工程电磁场第2章恒定电场.ppt

第二章 恒定电场(Steady Electric Field)序导电媒质中的电流基本方程 • 分界面衔接条件 • 边值问题导电媒质中恒定电场与静电场的比拟电导和接地电阻电源电动势与局外场强1 通有直流电流的导电媒质中同时存在着电流场和恒定电场恒定电场是动态平衡下的电荷产生的，它与静电场有相似之处Introduction2.0 序 本章要求: 熟练掌握静电比拟法和电导的计算 理解各种电流密度的概念，通过欧姆定律和焦耳定律深刻理解场量之间的关系 掌握导电媒质中的恒定电场基本方程和分界面衔接条件 2基本方程E 的旋度边值问题边界条件电 位一般解法电导与接地电阻特殊解(静电比拟)恒定电场知识结构基本物理量 J、、 E欧姆定律J 的散度32.1.1 电流 (Current)定义：单位时间内通过某一横截面的电量2.1 导电媒质中的电流Current in Conductive Media三种电流：A传导电流——电荷在导电媒质中的定向运动位移电流——随时间变化的电场产生的假想电流运动电流——带电粒子在真空中的定向运动电流电流I 是通量是通量, , 是标量是标量, ,其正负号表其正负号表示电流流动参考方向。

并不反映电示电流流动参考方向并不反映电流在每一点的流动情况流在每一点的流动情况4 1. 电流面密度 J电流体电荷 以速度 v 作匀速运动形成的电流电流密度2.1.2 电流密度（（Current Density)图2.1.1 电流面密度矢量图2.1.2 电流的计算 电流密度是一个电流密度是一个矢量，在各向同性线矢量，在各向同性线性导电媒质中，它与性导电媒质中，它与电场强度方向一致电场强度方向一致52. 电流线密度 K电流en 是垂直于 dl，且通过 dl 与曲面相切的单位矢量分布的面电荷 在曲面上以速度 v 运动形成的电流图2.1.3 电流线密度及其通量电流线密度线电流线电流：：t t 分布的线电分布的线电荷沿着导线以速度荷沿着导线以速度v运运动形成的电流动形成的电流 I = t t v 63. 元电流的概念元电流是元电荷以速度 v 运动形成的电流，也指沿电流方向上一个微元段上的电流工程应用媒质磁化后的表面磁化电流；同轴电缆的外导体视为电流线密度分布；高频时，因集肤效应，电流趋于导体表面分布图2.1.4 媒质的磁化电流7J与与E之关系之关系电流管压降电流管压降取一电流管取一电流管电阻定义电阻定义恒定电流场与恒定电场相互依存。

电流恒定电流场与恒定电场相互依存电流J与电场与电场E方向一致方向一致电路理论中的欧姆定律由它积分而得，即电路理论中的欧姆定律由它积分而得，即 U=RI 2.1.3 欧姆定律的微分形式 (Differential Form of Ohm’s Law) 82.1.3 欧姆定律的微分形式 (Differential Form of Ohm’s Law) J 与 E 共存，且方向一致简单证明：欧姆定律 微分形式性媒质中对 两边取面积分左边右边欧姆定律 积分形式所以图2.1.5 J 与 E 之关系92.1.4 焦尔定律的微分形式 (Differential Form of Joule’s Law)导体有电流时，必伴随功率损耗，其功率体密度为 W/m3 W—焦耳定律微分形式—焦耳定律积分形式10要想在导线中维持恒定电流，必须依靠非静电力将B极板的正电荷抵抗电场力搬到A极板这种提供非静电力将其它形式的能转为电能的装置称为电源2.2.1 电源 (Source)2.2 电源电动势与局外场强Source EMF and 0ther Field Intensity电源电动势是电源本身的特征量，与外电路无关。

局外场强－局外力2.2.2 电源电动势 (Source EMF)图2.2.1 恒定电流的形成11因此，对闭合环路积分局外场 Ee 是非保守场图2.2.2 电源电动势与局外场强电源电动势总场强 考虑局外场强考虑局外场强Ee，电源内的欧姆，电源内的欧姆定律为定律为电源电动势与有无外电路无电源电动势与有无外电路无关，其表示将单位正电荷从关，其表示将单位正电荷从电源负极移到正极局外电场电源负极移到正极局外电场所做的功，电动势是表征电所做的功，电动势是表征电源特性的物理量源特性的物理量122.3.1 基本方程 (Basic Equations)2.3 基本方程•分界面衔接条件• 边值问题 Basic Equations • Boundary Conditions • Boundary Value Problem在恒定电场中故电荷守恒原理1. J 的散度亦称电流连续性方程散度定理恒定电流场是一个恒定电流场是一个无源场无源场，电流线是，电流线是连连续续的，恒定电流只能在闭合回路中流动电的，恒定电流只能在闭合回路中流动电路一断开，电流场就不能存在路一断开，电流场就不能存在。

13结论： 恒定电场是无源无旋场2. E的旋度 所取积分路径不经过电源，则 3. 恒定电场（电源外）的基本方程恒定电场是无旋场得积分形式微分形式构成方程斯托克斯定理142.3.2 分界面的衔接条件（Boundary Conditions) 说明 分界面上 E 切向分量连续，J 的法向分量连续 折射定律图2.3.1 电流线的折射由得15例2.3.1 导体与理想介质分界面上的衔接条件 解: 在理想介质中空气中导体中不同导体分界面 ？ 提问：表明 1 分界面导体侧的电流一定与导体表面平行 表明 2 导体与理想介质分界面上必有面电荷图2.3.2 导体与理想介质分界面16 若 （理想导体），导体内部电场为零，电流分布在导体表面，导体不损耗能量导体周围介质中的电场：表明 3 电场切向分量不为零，导体非等位体，导体表面非等位面图2.3.3 载流导体表面的电场172.3.3 边值问题（（Boundary Value Problem)分界面衔接条件拉普拉斯方程得由基本方程出发由得常数恒定电场中是否存在泊松方程？思考18 例2.3.2 试用边值问题求解电弧片中电位、电场及导体分界面上的面电荷分布。

区域） 解: 选用圆柱坐标系，边值问题为：( 区域）图2.3.4 不同媒质弧形导电片19电位 电场强度电荷面密度通解20 2.4 导电媒质中恒定电场与静电场的比拟2.4.1 比拟方法 (Contrast Method)Contrast of Steady Electric Field and Electrostatics 静电场恒定电场（电源外）恒定电场E静电场ED 两种场各物理量满足相同的定解问题，则解也相同那么，通过对一个场的求解或实验研究，利用对应量关系便可得到另一个场的解21两种场可以比拟的条件1. 镜像法的比拟2.4.2 比拟方法的应用（（Contrast Method Application)图2.4.1 静电场与恒定电流场的镜像法比拟静电场微分方程相同；场域几何形状及边界条件相同；媒质分界面满足恒定电场222. 恒定电场模拟静电场实验固体模拟 （如导电纸模拟） 实验方法：液体模拟 （如电解槽模拟）图2.4.2 静电场平行板造型 恒定电流场的电极表面近似为等位面图示恒定电流场对应什么样的静电场？比拟条件是什么？思考( 条件 )232.5.1 电导 (Conductance)1. 通过电流场计算电导2.5 电导与接地电阻或设Conductance and Ground Resistor思路设24当满足比拟条件时，用比拟法由电容计算电导。

多导体电极系统的部分电导可与静电系统的部分电容比拟自学） 2. 比拟法即25例2.5.1 求图示同轴电缆的绝缘电阻解 设电导用静电比拟法求解由静电场根据关系式，得绝缘电阻图2.5.1 同轴电缆横截面26通解 ，代入边界条件，得电位函数解 取圆柱坐标系 ，边值问题电场强度图2.5.2 弧形导电片例2.5.2 已知导电片厚度为 h，当试求电导片的电导27电流电导电流密度电场强度28图2.5.3 深埋球形接地器1. 深埋球形接地器2.5.2 接地电阻 (Ground Resistor)解法一 通过电流场计算电阻解法二 比拟法接地电阻越大越好吗？如何改变R?思考 由接地器电阻、接地器与土壤之间的接触电阻、土壤电阻构成接地电阻：292. 直立管形接地器解: 考虑地面的影响，可用镜像法实际电导即在静电场中 比拟法图2.5.4 直立管形接地器303. 非深埋的球形接地器解 用镜像法接地器接地电阻 解4. 浅埋半球形接地器设 I图2.5.5 非深埋的球形接地器 图2.5.6 浅埋半球形 接地器I31为危险区半径2.5.3 跨步电压 (Step Voltage)以浅埋半球接地器为例人体的安全电压U0≤40V图2.5.7 半球形接地器的危险区32同轴电缆返 回33屏蔽室接地电阻（深度 20 m）下 页返 回34高压大厅网状接地电阻（深度1米）上 页返 回351. 干电池和钮扣电池（化学电源）电 源 干电池电动势1.5V，仅取决于（糊状）化学材料，其大小决定储存的能量，化学反应不可逆。

钮扣电池电动势1.35V，用固体化学材料，化学反应不可逆干电池钮扣电池36氢氧燃料电池示意图2. 燃料电池（化学电源） 电池电动势1.23V以氢、氧作为燃料约40%~45%的化学能转变为电能 实验阶段加燃料可继续工作只要不断供给燃料，就可以不断输出电能，化学反应结果生成水，以水蒸汽的形式排走 燃料电池属环保产品，排出的水可以用作饮料或淋浴用373. 太阳能电池（光能电源） 一块太阳能电池电动势0.6V太阳光照射到PN结上，会形成一个从N区流向P区的电流约 11%的光能转变为电能 ，故常用太阳能电池板 一个50cm2太阳能电池的电动势为0.6V，电流为0.1A太阳能电池示意图38蓄电池示意图4. 蓄电池（化学电源） 电池电动势2V使用时，电池放电，当电解液浓度小于一定值时，电动势低于2V，常要充电，化学反应可逆 蓄电池进行化学反应对外电路放电，当硫酸浓度降到一定值时，电动势小于 2 V ，要对蓄电池充电（还原反应）。