有0(E2nE1n) S = Qf+Qp0(E2nE1n) =f+p SPPd)(d21PS)(21PPPn由此，由此，n为分界面上由介质为分界面上由介质1指向介质指向介质2的法线。的法线。由此看出，极化矢量的跃变与

7、束缚电荷面密度相由此看出，极化矢量的跃变与束缚电荷面密度相关，关，Dn的跃变与自由电荷面密度相关，的跃变与自由电荷面密度相关，En的跃变的跃变与总电荷面密度相关。与总电荷面密度相关。P12nnPP与与0(E2nE1n) =f+p 相加，相加，将将利用利用得：得：nnnnnn22021101PEDPED，f12nnDD由上面的推导我们可以看清楚自由电荷和面束缚由上面的推导我们可以看清楚自由电荷和面束缚电荷在边值关系中所起的作用。由于在通常情况电荷在边值关系中所起的作用。由于在通常情况下只给出自由电荷，因而实际上主要应用关于下只给出自由电荷，因而实际上主要应用关于Dn的边值关系式。的边值关系式。面

8、电荷分布使界面两侧电场法向分量发生跃变，面电荷分布使界面两侧电场法向分量发生跃变，我们可以证明面电流分布使界面两侧磁场切向我们可以证明面电流分布使界面两侧磁场切向面电流分布面电流分布:面电流实际上是在靠近面电流实际上是在靠近表面的相当多分子层内表面的相当多分子层内电流的平均宏观效应。电流的平均宏观效应。3. 关于磁场强度的边值关系：关于磁场强度的边值关系：分量生跃变。我们先说明表分量生跃变。我们先说明表面电流分布的概念。面电流分布的概念。图示为界面的一部分，其上有面图示为界面的一部分，其上有面电流，其线密度为电流，其线密度为，l为横截为横截线，垂直流过线，垂直流过l段的电流为段的电流为:I=l

9、关于磁场强度的边值关系：关于磁场强度的边值关系：旁取一狭长形回路，回路的一长边旁取一狭长形回路，回路的一长边在介质在介质1中，另一长边在介质中，另一长边在介质2中。中。长边长边l与面电流与面电流正交。正交。定义电流线密度定义电流线密度，其大小等于垂，其大小等于垂直通过单位横截线的电流。直通过单位横截线的电流。由于存在面电流，在界面两侧的磁由于存在面电流，在界面两侧的磁如图，在界面两如图，在界面两场强度发生跃变。场强度发生跃变。在狭长形回路上应用麦氏方程：在狭长形回路上应用麦氏方程：SLtISDlHddddf取回路上下边深入到足够多分子层取回路上下边深入到足够多分子层内部，使面电流完全通过回路内

10、部。内部，使面电流完全通过回路内部。其中其中t表示沿表示沿l的切向分量。的切向分量。lHHL)(d1t2tlHIf=fl由于回路所围面积趋于零，由于回路所围面积趋于零，而而D/t为有限量，因而为有限量，因而0dddStSD从宏观来说回路短边的长度仍从宏观来说回路短边的长度仍可看作趋于零，因而有可看作趋于零，因而有通过回路内的总自由电流为通过回路内的总自由电流为把这些式子代入把这些式子代入得得:SLtISDlHddddff12tt HH上式可以用矢量形式表示。设上式可以用矢量形式表示。设l为为界面上任一线元，界面上任一线元，t为为l方向上的单方向上的单位矢量。流过位矢量。流过l的自由电流为的自由

11、电流为对于狭长形回路，应用对于狭长形回路，应用得得lnlnfffISLtISDlHddddflnlHHlHff12)(dIL由于由于l为界面上任一矢量，因此为界面上任一矢量，因此上式再用上式再用n叉乘叉乘注意到注意到这就是磁场切向分量的边值关系。这就是磁场切向分量的边值关系。nHHf/12)()()(12/12HHnHHn0fn得到得到f12)(HHn式中式中/表示投射到界面上的矢量。表示投射到界面上的矢量。4. 关于电场强度的边值关系：关于电场强度的边值关系：即即E2tE1t=02E1EnlSLtSBlEdddd同理，应用同理，应用可得电场切向分量的边值关系。可得电场切向分量的边值关系。此式

12、表示界面两侧此式表示界面两侧E的切向分量连续。的切向分量连续。0)(d1t2tlEELlE对应的矢量形式为：对应的矢量形式为：0)(12EEn以后在公式中出现的以后在公式中出现的和和, 除特别声明者外，都代表自由除特别声明者外，都代表自由电荷面密度和自由电荷线密度，不再写出角标电荷面密度和自由电荷线密度，不再写出角标f。这组方程和麦氏方程积分式一一对应。边值关系表示界面这组方程和麦氏方程积分式一一对应。边值关系表示界面两侧的场以及界面上电荷电流的制约关系，它们实质上是两侧的场以及界面上电荷电流的制约关系，它们实质上是边界上的场方程。边界上的场方程。0)()()(0)(12121212BBnDD

13、nHHnEEnnnnntttt12121212BBDDHHEE或或总括我们得到的边值关系为：总括我们得到的边值关系为：同样，把边值关系应用到上板与介质同样，把边值关系应用到上板与介质2界面上得界面上得无穷大平行板电容器内有两层介质无穷大平行板电容器内有两层介质(如图如图)，极板，极板上面电荷密度上面电荷密度f，求电场和束缚电荷分布。，求电场和束缚电荷分布。例例:解解: 由对称性可知，电场沿垂直于平板的方向，把边由对称性可知，电场沿垂直于平板的方向，把边值关系应用于下板与介质值关系应用于下板与介质1界面上，因导体内场强界面上，因导体内场强为零，故得为零，故得由此可得：由此可得：f1D，f2 Df2D2f2E，1f1E束缚电荷分布于介质表面上。在两介质界面束缚电荷分布于介质表面上。在两介质界面处处,f= 0，由，由0(E2nE1n) =f+p得：得：f1020120P)(EE在介质在介质1与下板分界处，由与下板分界处，由0(E2nE1n) =f+p得得10f10fP1E容易验证容易验证说明介质整体是电中性的。说明介质整体是电中性的。在介质在介质2与上板分界处，与上板分界处， 20f20fP1E0PPP