第二章电磁场的基本规律 (1) 2.1 电荷守恒定律 2.2 真空中静电场的基本规律 教师姓名 : 宗福建单位 : 山东大学微电子学院 2018 年 3 月 20 日

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1 第二章电磁场的基本规律 (1) 2.1 电荷守恒定律 2.2 真空中静电场的基本规律 教师姓名 : 宗福建单位 : 山东大学微电子学院 2018 年 3 月 20 日

2 2 本章讨论内容 2.1 电荷守恒定律 2.2 真空中静电场的基本规律 2.3 真空中恒定磁场的基本规律 2.4 媒质的电磁特性 2.5 电磁感应定律和位移电流 2.6 麦克斯韦方程组 2.7 电磁场的边界条件

3 主线 : 亥姆霍兹定理 本章知识脉络 电磁场的源 : 电荷 电流 (2.1) 静态场 静电场的散度和旋度 静磁场的散度和旋度 真空中 (2.2) 介质中 (2.4) 真空中 (2.3) 介质中 (2.4) 时变场时变场的散度和旋度 ( 麦克斯韦方程组 )(2.5,2.6) 边界条件 (2.7)

4 i j k x y z gadu u ( i j k ) u x y z diva A A A A x y x y z z 山东大学物理学院宗福建 4

5 i j k x y z i j k ot A A x y z A A A x y z 山东大学物理学院宗福建 5

6 是一个矢量性微分算子, 因此它在计算时 具有矢量性和微分性双重性质 作用在一个数性或矢性函数上时, 其方式仅有三种 : u, A, A 山东大学物理学院宗福建 6

7 定义 : 拉普拉斯算子 x y z A A A A x y z x y z 为了使用方便 山东大学物理学院宗福建 7

8 (1) ( cu) cu,( c为常量, u为数性函数 ) (2) ( ca) c A,( A为矢性函数 ) (3) ( ca) c A 山东大学物理学院宗福建 8

9 (4) ( u v) u v (5) ( A B) A B (6) ( A B) A B 山东大学物理学院宗福建 9

10 (7) ( uc) uc,( c为常矢量, u为数性函数 ) (8) ( uc) u c,( c为常矢量, u为数性函数 ) (9) ( uv) uv vu 山东大学物理学院宗福建 10

11 (10) ( ua) u AuA,( A为矢性函数 ) (11) ( ua) u Au A (12) ( AB) A( B) ( A) B B( A) ( B) A 山东大学物理学院宗福建 11

12 (13) ( AB) B( A) A( B) (14) ( AB) ( B ) A( A ) BB( A) A( B) (15 ) ( ) 2 u u (16) ( u) 0 (17) ( A) 0 (18) ( A) ( A) A u 山东大学物理学院宗福建 12

13 若 xi y j zk,, 则有 : (19) (20) 3 (21) 0 (22) f ( u) f '( u) u (23) f ( ) f '( ) 山东大学物理学院宗福建 13

14 若 xi y j zk,, 则有 : (24) [ f ( ) ] 0 (25) ( ) 0 3 (26) Ad S ( A) dv,( 奥氏公式 ) s V (27) Adl ( A) d S,( 斯托克斯公式 ) l S 山东大学物理学院宗福建 14

15 电荷 : 电是物质的一种基本属性 构成物质的许多基本粒子都带有正电或负电, 但其电荷都精确地等于基本电荷 e, 这表明自然界中的电荷都是以 e 的整数倍出现 电子的电荷 :e=1.6 x 库仑 电子的质量 :m e =9.1 x Kg 山东大学物理学院宗福建 15

16 电荷 : 若取电子的经典半径 e, 使 : 1 1 m c 2 e 2 8 则, e =2.8 x m 实际上, 实验观察发现, 在 m 范围内, 电子仍然象一个点粒子 0 e 2 e 山东大学物理学院宗福建 16

17 太阳系的主角是位居中心的太阳, 它是一颗光谱分类为 G2V 的主序星, 拥有太阳系内已知质量的 99.9%, 并以万有引力主宰着太阳系 氢原子的主角是位居中心的质子, 质子电子的质量比为 1840, 占氢原子内已知质量的 99.9%, 并以电磁引力主宰着氢原子 电子有自旋, 地球有自转 山东大学物理学院宗福建 17

18 太阳半径为 7 x 10 5 km, 太阳系半径 ( 近日点 ) 6 x 10 9 km, 太阳系与太阳半径比为 10 4 (1AU,1 天文单位距离 =1.5 x 10 8 km) 质子半径为 1.5 x m, 氢原子的半径为 5.3 x m, 氢原子与质子半径比为 3.5 x 10 4 山东大学物理学院宗福建 18

19 太阳质量 :1.989 x kg 地球质量 :5.979 x kg 质量比 :3.3 x 10 5 相当于原子量 :180 相当于原子序数为 72 Hf - 73 Ta 的原子 铪 (Hf) 是一种化学元素, 它的化学符号是 Hf, 它的原子序数是 72, 原子量 , 属周期系 ⅣB 族 钽 (Ta) 是一种化学元素, 它的化学符号是 Ta, 它的原子序数是 73, 原子量 , 属周期系 ⅣB 族 山东大学物理学院宗福建 19

20 1 He 氦 1s 2 2 Ne 氖 [He] 2s 2 2p 6 3 A 氩 [Ne] 3s 2 3p 6 4 K 氪 [A] 3d 10 4s 2 4p 6 5 Xe 氙 [K] 4d 10 5s 2 5p 6 6 Hf 铪 [Xe] 4f 14 5d 2 6s 2 6 Ta 钽 [Xe] 4f 14 5d 3 6s 2 山东大学物理学院宗福建 20

21 我们的宇宙 恒星间平均距离 m 5 光年 银河系半径 5x10 4 光年 m 银河系恒星数 4x10 12 个 星系间平均距离 2x10 6 光年 距地球最近的河外星系仙女座 100 万光年 人们所认识的最外的星系 光年 星系总数 个 颗恒星, 约 1 mol 太阳系

22 体电荷密度 : 为了更简明地描述电荷在空间的分布, 引入体电荷密度概念 假设电荷是致密连续分布时, 可用积分的方法求出任意区域内的总电荷 Q V ( ) dv 山东大学物理学院宗福建 22

23 点电荷的表示法 : 在许多实际应用中, 电荷分布并非都采用连续性模型 当带电体的尺度与观察尺度相比极其微小, 以致于其形状和大小的因素可以忽略不计的情况下, 可以把带电体抽象为点电荷 山东大学物理学院宗福建 23

24 点电荷的表示法 : ( ) q ( ') 0,( ') 式中 : ( '),( ') 0,( ' v) 且, ( ') dv v 1,( ' v) 山东大学物理学院宗福建 24

25 v 点电荷的表示法 : 0,( ' v) ( ) dv q ( ') dv q,( ' v) v 对于离散分布的电荷群 : ( ) q ( ) i i i 山东大学物理学院宗福建 25

26 26 电荷存在的形式 ( 四种 ): 点电荷 体分布电荷 面分布电荷 线分布电荷 1. 电荷体密度 Δ q ( ) d q ( ) V ( ) lim Δ V 0 Δ V d 单位 :C/m 3 ( 库 / 米 3 ) 总电荷 q 与密度的关系 : q ( )dv V x z o q V V y

27 27 2. 电荷面密度 S Δ q( ) d q( ) S ( ) lim ΔS 0 Δ S d 单位 : C/m 2 ( 库 / 米 2 ) 如果已知某空间曲面 S 上的电荷面密度, 则该曲面上的总电荷 q 为 q s ( )ds S z o S q S y x

28 28 3. 电荷线密度 ( ) l lim Δl 0 Δ q( ) d q( ) Δl dl 单位 : C / m ( 库 / 米 ) z q 如果已知某空间曲线上的电荷线密度, 则该曲线上的总电荷 q 为 q l ( )dl C x o l y

29 29 4. 点电荷点电荷的电荷密度表示 ( ) qδ( ) z q x o y

30 电流与电流密度电流 电荷的定向运动 i lim ( q t) dq dt t 0 单位 : A ( 安 ) 电流方向 : 正电荷的流动方向 说明 : 电流通常是时间的函数, 不随时间变化的电流称为 恒定电流, 用 I 表示

31 2.1.2 电流与电流密度 电流密度 J 的定义 : 定义电流密度 J, 它的方向沿 着该点上的电流方向, 它的数 值等于单位时间垂直通过单位 面积的电量, 从而通过面元 ds 的电流 di 为 di JdS cos J ds 通过任一曲面 S 的总电流强度 I 为 I J ds S 山东大学物理学院宗福建 31

32 2.1.2 电流与电流密度 如果电流由一种运动带电粒子构成, 设带电粒子的电荷密度为 ρ, 平均速度为 v, 则电流密度为 J v 设带电粒子的密度为 n, 每个带电粒子的电量为 q, 平均速度为 υ, 则电流密度为 J nqv 山东大学物理学院宗福建 32

33 2.1.2 电流与电流密度 如果有几种带电粒子, 其电荷密度分别为 ρ i, 平均速度为 υ i, 有 J v i 设每种带电粒子的密度为 n i, 每个带电粒子的电量为 q i, 平均速度为 υ i, 则电流密度为 i i J n q v i i i i 山东大学物理学院宗福建 33

34 34 电流存在的形式 ( 三种 ): 体电流 面电流和线电流 1. 体电流 i J en lim e S 0 S n di ds e S n 体电流密度矢量 J 单位 :A / m 2 ( 安 / 米 2 ) 流过体积内任意曲面 S 的电流为 i J ds S 正电荷运动的方向 体电流与体电荷的关系?

35 35 2. 面电流 i J e lim e l S t t l0 di dl e n e t J S 单位 :A/m ( 安 / 米 ) 正电荷运动的方向 l d 0 h0 面电流密度矢量 通过面上任意横截线的电流为 其中 : i J e l l S e e e m n l m d 面电流与面电荷的关系? 体电流与面电流的关系?

36 36 3. 线电流 I 单位 : A ( 安 ) 体电流是以面为单位传播, 面电流是以线为单位传播, 线电流是以点为传播 电流与线电荷的关系? 电流与面电荷的关系?

37 我们知道, 物体所带的电荷是构成物体的粒子 ( 电子 质子等 ) 的一个属性 不论发生任何变化过程, 如化学反应 原子核反应甚至粒子的转化, 一个系统的总电荷严格保持不变 这是目前为止人们所知道的自然界精确规律之一 电荷守恒定律在数学上用连续方程表示 考虑空间中一确定区域 V, 其边界为闭合曲面 S 当物质运动时, 可能有电荷进入或流出该区域 但是由于电荷不可能产生或消灭, 如果有电荷从该区域流出的话, 区域 V 内的电荷必然减小 山东大学物理学院宗福建 37

38 通过界面流出的总电流应该等于 V 内的电荷减小率 J S d S 应用高斯定理把面积分变为体积分 S J d S J dv V ( J ) dv 0 t V dv t 山东大学物理学院宗福建 38

39 应用高斯定理把面积分变为体积分 V ( J ) dv 0 t 由积分元 dv 的任意性, 可得微分形式 J t 0 山东大学物理学院宗福建 39

40 以上公式是对任意变化电流成立的 在恒定电流情况 下, 一切物理的量不随时间而变, 因而 ρ / t = 0, 因此 J 0 上式表示恒定电流的连续性 恒定电流分布是无源的, 其流线必为闭合曲线, 没有发源点和终止点, 换句话说, 恒定电流 ( 直流电 ) 只能在闭合回路中通过, 电路一断, 直流电就不能通过, 这是我们熟知的事实 山东大学物理学院宗福建 40

41 41 针对思考问题的知识扩充 前述电流连续性方程的特点 : 电荷 : 体电荷 J d S dv S V t 电流 : 体电流 J 新问题 : t 如果电荷为面电荷, 电流是面电流, 电流连续方程如何? 如果电荷为线电荷, 电流为线电流, 电流连续方程又如何? 答案 : s 面分布 : s J s t 线分布 : di ( l) l ( l, t) dl t 电荷守恒定律

42 1. 库仑定律库仑定律是静电现象的基本实验定律, 它表达如下 : 真空中静止点电荷 Q 对另一个静止点电荷的 Q 作用力 F 为 : F 式中 为由 Q 到的 Q 径矢, ε 0 真空电容率 1 1 QQ ' 4 2 ( 真空介电常量 ) 0 Q Q 山东大学物理学院宗福建 42

43 Coulomb's law Coulomb's law, o Coulomb's invese-squae law, is a law of physics descibing the electostatic inteaction between electically chaged paticles. The law was fist published in 1784 by Fench physicist Chales Augustin de Coulomb and was essential to the development of the theoy of electomagnetism. It is analogous to Isaac Newton's invese-squae law of univesal gavitation. Coulomb's law can be used to deive Gauss's law, and vice vesa. The law has been tested heavily, and all

44 Coulomb's law Coulomb's law states that: The magnitude of the electostatic foce of inteaction between two point chages is diectly popotional to the scala multiplication of the magnitudes of chages and invesely popotional to the squae of the distance between them. The foce is along the staight line joining them. If the two chages have the same sign, the electostatic foce between them is epulsive; if they have diffeent signs, the foce between them is attactive.

45 库仑定律只是从现象上给出两电荷之间作用力的大小和方向, 它并没有解决这作用力的物理本质问题 对库仑定律可以有不同的物理解释 一种观点认为两电荷之间作用力是直接的超距作用, 即一个电荷把作用力直接施加于另一电荷上 ; 另一种观点是相互作用通过电场来传递的, 而不是直接的超距作用 实践证明通过场来传递相互作用的观点是正确的 山东大学物理学院宗福建 45

46 电场的基本性质 : 对电场中的电荷有力的作用 E( x) F Q Q 山东大学物理学院宗福建 46

47 假设一个电荷周围的空间存在着一种特殊的物质, 称为电场 另一电荷处于该电场内, 就受到电场的作用力 对电荷有作用力是电场特征性质, 我们就利用这性质来描述该点上的电场 用一个单位试验电荷在场中所受的力来定义电荷所在点 x 上的电场强度 E(x) 电荷 Q 在电场 E 中所受的力 F 为 F QE 山东大学物理学院宗福建 47

48 一个静止点电荷 Q 所激发的电场强度为 : 1 Q E e 山东大学物理学院宗福建 48

49 由实验知道, 电场具有叠加性, 即多个电荷所激发的电场等于每个电荷所激发的电场的矢量和 设第 i 个电荷 Q i 到 P 点的距离为 i, 则 P 点上的总电场强度 E 为 : E i 4 Q i 0 i i 3 山东大学物理学院宗福建 49

50 在许多实际情况下可以把电荷看作连续分布于某一区域内 在 V 内某点 x' 上取一个体积元 dv ', 在 dv ' 内所含的电荷 dq 等于该点上的电荷密度 ρ(x ') 乘以体积 dv ': dq = ( x) dv 山东大学物理学院宗福建 50

51 设由源点 x 到场点 x 的距离为, 则 P 点上的电场强度 E 为 1 ( x) E( x) dv 3 40 式中积分遍及电荷分布区域 E i Qi i i 山东大学物理学院宗福建 51

52 在许多实际情况下可以把电荷看作连续分布于某一区域内 设电荷连续分布于区域 V 内 在 V 内某点 x' 上取一个体积元 dv ', 在 dv ' 内所含的电荷 dq 等于该点上的电荷密度 ρ(x ') 乘以体积 dv ': dq = ( x) dv 山东大学物理学院宗福建 52

53 对于线电荷及面电荷分布情况 : dq = ( x' )dv' dq = ( x' )ds' dq = ( x' )dl' 山东大学物理学院宗福建 53

54 若 xi y j zk,, 则有 : (19) (20) 3 (21) 0 (22) f ( u) f '( u) u (23) f ( ) f '( ) 山东大学物理学院宗福建 54

55 若 xi y j zk,, 则有 : (24) [ f ( ) ] 0 (25) ( ) 0 3 (26) Ad S ( A) dv,( 奥氏公式 ) s V (27) Adl ( A) d S,( 斯托克斯公式 ) l S 山东大学物理学院宗福建 55

56 ( x) 0,( x 0),( x 0) ( x) dx 0,(0 V ) 1,(0 V ) 山东大学物理学院宗福建 56

57 1 1 ( ) ,( 0) 不存在,(=0) (0 ) 3 dv dv V 山东大学物理学院宗福建 57

58 1 1 ( ) ,( 0) 不存在,(=0) 3 4 dv d S (0 V ) 3 3 s 山东大学物理学院宗福建 58

59 1 1 ( ) ,( 0) 不存在,(=0) ( ) 3 1 ( ) 4 3 山东大学物理学院宗福建 59

60 若 : x x ' x x ' 4 ( x x ') 3 山东大学物理学院宗福建 60

61 x x ', x x ' 1 ( x) E( x) dv ' E( x) ( x) dv ' ( x)4 ( x x ') dv ' 40 1 ( x) 0 0 山东大学物理学院宗福建 61

62 x x ', x x ' 1 ( x) E( x) dv E( x) ( x) 0 山东大学物理学院宗福建 62

63 1 E( x) ( x) 0 E( x) d S E( x) dv s v v Q 0 v ( x) dv ( x) dv 山东大学物理学院宗福建 63

64 1 E( x) ( x) 0 1 E( x) d S Q s 0 山东大学物理学院宗福建 64

65 Gauss's law In physics, Gauss's law, also known as Gauss's flux theoem, is a law elating the distibution of electic chage to the esulting electic field. The law was fomulated by Cal Fiedich Gauss in 1835, but was not published until 1867.

66 Gauss's law Gauss's law states that: The net electic flux though any closed suface is equal to 1 ε times the net electic chage enclosed within that closed suface.

67 1 1 ( ) ( x) E( x) dv E( x) ( x) dv E( x) 0 山东大学物理学院宗福建 67

68 1 ( x) E( x) dv 3 40 ( x) E( x) 0 E( x) 0 结论 : 静电场是无旋场, 是保守场, 电场力做功与路径无关 静电场是纵场, 电力线始于正电荷, 并止于负电荷 山东大学物理学院宗福建 68

69 例电荷 Q 均匀分布于半径为 a 的球内, 求各点的电场强度, 并由此直接计算电场的散度 山东大学物理学院宗福建 69

70 解作半径为 的球 ( 与电荷球体同心 ) 由对称性, 在球面上各点的电场强度有相同的数值 E, 并沿径向 当 > a 时, 球面所围的总电荷位 Q, 由高斯定理得 E d S 4 2 E E Q Q 0 山东大学物理学院宗福建 70

71 写成矢量式得 1 Q E,( a) 山东大学物理学院宗福建 71

72 若 < a, 则球面所围电荷为 Q 4 a 3 3 Q a 3 3 山东大学物理学院宗福建 72

73 应用高斯定理得 E E d S 4 2 E 4 1 Q 0 a 3 Q a 0 3 3,( a) 山东大学物理学院宗福建 73

74 应用高斯定理得 E Q 2 Q 3 a,( a),( a) E 0 a a 山东大学物理学院宗福建 74

75 现在计算电场的散度 当 > a 时, 在这区域 0, 由直接计算可得 1 Q E,( a) 4 2 Q E 0,( a) 山东大学物理学院宗福建 75

76 当 < a 时, 由直接计算可得 1 Q E 4 0 a 3,( a) Q 3 4 Q E 4 a 3 a ,( a) 山东大学物理学院宗福建 76

77 由这个例子我们看出散度概念的局域性质 虽然对于任一个包围着电荷的曲面都有电通量, 但是散度只存在于有电荷分布的区域内, 在没有电荷分布的空间中电场的散度为零 山东大学物理学院宗福建 77

78 一个静止点电荷 Q 所激发的电场强度为 : 1 Q E e 山东大学物理学院宗福建 78

79 线电荷 λ 所激发的电场强度为 : 1 E 2 0 e 山东大学物理学院宗福建 79

80 面电荷 σ 所激发的电场强度为 : E 0 e z 山东大学物理学院宗福建 80

81 体电荷 ρ 所激发的电场强度为 : E 3 0 e,( a) E Q 2 e,( a) 山东大学物理学院宗福建 81

82 1. 电流电流的连续性方程 如果电流由一种运动带电粒子构成, 设带电粒子的电荷密度为 ρ, 平均速度为 v, 则电流密度为 J v 电流连续性方程的特点 : 电荷 : 体电荷 电流 : 体电流 J d S dv S V t J t 山东大学物理学院宗福建 82

83 2. 库仑定律库仑定律是静电现象的基本实验定律, 它表达如下 : 真空中静止点电荷 Q 对另一个静止点电荷的 Q 作用力 F 为 : 1 QQ ' F 式中 为由 Q 到的 Q ' 径矢,ε 0 真空电容率 ( 真空介电常量 ) 山东大学物理学院宗福建 83

84 3 静电场的散度和旋度 1 E ( x) ( x) 40 3 dv E( x) ( x) 0 E( x) 0 山东大学物理学院宗福建 84

85 教材第 页 2.5, 2.8, 2.10, 2.14 补充题 : 直接给出库仑定律的数学表达式, 写明其中各个符号的物理意义 并推导出真空中静电场的下列公式 : ( x) E( x) ; E( x) 0 0 山东大学物理学院宗福建 85

86 谢谢!

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