NO静电场泊松方程和拉普拉斯方程.pptx

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1、2.5 泊松方程和拉普拉斯方程微分形式：积分形式:2.5.1 静电场的基本方程本构关系:线形、各向同性媒质静电场:无旋有散场第1页/共32页2.5.2 泊松方程和拉普拉斯方程电位 满足的泊松方程当 场中无电荷分布(即 )的区域:拉普拉斯方程拉普拉斯算子第2页/共32页拉普拉斯算子在不同坐标系中的计算公式直角坐标系中:圆柱坐标系中:球坐标系中:第3页/共32页四.一维泊松方程的求解P.66 例2-9 例2-10第4页/共32页 例 1 设有一个半径为a的球体,其中均匀充满体电荷密度为v(C/m3)的电荷,球内外的介电常数均为0,试用电位微分方程,求解球内、外的电位和电场强度。解：设球内、外的电位

2、分别为1和2,1满足泊松方程,2满足拉普拉斯方程,由于电荷均匀分布,场球对称,所以1、2均是球坐标r的函数。;第5页/共32页(1)分别列出球内、外的电位方程:当ra时,当ra时,将上述两个方程分别积分两次可得1、2的通解:第6页/共32页 (2)根据边界条件,求出积分常数A、B、C、D:边界条件是:;r=a,1=2;r=a,r,2=0(以无限远处为参考点);r=0,(因为电荷分布球对称,球心处场强E1=0,即Er=0)。由上述条件,确定通解中的常数:第7页/共32页 例 2 如图所示三个区域,它们的介电常数均为0,区域2中的厚度为d(m),其中充满体电荷密度为v(C/m3)的均匀体电荷,分界

3、面为无限大。试分别求解、区域的位函数与电场强度。平板形体电荷的几何关系 第8页/共32页 解设、区域的电位函数分别为1(y)、2(y)、3(y)。(1)分别列出三个区域的电位方程。在、两个区域内电位满足拉普拉斯方程,而第区域的电位满足泊松方程:第9页/共32页将上面三个方程分别分两次可得 由场分布的y=0平面对称性，可知3(y)=1(-y)，所以我们只需求解1和2，也就是只要根据边界条件确定常数C1、C2、C3、C4。第10页/共32页(2)由边界条件确定常数:边界条件为:时,1=2;(交界面上无自由面电荷);y=0,2=0 因体电荷板无限大,不能选择无限远处为参考点,这里选择y=0处为参考点

4、。第11页/共32页由场分布的对称性,2(y)=2(-y);由条件、可得:由条件可得 第12页/共32页根据公式 可求得三个区域的电场分布:第13页/共32页 场量在不同媒质分界面上各自满足的关系 将场量在分界面上分解成:法向normal分量 (以下标n表示)-垂直于分界面 切向tangency分量(以下标t表示)-平行于分界面由静电场基本方程的积分形式:2.6 分界面上的边界条件 两种不同媒质分界面的边界条件第14页/共32页两种不同媒质分界面的边界条件法向边界条件 切向边界条件 第15页/共32页法向边界条件 一.D满足的边界条件 第16页/共32页若界面上无自由电荷分布，即在S=0时:或

5、 或 结论:若两种媒质交界面上有自由电荷,则D的法向分量不连续高斯通量定理第17页/共32页 (1)第一媒质是电介质,第二媒质是导体;静电场中导体内部电场为零,故 两种特殊情况 (2)两种介质都是电介质,且分界面上没有自由电荷,即s=0,则即 结论:当12时,E的法向分量不连续,其原因是交界面上有束缚面电荷密度第18页/共32页结论：在介质交界面上,电场强度的切向分量始终连续或静电场的无旋性:二.E满足的边界条件 第19页/共32页三.电位满足的边界条件(1)第一媒质是电介质,第二媒质是导体;(2)两种介质都是电介质,且分界面上没有自由电荷,即s=0,则第20页/共32页电场方向在 交界面上的

6、曲折 两式相除:改写:四、介质分界面上电场方向的关系边界条件:当两种介质分界面上没有自由电荷,即s=0,则-静电场的折射定理第21页/共32页边界条件构成边值问题必不可少的条件;判断不同媒质界面两侧场量的大小、方向及连续、突变;第22页/共32页 例 1 同心球电容器的内导体半径为a，外导体的内半径为b，其间填充两种介质，上半部分的介电常数为1，下半部分的介电常数为2，如图 所示。设内、外导体带电分别为q和-q，求内外导体之间空间的电位移矢量和电场强度。Er1Er2Er2Er1第23页/共32页解：在半径为r的球面上作电位移矢量的面积分，有 第24页/共32页 例 3.11 如图所示,两个无限

7、长同轴圆柱,内、外导体半径分别为a和b,两导体间部分填充介电常数为的电介质,内外导体间的电压为U0。图(a)中电介质与空气分界面的半径为c;图(b)中01间部分填充电介质。试对该二同轴线分别求出:(1)内、外导体间的电场强度E及电通量密度D;(2)导体表面上单位长度的带电量l。第25页/共32页 解 因为同轴圆柱是轴对称结构,故只有沿半径方向的电场。图(a)结构中,电场垂直于介质与空气的交界面,根据两介质交界面上法向分量电通量密度相等的边界条件,可知道不同介质内D的表示式相同。而在图(b)结构中,电场平行于介质与空气交界面,由交界面上电场强度切向分量连续的边界条件,得知不同介质内E的表示式相同。(1)图(a)结构:当=c时,令内、外导体表面上单位长度电量分别为+l、-l(C/m),根据高斯定理可得 第26页/共32页ac时,cb时,第27页/共32页所以内导体带电量为+l，外导体带电量为-l 第28页/共32页(2)图(b)结构:当=0时,当0 1当1 360。时第29页/共32页所以 因而得 第30页/共32页作业：作业：2-8 2-17第31页/共32页谢谢您的观看！第32页/共32页