电磁场导论恒定磁场精选PPT.ppt
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1、电磁场导论恒定磁场2023/1/14第四章恒定磁场1第1页,此课件共64页哦2023/1/14第四章恒定磁场24.1 基本方程及其微分形式基本方程及其微分形式 当电荷与电流不随时间变化时,产生的电场和磁场都不随时间变化(D/t=0、B/t=0),电场、磁场方程各自独立。4.1.1安培环路定理的微分形式安培环路定理的微分形式 当磁力线所在平面上的闭合回路 l 缩小,其面积S0时,可写为 rot H=JH=J则得或SlH=J表明恒定磁场是有旋场,其场源是电流密度表明恒定磁场是有旋场,其场源是电流密度J第2页,此课件共64页哦2023/1/14第四章恒定磁场34.1.2磁通连续性原理的微分形式磁通连
2、续性原理的微分形式 当闭合面S缩小,体积V0时,磁通连续性原理可 写为divB=0B=0则得或表明恒定磁场是无散场,磁力线是无头无尾的表明恒定磁场是无散场,磁力线是无头无尾的例例4-1 在园柱坐标系中下列矢量中常数K0,问哪个可能是磁感应强度B?如果是,求相应的电流密度J。F1=K(x ex+y ey);F2=K r e解:解:B=0是磁场的特有性质,因此根据矢量的散度是否总为0,来判断。第3页,此课件共64页哦2023/1/14第四章恒定磁场4 F1决不可能是磁感应强度B;F2可能是磁感应强度B电流为沿z轴方向的常数F1=K(x ex+y ey);F2=K r e根据第4页,此课件共64页哦
3、2023/1/14第四章恒定磁场54.1.3 B和和H的衔接条件的衔接条件在两种电介质分界面上,围绕P点作一个很小的矩形回路由于h0,H1 tl H2 tl=KlH1H1tH2tH2h0 K当分界面上没有自由电流时,则H1 t=H2 t由H1 t H2t=K 得包围P点作一个很小的扁平闭合圆柱面由B1B1nB2nB2h0由于h0,B1 nS+B2 nS=0 B1 n=B2 n 得第5页,此课件共64页哦2023/1/14第四章恒定磁场61)rR时,满足解:解:由于电流分布具有轴对称性,可知磁场分布也具有轴对称性,H只有沿圆周的分量,且只与r有关。不定积分求解,得 由于r=0处H,故 C1=0
4、因此,导体内 2)rR时,满足不定积分求解,得r=R处H1t=H2t,即得故导体外例例4-2 已知半径为R的长直圆柱导体中的体电流密度均匀分布为J0ez(A/m2),求磁场强度H。J第6页,此课件共64页哦2023/1/14第四章恒定磁场74.2 标量磁位标量磁位 H=J表明恒定磁场是有旋场,但在无电流区域 H=0,可有条件地定义标量磁位。4.2.1标量磁位的定义标量磁位的定义 在无电流区域 H=0,可定义标量磁位mH=m 两点间的磁压 标量磁位与静电场中相似,但有很大不同:1)电位具有明确的物理意义,但标量磁位没有物理意义。2)电压与积分路径无关,但是两点间的磁压随积分路径而变。第7页,此课
5、件共64页哦2023/1/14第四章恒定磁场8对于图示闭合路径,由 得ABmnI即可见,mAmA,表明积分路径不同标量磁位有不同数值。4.2.2 标量磁位的边值问题标量磁位的边值问题因此,得2m=0 标量磁位的拉普拉斯方程均匀媒质=0 第8页,此课件共64页哦2023/1/14第四章恒定磁场9不同媒质分界面上的衔接条件 m1=m2 例例4-3 求无限长直电流I周围的磁位m和场强H设x轴(=0)为磁位参考点,则解法一:解法一:由安培环路定律,得 等磁位面H第9页,此课件共64页哦2023/1/14第四章恒定磁场10通过不定积分求解 设 x 轴上=0处A点为磁位参考点,则C2=0;因=2 处B点
6、m=I,因此,C1=I/2则 解法二:解法二:由于等磁位面与H线正交,在圆柱坐标系中m只与有关,导线外的无电流区,满足2m=0 柱坐标下简化为第10页,此课件共64页哦2023/1/14第四章恒定磁场11等磁位面方程为m=常数,即=K。它是以AB为弦,以为圆周角的圆弧。K值不同可得一系列以AB为弦的园,其圆心y轴上。解:解:设两线之连线为磁位m参考点,由叠加原理例例4-4 求双线传输线周围的磁位m及其等磁位面由H=m知,B线与等磁位面正交,也是一族偏心园,圆心在x轴上。第11页,此课件共64页哦2023/1/14第四章恒定磁场124.3 矢量磁位矢量磁位 4.3.1矢量磁位的定义矢量磁位的定义
7、 由B0,引入一个矢量A,满足B=AA称为磁场B的矢量磁位,单位:韦伯/米(Wb/m)由毕-萨定律可导出A的电流积分公式:将 代入毕-萨定律J=0由于J是源点坐标(x,y,z)的函数,而算符是对场点坐标(x,y,z)求导第12页,此课件共64页哦2023/1/14第四章恒定磁场13磁感应强度B是唯一的,但的存在使得矢量磁位A不是唯一的。矢量场不仅要规定它的旋度,还必须规定它的散度。由于A=Ax/x+Ay/y+Az/z,在恒定磁场中,为了方便规定A=0,称为库仑规范。因此,根据定义可知而B=A与Ax/x、Ay/y、Az/z无关,因此,A可以任意规定。每种规定称为一种规范。第13页,此课件共64页
8、哦2023/1/14第四章恒定磁场144.3.2矢量磁位的边值问题矢量磁位的边值问题 A=(A)2A 在无电流区域 2A=0 拉普拉斯方程H=JB=HB=JA=J B=0B=AA=02A=J A的泊松方程第14页,此课件共64页哦2023/1/14第四章恒定磁场15三式合并,得 考虑到各种电流,则为 已知各种电流的分布时,可计算矢量磁位A,再由A求磁感应强度B。还可以由A直接计算磁通量 矢量方程相当于三个标量方程 2Ax=Jx 2Ay=Jy2Az=Jz第15页,此课件共64页哦2023/1/14第四章恒定磁场164.3.3矢量磁位的衔接条件矢量磁位的衔接条件 围绕媒质分界面上任一点P取一矩形回
9、路,令h0,A1t=A2t 在分界面P点处作一个小圆柱,上下端面为S,高h0,由于A=0 A1nS A2nS=0 A1n=A2n 因此,矢量磁位在分界面的衔接条件为A1=A2 第16页,此课件共64页哦2023/1/14第四章恒定磁场17由H1tH2t=K和,得对于平行平面磁场 A1=A2 第17页,此课件共64页哦2023/1/14第四章恒定磁场18解:解:在求解之前,先分析本题给定的条件,进行必要的简化:例例4-7 半径为R的长直圆柱导体沿z轴通有电流I,导体内外媒质的磁导率均为0,求导体内外的矢量磁位A和磁场强度H。1)导体内的电流密度均匀分布J=(I/R2)ez,具有轴对称性。2)矢量
10、磁位A只有Az分量(与J同方向),矢量形式泊松方程2A=0J,简化为标量形式泊松方程2Az=0Jz3)由于Az只与r有关,偏微分方程进一步简化为只含一个变量r的微分方程。第18页,此课件共64页哦2023/1/14第四章恒定磁场19导体内,泊松方程简化为 通过不定积分求解,得 通解为 导体外,拉氏方程简化为 通过不定积分求解,得 通解为 第19页,此课件共64页哦2023/1/14第四章恒定磁场20确定积分常数:r=0 处所以C1=0 设r=R处为磁位参考点A1=0,则 r=R处即得r=R处,A1=A2=0,即C3lnR+C4=0,得 所以 第20页,此课件共64页哦2023/1/14第四章恒
11、定磁场214-1 已知无限大平面上均匀分布面电流,密度为Kez。试用安培环路定律微分形式微分形式,求载流平面外的磁场强度H。作作 业业4-3 真空中在x=2m处分别有沿z轴正、反方向的线电流6mA。设坐标原点磁位为零,求:y轴上任一点的磁位磁位 m。4-5 已知电流密度为J=J0rez(ra),求矢量磁位矢量磁位A(参考点选在r=r0 a处)和磁感应强度B。第21页,此课件共64页哦2023/1/14第四章恒定磁场224.3.4磁力线方程与等磁力线方程与等A面方程面方程磁力线微分方程为 Bdl=0 等A面方程为 A(x,y,z)=常矢量 等A面微分方程为 在平行平面场中,若矢量磁位A=Azez
12、,则在xoy平面内B线的微分方程为 即 BxdyBydx=0 因为 故代入上式得 即 dAz=0 这说明平行平面场中等A线就是B线,长直载流导线的等A面是一族同轴圆柱面。第22页,此课件共64页哦2023/1/14第四章恒定磁场23rRxyzIdldA例4-5题图例例4-5 设空气中xoy平面上有一个面积很小的任意形状的平面载流回路(磁偶极子),dS的正方向与回路电流I的正方向符合右手螺旋关系,用矢量磁位A分析远离回路的任意场点的磁场。考虑到各种电流,则为 已知各种电流的分布时,可计算矢量磁位A,再由A求磁感应强度B。还可以由A直接计算磁通量 第23页,此课件共64页哦2023/1/14第四章
13、恒定磁场24解:解:根据矢量恒等式并利用(1/R)=eR/R2,可将(4-22)式改写为 由于磁偶极子的尺度远小于到场点的距离Rr,eRer,因而 由于ezer=sin e,且磁偶极子的磁矩m=IS,得 第24页,此课件共64页哦2023/1/14第四章恒定磁场25例例4-6 空气中有一长度为l、截面积为S的短铜线位于z轴上,电流密度J=Jez。求离铜线较远处的磁感应强度B。由于rl,r可提到积分号前,且在横截面上I=JS,故 式中 解:解:可见,等可见,等A面为以载流短铜线中心为球心的球面。面为以载流短铜线中心为球心的球面。第25页,此课件共64页哦2023/1/14第四章恒定磁场26用球坐
14、标系表示为 直角坐标系中可见,B的分布与r2成反比,且与角有关第26页,此课件共64页哦2023/1/14第四章恒定磁场274.4 磁场中的镜像法磁场中的镜像法 4.4.1一般媒质的镜像电流一般媒质的镜像电流 两种媒质的磁导率为1和2,在媒质1内有平行于分界面的无限长线电流I。根据衔接条件B1n=B2n和H1t=H2t可确定镜像电流第27页,此课件共64页哦2023/1/14第四章恒定磁场284.4.2铁磁媒质的镜像电流铁磁媒质的镜像电流1)设载流导线在空气中(1=0)媒质2为铁磁媒质(2)H2将处处为零,但不要认为磁感应强度B2也处处为零。铁磁媒质内的磁感应强度B2与不存在铁磁媒质相比增大了
15、一倍。第28页,此课件共64页哦2023/1/14第四章恒定磁场29 空气中的磁感应强度B2与不存在铁磁媒质相比增大了一倍。2)设载流导线在铁磁媒质中(1)媒质2为空气(2=0)第29页,此课件共64页哦2023/1/14第四章恒定磁场304.5 电感电感4.5.1内自感和外自感内自感和外自感 在各向同性的线性媒质中,穿过电流回路所限定面积的磁通与回路中的电流成正比 式中L为自感磁链,L为自感系数,简称自感,单位是亨(H)。自感仅与回路的几何形状、尺寸及媒质的分布有关,而与电流及磁链的大小无关。自感有内自感和外自感之分。第30页,此课件共64页哦2023/1/14第四章恒定磁场31(1)在导线
16、内部仅与部分电流交链的B线形成的磁通称为内磁通,对应的磁链称为内磁链,用i表示。(2)完全在导线外部闭合的B线形成的磁通称为外磁通,对应的磁链称为外磁链,用o表示。自感为内自感与外自感之和 对于平行平面场第31页,此课件共64页哦2023/1/14第四章恒定磁场32例例4-7 求半径为R的长直圆柱形导线的内自感。解:解:由安培环路定律求得导线内 穿过轴向长度为l,宽度为dr的矩形面积上的元磁通 相应的元磁链 第32页,此课件共64页哦2023/1/14第四章恒定磁场33导线内的自感磁链总量为因此,单位长度的内自感为 可见,圆柱形导体内自感的大小与其半径无关,其中为导体材料的磁导率,对于铜铝导线
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