恒定电流场课件.ppt

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1、恒定电流场第1页，此课件共22页哦1.1.电流及电流强度电流及电流强度 分类：分类：传导电流传导电流与与运流电流运流电流。传导电流传导电流是导体中的自由电子（或空穴）或者是电解液中的离子运动是导体中的自由电子（或空穴）或者是电解液中的离子运动形成的电流形成的电流。运流电流运流电流是电子、离子或其它带电粒子在真空或气体中运动形成的电流。是电子、离子或其它带电粒子在真空或气体中运动形成的电流。3.1 3.1 恒定电场中恒定电场中J J与与E E的关系的关系第2页，此课件共22页哦 电流强度：电流强度：单位时间内穿过某一截面的电量，又简称为电流，以单位时间内穿过某一截面的电量，又简称为电流，以 I

2、表示。表示。电流的单位为电流的单位为A（安培安培）。因此，电流因此，电流 I 与电荷与电荷 q 的关系为的关系为tqIdd 电流密度：电流密度：是一个矢量，以是一个矢量，以 J 表示。电流密度的方向为表示。电流密度的方向为正正电荷的运动方向电荷的运动方向，其大小为单位时间内，其大小为单位时间内垂直垂直穿过单位面积的电荷量。穿过单位面积的电荷量。因此，穿过任一有向面元因此，穿过任一有向面元 dS 的电流的电流 dI 与电流密度与电流密度 J 的关系为的关系为 SJ ddI第3页，此课件共22页哦那么，穿过任一截面那么，穿过任一截面 S 的电流的电流 I 为为SI d SJ此式表明，此式表明，穿过

3、某一截面的电流等于穿过该截面电流密度的穿过某一截面的电流等于穿过该截面电流密度的通量通量。在外源的作用下，大多数导电媒质中某点的传导电流密度在外源的作用下，大多数导电媒质中某点的传导电流密度 J 与该点的电场强度与该点的电场强度 E 成正比，即成正比，即EJ式中式中 称为电导率，其单位为称为电导率，其单位为 S/m。值愈大表明导电能力愈强，即使在微值愈大表明导电能力愈强，即使在微弱的电场作用下，也可形成很强的电流。弱的电场作用下，也可形成很强的电流。上式又称为欧姆定律上式又称为欧姆定律 的微分形式。的微分形式。IRU 第4页，此课件共22页哦 电导率为无限大的导体称为电导率为无限大的导体称为理

4、想导电体理想导电体。显然，在理想导电体中，无需。显然，在理想导电体中，无需电场推动即可形成电流。由上式可见，在理想导电体中是不可能存在恒定电场电场推动即可形成电流。由上式可见，在理想导电体中是不可能存在恒定电场的，否则，将会产生无限大的电流，从而产生无限大的能量。但是，任何能量的，否则，将会产生无限大的电流，从而产生无限大的能量。但是，任何能量总是有限的。总是有限的。电导率为零的媒质，不具有导电能力，这种媒质称为电导率为零的媒质，不具有导电能力，这种媒质称为理想介质理想介质。71017.671080.531071010.451071054.3111071057.112107101510媒媒 质

5、质电导率电导率(S/m)媒媒 质质电导率电导率(S/m)银银海海 水水4紫紫 铜铜淡淡 水水金金干干 土土铝铝变压器油变压器油黄黄 铜铜玻玻 璃璃铁铁橡橡 胶胶第5页，此课件共22页哦 运流电流运流电流的电流密度并不与电场强度成正比，而且电流密度的方向与电的电流密度并不与电场强度成正比，而且电流密度的方向与电场强度的方向也可能不同场强度的方向也可能不同。可以证明。可以证明运流电流的电流密度运流电流的电流密度J 与运动速度与运动速度 v 的关的关系为系为 vJ式中式中 为电荷密度。为电荷密度。与介质的极化特性一样，媒质的导电性能也表现出均匀与非均匀，线性与非与介质的极化特性一样，媒质的导电性能也

6、表现出均匀与非均匀，线性与非线性以及各向同性与各同异性等特点，这些特性的含义与前相同。上述公式仅适线性以及各向同性与各同异性等特点，这些特性的含义与前相同。上述公式仅适用于各向同性的线性媒质。用于各向同性的线性媒质。第6页，此课件共22页哦3.2 恒定电场基本方程恒定电场基本方程 设闭合面设闭合面 S 包围的体积包围的体积 V 中驻立电荷的体密度为中驻立电荷的体密度为 ，则，则VVq dVttqSVdd SJ那么，那么，1.1.电流连续性原理电流连续性原理电流流出来为正，电量是减少的，电流流出来为正，电量是减少的，第7页，此课件共22页哦根据高斯定理，求得根据高斯定理，求得 t J上式为电荷守

7、恒原理的微分形式。因此，对于恒定电流场，得上式为电荷守恒原理的微分形式。因此，对于恒定电流场，得0 J此式表明，此式表明，恒定电流场是无散的恒定电流场是无散的。已知恒定电流场中的电荷分布与时间无关，即已知恒定电流场中的电荷分布与时间无关，即 ，由此得，由此得 0tS 0d SJ 此式表明，在恒定电流场中，电流密度通过任一闭合面的通量为零。如果此式表明，在恒定电流场中，电流密度通过任一闭合面的通量为零。如果以一系列的曲线描述电流场，令曲线上各点的切线方向表示该点电流密度的方以一系列的曲线描述电流场，令曲线上各点的切线方向表示该点电流密度的方向，这些曲线称为向，这些曲线称为电流线电流线。那么，电流

8、线是连续闭合的。它和电场线不同，电流。那么，电流线是连续闭合的。它和电场线不同，电流线没有起点和终点，这一结论称为线没有起点和终点，这一结论称为电流连续性原理电流连续性原理。第8页，此课件共22页哦2.电动势电动势 如图所示，首先将外接的导电媒质移去，讨论开路情况下外源内部的作用过程。如图所示，首先将外接的导电媒质移去，讨论开路情况下外源内部的作用过程。在外源中在外源中非静电力非静电力作用下，正电荷不断地移作用下，正电荷不断地移向正极板向正极板 P，负电荷不断地移向负极板，负电荷不断地移向负极板 N。极板上的。极板上的电荷在外源中形成电场电荷在外源中形成电场 E，其方向由正极板指向，其方向由正

9、极板指向负极板，而且随着极板上电荷的增加不断增强负极板，而且随着极板上电荷的增加不断增强。E导电媒质PNE外 源 显然，由极板上电荷产生的电场力阻止正电显然，由极板上电荷产生的电场力阻止正电荷继续向正极板移动，同时也阻止负电荷继续向荷继续向正极板移动，同时也阻止负电荷继续向负极板移动，一直到极板电荷产生的电场力等于负极板移动，一直到极板电荷产生的电场力等于外源中的非电力时，外源的电荷运动方才停止，外源中的非电力时，外源的电荷运动方才停止，极板上的电荷也就保持恒定。极板上的电荷也就保持恒定。第9页，此课件共22页哦 既然外源中的非静电力表现为对于电荷的作用力，因此，通常认为这种非既然外源中的非静

10、电力表现为对于电荷的作用力，因此，通常认为这种非静电力是由外源中存在的外电场产生的，其电场强度仍然定义为对于单位正电静电力是由外源中存在的外电场产生的，其电场强度仍然定义为对于单位正电荷的作用力，以荷的作用力，以 E表示。由于外电场使正电荷移向正极板，负电荷移向负极板，因此表示。由于外电场使正电荷移向正极板，负电荷移向负极板，因此，外电场的方向由负极板指向正极板。可见，在外源中外电场，外电场的方向由负极板指向正极板。可见，在外源中外电场 E 的方向与极板电荷的方向与极板电荷形成的电场形成的电场 E 的方向恰好相反。当外源中的外电场与极板电荷的电场等值反的方向恰好相反。当外源中的外电场与极板电荷

11、的电场等值反向时，外源中合成电场为零，电荷运动停止。向时，外源中合成电场为零，电荷运动停止。若外源的极板之间接上导电媒质，正极板上的正电荷通过导电媒质移向负极板若外源的极板之间接上导电媒质，正极板上的正电荷通过导电媒质移向负极板；负极板上的负电荷通过导电媒质移向正极板。因而导致极板上电荷减少，使得外源；负极板上的负电荷通过导电媒质移向正极板。因而导致极板上电荷减少，使得外源中由极板电荷形成的电场中由极板电荷形成的电场 E 小于外电场，外电场又使外源中的正负电荷再次移动，小于外电场，外电场又使外源中的正负电荷再次移动，外源不断地向正极板补充新的正电荷，向负极板补充新的负电荷。外源不断地向正极板补

12、充新的正电荷，向负极板补充新的负电荷。第10页，此课件共22页哦 由上可见，极板上的电荷通过导电媒质不断流失，外源又不断地向极板补充新由上可见，极板上的电荷通过导电媒质不断流失，外源又不断地向极板补充新电荷，从而维持了连续不断的电流。因此，为了在导电媒质中产生连续不断的电流电荷，从而维持了连续不断的电流。因此，为了在导电媒质中产生连续不断的电流，必须依靠外源。，必须依靠外源。当达到当达到动态平衡动态平衡时，极板上的电荷分布保持不变。这样，极板时，极板上的电荷分布保持不变。这样，极板电荷在外源中以及在导电媒质中产生电荷在外源中以及在导电媒质中产生恒定电场恒定电场，且在外源内部保持，且在外源内部保

13、持 ，在包括外源及导电媒质的整个回路中维持恒定的电流。，在包括外源及导电媒质的整个回路中维持恒定的电流。EE 注意，极板上的电荷分布虽然不变，但是极板上的电荷并不是静止的注意，极板上的电荷分布虽然不变，但是极板上的电荷并不是静止的。它们是在不断地更替中保持分布特性不变，因此，这种电荷称为。它们是在不断地更替中保持分布特性不变，因此，这种电荷称为驻立电驻立电荷荷。驻立电荷是在外源作用下形成的，一旦外源消失，驻立电荷也将随。驻立电荷是在外源作用下形成的，一旦外源消失，驻立电荷也将随之逐渐消失。之逐渐消失。第11页，此课件共22页哦 外电场由负极板外电场由负极板 N 到正极板到正极板 P 的线积分称

14、为外源的的线积分称为外源的电动势电动势，以，以e 表示，即表示，即 lEd PNe达到动态平衡时，在外源内部达到动态平衡时，在外源内部 ，所以上式又可写为，所以上式又可写为 EElE d PNe考虑到导电媒质中，考虑到导电媒质中，那么，上式可写成，那么，上式可写成 EJl 0d lJ 驻立电荷产生的恒定电场与静止电荷产生的静电场一样，也是一种保守驻立电荷产生的恒定电场与静止电荷产生的静电场一样，也是一种保守场。因此，它沿任一闭合回路的线积分应为零，即场。因此，它沿任一闭合回路的线积分应为零，即l 0d lE第12页，此课件共22页哦对于均匀导电媒质，上式变为对于均匀导电媒质，上式变为 l 0d

15、 lJ根据斯托克斯定理，求得上两式的微分形式如下：根据斯托克斯定理，求得上两式的微分形式如下：0 J0 J可见，均匀导电媒质中，恒定电流场是无旋的。可见，均匀导电媒质中，恒定电流场是无旋的。0 J0 J恒定电场的基本方程：恒定电场的基本方程：S 0d SJl 0d lJ第13页，此课件共22页哦3.3 恒定电流场在不同介质边界上的边界条件恒定电流场在不同介质边界上的边界条件已知恒定电流场方程的积分形式为已知恒定电流场方程的积分形式为 l 0d lJS 0d SJ0 J0 J对应的微分形式为对应的微分形式为 由积分形式的恒定电流场方程导出边界两侧由积分形式的恒定电流场方程导出边界两侧电流密度的切

16、向分量电流密度的切向分量关系为关系为2t21t 1JJ而边界两侧电流密度的法向分量关系为而边界两侧电流密度的法向分量关系为 2n1nJJ第14页，此课件共22页哦由此可见，在两种导电媒质的边界上，电流密度矢量的切向分量是不连续的，但由此可见，在两种导电媒质的边界上，电流密度矢量的切向分量是不连续的，但其法向分量连续其法向分量连续。已知已知 ，那么根据上述恒定电流场的边界条件可以导出导电媒质中，那么根据上述恒定电流场的边界条件可以导出导电媒质中恒定电场的边界条件为恒定电场的边界条件为 EJn221n12tt 1EEEE 已知理想导电体内部不可能存在电场，那么，理想导电体表面不可已知理想导电体内部

17、不可能存在电场，那么，理想导电体表面不可能存在切向电场，因而也不可能存在切向恒定电流。当电流由理想导电能存在切向电场，因而也不可能存在切向恒定电流。当电流由理想导电体流出进入一般导电媒质时，电流线总是垂直于理想导电体表面。体流出进入一般导电媒质时，电流线总是垂直于理想导电体表面。第15页，此课件共22页哦例例1 已知一平板电容器由两层非理想介质串联构成，如图示。其介电常数分别为已知一平板电容器由两层非理想介质串联构成，如图示。其介电常数分别为 1 和和 2，电导率分别为，电导率分别为 1 和和 2，厚度分别为，厚度分别为 d1 和和 d2。当外加恒定电压为。当外加恒定电压为 V 时时，试求两层

18、介质中的电场强度。，试求两层介质中的电场强度。1 1 2 2d1d2U解解 由于电容器外不存在电流，可以认为由于电容器外不存在电流，可以认为电容器中的电流线与边界垂直，求得电容器中的电流线与边界垂直，求得 2211EEUdEdE2211又又由此求出两种介质中的电场强度分别为由此求出两种介质中的电场强度分别为 UddE122121UddE122112第16页，此课件共22页哦例例2 2 设一段环形导电媒质，其形状及尺寸如图示。计算两个端面之间的电设一段环形导电媒质，其形状及尺寸如图示。计算两个端面之间的电阻。阻。Uyxtabr0(r,)0解解 显然，必须选用圆柱坐标系。设两个端显然，必须选用圆柱

19、坐标系。设两个端面之间的电位差为面之间的电位差为U，且令，且令 当角度当角度 时，电位时，电位 。001当角度当角度 时，电位时，电位 。2U2那么，由于导电媒质中的电位那么，由于导电媒质中的电位 仅与角度仅与角度 有关，因此电位满足的方程式为有关，因此电位满足的方程式为0dd22此式的通解为此式的通解为 21CC仿照静电场的处理，引入标量电位函数仿照静电场的处理，引入标量电位函数(r)r)作为作为辅助场量，即令辅助场量，即令E=-E=-，可得电位，可得电位 满足拉普拉满足拉普拉斯方程，即斯方程，即 2 2 =0=0第17页，此课件共22页哦 利用给定的边界条件，求得利用给定的边界条件，求得

20、U2rUr2eeEJ导电媒质中的电流密度导电媒质中的电流密度 J 为为 那么由那么由 的端面流进该导电媒质的电流的端面流进该导电媒质的电流 I 为为 2)d(2drtrUISeeSJS abUtrrUtbaln2d2因此该导电块的两个端面之间的电阻因此该导电块的两个端面之间的电阻 R 为为 abtIVRln2第18页，此课件共22页哦3.4 恒定电流场与静电场的比拟恒定电流场与静电场的比拟 已知无外源区中均匀导电媒质内的恒定电流场方程和无源区中均匀介质内的静电场已知无外源区中均匀导电媒质内的恒定电流场方程和无源区中均匀介质内的静电场方程如下：方程如下：恒定电流场恒定电流场)0(E静电场静电场)

21、0(0d llE0d llE0d SSJ0d SSD0E0E0 J0 D可见，两者非常相似，恒定电流场的电流密度可见，两者非常相似，恒定电流场的电流密度 J 相当于静电场的电场强度相当于静电场的电场强度 E，电流，电流线相当于电场线。线相当于电场线。EJEDn21n2tt 1JJEEn21n2tt 1DDEEVQC/VIG/第19页，此课件共22页哦 因此，当恒定电流场与静电场的边界条件相同时，电流密度的分布与电场强因此，当恒定电流场与静电场的边界条件相同时，电流密度的分布与电场强度的分布特性完全相同。根据这种类似性，可以利用已经获得的静电场的结果直度的分布特性完全相同。根据这种类似性，可以利

22、用已经获得的静电场的结果直接求解恒定电流场。或者由于在某些情况下，恒定电流场容易实现且便于测量时接求解恒定电流场。或者由于在某些情况下，恒定电流场容易实现且便于测量时，可用边界条件与静电场相同的电流场来研究静电场的特性，这种方法称为，可用边界条件与静电场相同的电流场来研究静电场的特性，这种方法称为静电静电比拟比拟。例如，两电极间的电流场与静电场对应分布如下图示：例如，两电极间的电流场与静电场对应分布如下图示：PN电流场PN静电场那么，利用已经获得的静电场结果可以求解恒定电流场。那么，利用已经获得的静电场结果可以求解恒定电流场。第20页，此课件共22页哦CR CG 利用两种场方程，可以求出两个电

23、极之间的电阻及电导与电容的关系为利用两种场方程，可以求出两个电极之间的电阻及电导与电容的关系为若已知两电极之间的电容，根据上述两式，即可求得两电极间的若已知两电极之间的电容，根据上述两式，即可求得两电极间的电阻电阻及及电导电导。例如，已知面积为例如，已知面积为 S，间距为，间距为 d 的平板电容器的容的平板电容器的容 ，若填，若填充的非理想介质的电导率为充的非理想介质的电导率为 ，则平板电容器极板间的漏电导为，则平板电容器极板间的漏电导为 dSCdSdSG 又知单位长度内同轴线的电容又知单位长度内同轴线的电容 。那么，若同轴线的。那么，若同轴线的填充介质具有的电导率为填充介质具有的电导率为 ，

24、则单位长度内同轴线的漏电导，则单位长度内同轴线的漏电导)/ln(21abC )/ln(21abG第21页，此课件共22页哦思考题思考题 半径分别为半径分别为a a和和b b的同轴线，外加电压的同轴线，外加电压U U，求这种同轴线单位长度，求这种同轴线单位长度上的电容，若漏电导率为上的电容，若漏电导率为，求单位长度上的电阻，求单位长度上的电阻R R。例例 已知一平板电容器由两层非理想介质串联构成，如图示。其介电常数分别为已知一平板电容器由两层非理想介质串联构成，如图示。其介电常数分别为 1 和和 2，电导率分别为，电导率分别为 1 和和 2，厚度分别为，厚度分别为 d1 和和 d2。当外加恒定电压为。当外加恒定电压为 V 时，时，试求介质分界面的自由电荷面电荷。试求介质分界面的自由电荷面电荷。1 1 2 2d1d2U第22页，此课件共22页哦