电动力学答案完整
《电动力学》郭硕鸿_第三版_答案
又
∫ dS × f = ∫ [( f
S S
r
r
r r r dS y − f y dS z )i + ( f x dS z − f z dS x ) j + ( f y dS x − f x d S y )k ]
r r r r r r = ∫ ( f y k − f z j )dS x + ( f z i − f x k )dS y + ( f x j − f y i )dS z
若令 f x = φ i , f y = φ j , f z = φ k 则证毕 5. 已知一个电荷系统的偶极矩定义为
r r r P (t ) = ∫ ρ ( x ' , t ) x ' dV ' ,
V
利用电荷守恒定律 ∇ ⋅ J +
r
r ∂ρ = 0 证明 P 的变化率为 ∂t
r r r dP = ∫ J ( x ' , t )dV ' V dt
l S
r
r r
r
r
∫ f ⋅ dl = ∫ ( f
l l
r
x
dl x + f y dl y + f z dl z )
r r ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ f f y )dS x + ( f x − f z )dS y + ( f y − f x )dS z ∇ × ⋅ dS = ∫ ( f z − ∫S S ∂y ∂z ∂z ∂x ∂x ∂y
电动力学习题解答 1. 根据算符 ∇ 的微分性与矢量性 推导下列公式
第一章
电磁现象的普遍规律
r r r r r r r r r r ∇( A ⋅ B) = B × (∇ × A) + ( B ⋅ ∇) A + A × (∇ × B) + ( A ⋅ ∇) B r r r r 1 r A × (∇ × A) = ∇A 2 − ( A ⋅ ∇) A 2 v v v v v v v v v v 解 1 ∇( A ⋅ B ) = B × (∇ × A) + ( B ⋅ ∇) A + A × (∇ × B ) + ( A ⋅ ∇) B
电动力学答案完整
1.7. 有一内外半径分别为 r 1 和 r 2 的空心介质球，介质的电容率为ε，使介质内均匀带静止由电荷f ρ求 1 空间各点的电场；2 极化体电荷和极化面电荷分布。
解（1）fsD ds dV ρ→⋅=⎰⎰， （r 2>r> r 1）即：()2331443fD r r r ππρ⋅=-∴()33133f r r E r rρε→-=， （r 2>r> r 1）由()3321043ff sQ E d s r r πρεε⋅==-⎰， （r> r 2） ∴()3321303f r r E r r ρε→-=， （r> r 2）r> r 1时， 0E = （2）()00000e P E E E εεεχεεεε-===- ∴ ()()()3331010330033303p f f f fr r r P r r r r r εερεερρεεεεεερρεε⎡⎤-⎛⎫-⎢⎥=-∇⋅=--∇⋅=-∇⋅- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦--=--=- （r 2>r>r 1）12p n n P P σ=-考虑外球壳时， r= r 2 ，n 从介质 1 指向介质 2 （介质指向真空），P 2n =0()()23333102110332133p n f f r r rr r r P rr r εσεερρεε=--⎛⎫==-=- ⎪⎝⎭ 考虑内球壳时， r= r 1()()13310303p f r r rr rr σεερε=-=--=1.11. 平行板电容器内有两层介质，它们的厚度分别为 l 1 和l 2，电容率为ε1和ε，今在两板接上电动势为 Ε 的电池，求 （1） 电容器两板上的自由电荷密度ωf （2） 介质分界面上的自由电荷密度ωf若介质是漏电的，电导率分别为 σ 1 和σ 2 当电流达到恒定时，上述两问题的结果如何？解：在相同介质中电场是均匀的，并且都有相同指向则11221211220(0)n n f l E l E E D D E E εεσ-=⎧⎪⎨-=-==⎪⎩介质表面上 故：211221EE l l εεε=+，121221EE l l εεε=+又根据12n n f D D σ-=， （n 从介质1指向介质2） 在上极板的交面上，112f D D σ-= 2D 是金属板，故2D =0即：11211221f ED l l εεσεε==+而20f σ=3122f D D D σ'''=-=-，（1D '是下极板金属，故1D '=0）∴31121221f f El l εεσσεε=-=-+若是漏电，并有稳定电流时，由jE σ=可得111j E σ=， 222j E σ=又1212121212,()nn j j l l E j j j j σσ⎧+=⎪⎨⎪===⎩稳定流动得：121212E j j l l σσ==+ ，即1211122121221221j E E l l j E E l l σσσσσσσσ⎧==⎪+⎪⎨⎪==⎪+⎩1231221f E D l l εσσσσ==+上22212219f ED l l εσσσσ=-=-+下2112231221f D D E l l εσεσσσσ-=-=+中1.14、内外半径分别a 和b 的无限长圆柱形电容器，单位长度电荷为f λ，板间填充电导率为σ的非磁性物质。
郭硕鸿《电动力学》习题解答完全版（章）
= (µµ −1)∇× Hr = ( µ −1)rj f ,(r1 < r < r2)
0
µ0
αrM = nr× (Mr 2 − Mr 1),(n从介质1指向介质2
3ε
r3
= − ε −ε 0 ρ f (3− 0) = −(ε −ε 0 )ρ f
3ε
ε
σ P = P1n − P2n
考虑外球壳时 r r2 n从介质 1指向介质 2 介质指向真空 P2n = 0
-5-
电动力学习题解答
第一章 电磁现象的普遍规律
σ P = P1n = (ε −ε 0)
r 3 − r13 ρ f rr r=r2 3εr 3
= cos(kr ⋅rr)(kxerx + k yery + kzerz )Er0 = cos(kr ⋅rr)(kr ⋅ Er) ∇×[Er0 sin(kr ⋅rr)] = [∇sin(kr ⋅rr)]×Er 0+sin(kr ⋅rr)∇× Er0
4. 应用高斯定理证明
∫ dV∇× fr = ∫S dSr× fr
V
应用斯托克斯 Stokes 定理证明
∫S dSr×∇φ = ∫Ldlrφ
证明 1)由高斯定理
dV∇⋅ gr = ∫S dSr ⋅ gr
∫
∫ ∫ 即
V
(∂ g x ∂x V
+ ∂g y ∂y
+ ∂g zz )dV = ∂
g
S
xdS x + g ydS y + g zdS z
而 ∇× frdV = [(∂ f z − ∂∂z f y )ir ∂+ ( f x − ∂∂x f z )rj∂+ ( f y − ∂∂y f x )kr]dV
郭硕鸿《电动力学》课后标准答案
电动力学答案第一章 电磁现象的普遍规律1. 根据算符∇的微分性与向量性，推导下列公式：B A B A A B A B B A )()()()()(∇⋅+⨯∇⨯+∇⋅+⨯∇⨯=⋅∇A A A A )()(221∇⋅-∇=⨯∇⨯A解：（1）)()()(c c A B B A B A ⋅∇+⋅∇=⋅∇B A B A A B A B )()()()(∇⋅+⨯∇⨯+∇⋅+⨯∇⨯=c c c cB A B A A B A B )()()()(∇⋅+⨯∇⨯+∇⋅+⨯∇⨯=（2）在（1）中令B A =得：A A A A A A )(2)(2)(∇⋅+⨯∇⨯=⋅∇，所以 A A A A A A )()()(21∇⋅-⋅∇=⨯∇⨯即 A A A A )()(221∇⋅-∇=⨯∇⨯A2. 设u 是空间坐标z y x ,,的函数，证明：u u f u f ∇=∇d d )( ， u u u d d )(A A ⋅∇=⋅∇， uu u d d )(AA ⨯∇=⨯∇ 证明：（1）z y x zu f y u f x u f u f e e e ∂∂+∂∂+∂∂=∇)()()()(z y x z u u f y u u f x u u f e e e ∂∂+∂∂+∂∂=d d d d d d u uf z u y u x u u f z y x ∇=∂∂+∂∂+∂∂=d d )(d d e e e （2）z u A y u A x u A u z y x ∂∂+∂∂+∂∂=⋅∇)()()()(A zuu A y u u A x u u A z y x ∂∂+∂∂+∂∂=d d d d d duu z u y u x u u A u A u A z y x z z y y x x d d )()d d d d d d (Ae e e e e e ⋅∇=∂∂+∂∂+∂∂⋅++=（3）uA u A u A z u y u x u uu z y x zy x d /d d /d d /d ///d d ∂∂∂∂∂∂=⨯∇e e e Azx y y z x x y z yu u A x u u A x u u A z u u A z uu A y u u A e e e )d d d d ()d d d d ()d d d d (∂∂-∂∂+∂∂-∂∂+∂∂-∂∂=z x y y z x x y z y u A x u A x u A z u A z u A y u A e e e ])()([])()([])()([∂∂-∂∂+∂∂-∂∂+∂∂-∂∂=)(u A ⨯∇= 3. 设222)'()'()'(z z y y x x r -+-+-=为源点'x 到场点x 的距离，r 的方向规定为从源点指向场点。
《电动力学》课后答案
电动力学答案第一章电磁现象的普遍规律1.根据算符∇的微分性与向量性，推导下列公式：BA B A A B A B B A )()()()()(∇⋅+×∇×+∇⋅+×∇×=⋅∇A A A A )()(221∇⋅−∇=×∇×A 解：（1）)()()(c c A B B A B A ⋅∇+⋅∇=⋅∇BA B A A B A B )()()()(∇⋅+×∇×+∇⋅+×∇×=c c c c BA B A A B A B )()()()(∇⋅+×∇×+∇⋅+×∇×=（2）在（1）中令B A =得：A A A A A A )(2)(2)(∇⋅+×∇×=⋅∇，所以A A A A A A )()()(21∇⋅−⋅∇=×∇×即A A A A )()(221∇⋅−∇=×∇×A2.设u 是空间坐标z y x ,,的函数，证明：u u f u f ∇=∇d d )(，u u u d d )(A A ⋅∇=⋅∇，uu u d d )(AA ×∇=×∇证明：（1）z y x z u f y u f x u f u f e e e ∂∂+∂∂+∂∂=∇)()()()(zy x z uu f y u u f x u u f e e e ∂∂+∂∂+∂∂=d d d d d d u uf z u y u x u u f z y x ∇=∂∂+∂∂+∂∂=d d )(d d e e e （2）z u A y u A x u A u z y x ∂∂+∂∂+∂∂=⋅∇)()()()(A zuu A y u u A x u u A z y x ∂∂+∂∂+∂∂=d d d d d d uu z u y u x u u A u A u A z y x z z y y x x d d )()d d d d d d (Ae e e e e e ⋅∇=∂∂+∂∂+∂∂⋅++=（3）uA u A u A zu y u x u uu z y x zy x d /d d /d d /d ///d d ∂∂∂∂∂∂=×∇e e e Azx y y z x x y z yu u A x u u A x u u A z u u A z uu A y u u A e e e )d d d d ()d d d d ()d d d d (∂∂−∂∂+∂∂−∂∂+∂∂−∂∂=zx y y z x x y z y u A x u A x u A z u A z u A y u A e e e ])()([])()([])()([∂∂−∂∂+∂∂−∂∂+∂∂−∂∂=)(u A ×∇=3.设222)'()'()'(z z y y x x r −+−+−=为源点'x 到场点x 的距离，r 的方向规定为从源点指向场点。
电动力学课后答案
第五章多电子原子1.选择题:(1)关于氦原子光谱下列说法错误的是：BA.第一激发态不能自发的跃迁到基态；B.1s2p 3P2,1,0能级是正常顺序；C.基态与第一激发态能量相差很大；D.三重态与单态之间没有跃迁(2)氦原子由状态1s2p 3P2,1,0向1s2s 3S1跃迁,可产生的谱线条数为：BA.0；B.3；C.2；D.1(3)氦原子由状态1s3d 3D3,2,1向1s2p3P2,1,0跃迁时可产生的谱线条数为：CA.3；B.4；C.6；D.5(4)氦原子有单态和三重态两套能级,从而它们产生的光谱特点是:DA.单能级各线系皆为单线,三重能级各线皆为三线；B.单重能级各线系皆为双线,三重能级各线系皆为三线；C.单重能级各线系皆为单线,三重能级各线系皆为双线;D.单重能级各线系皆为单线,三重能级各线系较为复杂,不一定是三线.(5)若某原子的两个价电子处于2s2p组态,利用L－S耦合可得到其原子态的个数是：CA.1；B.3;C.4;D.6.(6)设原子的两个价电子是p电子和d电子,在Ｌ－Ｓ耦合下可能的原子态有：CA.4个；B.9个；C.12个D.15个；(7)若镁原子处于基态,它的电子组态应为：CA．2s2s B.2s2p C.3s3s D.3s3p(8)有状态2p3d3P 2s3p3P的跃迁：DA.可产生9条谱线B.可产生7条谱线C 可产生6条谱线D.不能发生课后习题1．He 原子的两个电子处在2p3d态。
问可能组成哪几种原子态？（按LS耦合）解答：l1 = 1 l2 = 2 L = l1 + l2, l1 + l2−1, ……, | l1− l2| = 3, 2, 1 s1 =1/2 s2 =1/2 S = s1 + s2, s1 + s2−1, ……, |s1 − s2| = 1, 0 这样按J = L+S, L+S−1, ……, |L−S| 形成如下原子态：S = 0 S = 1L = 1 1P13P0,1,2L =2 1D23D1,2,3L = 3 1F33F2,3,43.Zn 原子(Z=30) 的最外层电子有两个。
电动力学四章参考答案
习题四参考答案1．一个半径为R 的电介质球，极化强度为2/r r K P ，电容率为 ．计算⑴ 束缚电荷的体密度和面密度； ⑵ 自由电荷体密度； ⑶ 球外和球内的电势；⑷该带电介质球产生的静电场的总能量．答案：⑴ 2rK p ，R K p ⑵ 20rKf⑶ r KR002R r001ln r K K R r⑷ 20012K R W 提示：⑴2rK P p ， R KP e R r r p ˆ⑵ 因为f P10，所以 2r K f ⑶ 因为电荷分布具有球对称性，所以可以由高斯定理求电场强度E ，再求 ⑷ 两种方法都可以求解v dV W 21，V 是电荷分布的球区间。
或者，dV D E W21，这里V 是电场分布的全空间２．导体内有一半径为R 的球形空腔，腔内充满电容率为 的均匀电介质，现将电荷量为q 的点电荷放在腔内离球为)(R a a 处，如图所示，已知导体的电势为零，试求：①腔内任一点),( r p 的电势 ；②腔壁上感应电荷量的面密度；③介质极化电荷量的密度和面密度．解：用电像法求解①设导体不存在，整个空间都充满了电容率为 的均匀介质，像电荷q 使腔壁电势为0．041s q s q 解之得 aR b 2q aR q由此得介质内任一点),( r p 的电势为cos 2cos 2412222br b r q ar a r q ． ②腔壁上感应电荷量的面密度为2/32222)cos 2(4)(ˆ)(ˆ aR a R R q a R r e E e D n Rr r ③介质内极化电荷量的密度为200)()( E P P)1())((00． q q p )1(0． 介质表面极化电荷面密度R r p rE ep n ))(()(ˆ002/322220)cos 2(4))(( aR a R R qa R ． ３．接地的空心导体球内外半径为1R 和2R ，在球内离球心为 1R a a 处置一点电荷q ，求空间的电势分布．导体球上的感应电荷有多少？分布在内表面还是外表面？答案：cos /2//cos 2412122121220a R R a R R aqR Ra a R qq q '，分布在内表面．感应电荷不等于像电荷．提示：该题的解法与例题2完全类似，只是像电荷在球外空间。
《电动力学》答案
(r / r 3 ) [(1 / r 3 )r ] (1 / r 3 ) r (1 / r 3 ) r
d 1 3 r 3 r r 0 4 r 0 dr r r r 1 3 3 3 4 (r / r ) [(1 / r )r ] (1 / r ) r 3 r ○ r 3 r 3 4 r 3 0 ， (r 0) r r r
3. 设r
( x x' ) 2 ( y y' ) 2 ( z z ' ) 2 为源点 x ' 到场点 x 的距离， r 的方向规定为
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电动力学习题解答
从源点指向场点。 （1）证明下列结果，并体会对源变量求微商与对场变量求微商的关系：
r ' r r / r ； (1 / r ) ' (1 / r ) r / r 3 ； (r / r 3 ) 0 ；
ex ey ez dA （3） u u / x u / y u / z du dAx / du dAy / du dAz / du
dAy u dAx u dA u dAz u dAz u dAy u )e x ( x )e y ( )e z du y du z du z du x du x du y Ay (u ) Ax (u ) A (u ) Az (u ) A (u ) Ay (u ) [ z ]e x [ x ]e y [ ]e z y z z x x y A(u) (
即
2 A ( A) 1 2 A ( A ) A 2. 设 u 是空间坐标 x, y, z 的函数，证明： df dA dA ， A(u ) u f (u ) u ， A(u ) u du du du
《电动力学》简答题参考答案
《电动力学》简答题参考答案1. 分别写出电流的连续性方程的微分形式与积分形式,并简单说明它的物理意义。
解答:电流的连续性方程的微分形式为0J t ρ∂∇⋅+=∂K 。
其积分形式为d d d d S J S V t ρΩ⋅=−∫∫∫∫K K v 。
电流的连续性方程实际上就是电荷守恒定律的公式表示形式,它表示:当某区域内电荷减少时,是因为有电荷从该区域表面流出的缘故;相反,当某区域内电荷增加时,是因为有电荷通过该区域的表面流入的缘故。
2. 写出麦克斯韦方程组,并对每一个方程用一句话概括其物理意义。
解答:(1)f D ρ∇⋅=K 电荷是电场的源;(2)B E t∂∇×=−∂K K 变化的磁场产生电场; (3)0B ∇⋅=K 磁场是无源场;(4)f D H J t∂∇×=+∂K K K 传导电流以及变化的电场产生磁场。
3. 麦克斯韦方程组中的电场与磁场是否对称?为什么?解答:麦克斯韦方程组中的电场与磁场并不对称,因为电场是有源场,电荷是电场的源,而磁场是无源场,不存在磁荷。
4. 一个空间矢量场A K ,给出哪些条件能把它唯一确定?解答:由矢量场的唯一性定理:(1)位于空间有限区域内的矢量场,当它的散度,旋度以及它在区域边界上的场分布给定之后,该矢量场就被唯一确定;(2)对于无限大空间,如果矢量在无限远处减少至零,则该矢量由其散度和旋度唯一确定。
5. 写出极化电流与极化强度、磁化电流密度与磁化强度之间的关系式。
解答:极化电流与极化强度之间的关系式为P P J t ∂=∂K K ; 磁化电流密度与磁化强度之间的关系式为M J M =∇×K K 。
6. 简述公式d d d d d V V w V f V S tσ−=⋅+⋅∫∫∫v K K K K v 的物理意义。
解答:d d d Vw V t −∫表示单位时间区域V 内电磁场能量的减少,d V f V ⋅∫v K K 表示单位时间电磁场对该区域的电荷系统所作的功,d S σ⋅∫K K v 表示单位时间流出该区域的能量。
电动力学课后答案
第一章1． 根据算符的微分性与矢量性推导下列公式uA e u A e u A e du A d duA d u u A zu u A y u u A x u u A z A y A x A u A z u e y u e x u e u ududfu u f u f duu df u f z u u f u f z y u u f u f y x u u f u f x du Ad u u A du A d u u A u du df u f z y x u AA A A A AA A A A A A A AB A BA B A A B A B B A C B A B A B A B B A A C C B A A C B B A C A C B A B A B A A B B C A C B A C B A B C c B A B A B A AA A A AB A B A A B A B B A zz y y x x z y x z y x zy x c c c c c c c c c c ∂∂+∂∂+∂∂=⋅∇=⋅∇∂∂∂∂+∂∂∂∂+∂∂∂∂=∂∂+∂∂+∂∂=⋅∇∂∂+∂∂+∂∂=∇∇=∇=∇=∂∂=∂∂∂∂=∂∂∂∂=∂∂⨯∇=⨯∇⋅∇=⋅∇∇=∇∇⋅-∇=⨯∇⨯∇⋅+∇⋅+⨯∇⨯∇=⋅∇=∇⋅+⨯∇⨯+∇⋅+⨯∇⨯=⋅∇⨯∇⨯+∇⋅=⋅∇==∇=⨯⨯-⋅=⋅⨯⨯+∇⋅=⋅∇==∇=⨯⨯+⋅=⋅⋅∇+⋅∇=⋅∇∇⋅-∇=⨯∇⨯∇⋅+⨯∇⨯+∇⋅+⨯∇⨯=⋅∇)()()2()(')()()(')(')()(')()(')()1()()()(,, 2.)(21)()()()(2)()2()()()()()()()(,,,)()()()()(,,)()()()()(1)(21)()2()()()()()()1(222故故得解：的函数，证明：是空间坐标设所以：右边为：则左边为令上述公式中则得不再需要的符号将此两项相加，并弃去）（可得令又应用公式：）（结果可得令应用公式：常量表示相当的量应该看成此处）（）解：（3333333300033332221')'(')1(;)'(')1(;)'(')1(1)'()1(;)'()1(;)'()1()(')'(';)'(';)'('])'()'()'([)'(;)'(;)'()()1(,)],sin([)()]sin([)(),()(,))((,)(,)()2()0(0')(0)(1'1)(')()''''(1')'()'()'(.3)()3(r r r r z z z r r y y y r r x x x r r r r r z z z r r y y y r r x x x r b r rr rz z z r r y y y r r x x x r rrr z z e r y y e r x x e r rz z z r r y y y r r x x x r a E k a r k E f r k E e r a d r a c r b r a r rrr r d r r c rrr r b r r r r a zA e y A e x A e z A e y A e x A e r x x z z y y x x r duAd u y u u A x u u Ae x u u A z u u A e z u u A y u u A e y A x A e x A z A e z A y A e u A z y x zz y y x x z z y y x x x y z z x y y z x x y z z x y y z x=∇∴--=∂∂--=∂∂--=∂∂-=∇∴--=∂∂--=∂∂--=∂∂-=∇∴--=∂∂--=∂∂--=∂∂=-+-+-=∇∴-=∂∂-=∂∂-=∂∂⋅⨯∇⋅⋅∇⋅∇∇⋅⨯∇⋅∇≠=-∇=⋅∇=⨯∇-=-∇=∇=-∇=∇∂∂+∂∂+∂∂=∇∂∂+∂∂+∂∂=∇-+-+-=⨯∇=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂-∂∂∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂-∂∂∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂-∂∂∂∂=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂=⨯∇解：均为常矢量及其中及求会对源变数求微商）证明下列结果，并体（为从源点指向场点的方向规定的距离，到场点为该点设;1)'(3'1;1)'(3'1;1)'(3'1)1()1()(010''')(3523352335232333333r r z z r z z z z r z r r y y r y y y y r y r r x x r x x x x r x r r rr d r r r r z z r y y r x x z y x e e e r r c zy x --=⎪⎭⎫ ⎝⎛--∂∂=⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂--=⎪⎭⎫ ⎝⎛--∂∂=⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂--=⎪⎭⎫ ⎝⎛--∂∂=⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂-∇=∇⋅-∇=⋅∇=∇⨯-∇=⨯∇=---∂∂∂∂∂∂=⨯∇ 或 013])'()'()'[(3)1(3352222=⋅∇=--+-+-=∇r r r r z z y y x x r 即 [][][][][][][])cos()()cos()()cos()()cos()()sin()()cos()()cos()cos()cos()sin()()(;)'()'(;)'()'(;)'()'()'()'()'()()()'()'()'())((0)'()'()'()'()'()'()(3)'()'()'()'()'()'())(2(0000000000000r k E k r k k E k E e r k k E k E e r k k E k E e r k E f r k E k r k E k r k E k r k E k r k E e a r a a za z z a z z a z a y a y y a y y a y a x a x x a x x a x z z a y y a x x a r a d ae a e a e a e z z e y y e x x z a y a x a r a c e y x x x y y e x z z z x x e y y y z z z r b zz z y y y x x x r z z e y y e x x e r a y x x y z x z z x y z y y z x z z y y x x z z z z y y y y x x x x z y x z z y y x x z y x z y x z y x z y x⋅⨯=⋅-+⋅-+⋅-=⋅⨯∇⋅⋅=⋅+⋅+⋅=⋅⋅∇=⋅∇∴=∂∂-+=-∂∂=∂∂-+=-∂∂=∂∂-+=-∂∂-+-+-∇=⋅∇=++=-+-+-⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂=∇⋅=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂-∂-∂-∂+⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂-∂-∂-∂+⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂-∂-∂-∂=⨯∇=∂-∂+∂-∂+∂-∂=⋅∇-+-+-=4 (1) 应用高斯定理证明:⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⨯=⨯∇∴⨯⋅-=⨯⋅-=⨯=⨯⋅∇=⨯∇⋅-⨯=⨯∇svsssvvsvfs d f dv f s d a f s d a s d f a dv f a dv f a a a fs d f dv)()()(点乘方程左边得是一个任意常矢量，以证：令(2) 应用斯托柯斯定理证明：⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰=∇⨯∴∇⨯⋅=⋅⨯∇=⋅⨯∇=⋅=⋅=∇⨯LssssLLLsl d s d s d a s d a s d a l d a l d a a a l d s d ϕϕϕϕϕϕϕϕϕ)()(点乘方程右边得是一个任意常矢量，以证：令 5已知一个电荷系统的偶极矩定义为⎰=vdv x t x t p ,,,),()(ρ利用电荷守恒定律0=∂∂+⋅∇t J ρ 证明的变化率为⎰=vdv t x J dt pd ,,),(解：⎰=vdv x t x t p ,,,),()(ρ,x 与时间无关，取的)(t p一个分量为⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⋅+⋅⋅-=⋅⋅∇+⋅∇-=⋅∇-====vi s i i vi i v i i v i i v i i i i vi i dv J s d J x dv J x dv J x dv J x dv t x x t pdt t dp dv x t x t p ,,,,,,,,,,,,,,,,,)()()(),()()(),()( ρρ考虑到积分区域的表面比电荷所在区域大得多时，表面上的电流为0。
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1.7. 有一内外半径分别为 r 1 和 r 2 的空心介质球，介质的电容率为ε，使介质内均匀带静止由电荷f ρ求 1 空间各点的电场；2 极化体电荷和极化面电荷分布。
解（1）fsD ds dV ρ→⋅=⎰⎰， （r 2>r> r 1）即：()2331443fD r r r ππρ⋅=-∴()33133f r r E r rρε→-=， （r 2>r> r 1）由()3321043ff sQ E d s r r πρεε⋅==-⎰， （r> r 2） ∴()3321303f r r E r r ρε→-=， （r> r 2）r> r 1时， 0E = （2）()00000e P E E E εεεχεεεε-===- ∴ ()()()3331010330033303p f f f fr r r P r r r r r εερεερρεεεεεερρεε⎡⎤-⎛⎫-⎢⎥=-∇⋅=--∇⋅=-∇⋅- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦--=--=- （r 2>r>r 1）12p n n P P σ=-考虑外球壳时， r= r 2 ，n 从介质 1 指向介质 2 （介质指向真空），P 2n =0()()23333102110332133p n f f r r rr r r P rr r εσεερρεε=--⎛⎫==-=- ⎪⎝⎭ 考虑内球壳时， r= r 1()()13310303p f r r rr rr σεερε=-=--=1.11. 平行板电容器内有两层介质，它们的厚度分别为 l 1 和l 2，电容率为ε1和ε，今在两板接上电动势为 Ε 的电池，求 （1） 电容器两板上的自由电荷密度ωf （2） 介质分界面上的自由电荷密度ωf若介质是漏电的，电导率分别为 σ 1 和σ 2 当电流达到恒定时，上述两问题的结果如何？解：在相同介质中电场是均匀的，并且都有相同指向则11221211220(0)n n f l E l E E D D E E εεσ-=⎧⎪⎨-=-==⎪⎩介质表面上 故：211221EE l l εεε=+，121221EE l l εεε=+又根据12n n f D D σ-=， （n 从介质1指向介质2） 在上极板的交面上，112f D D σ-= 2D 是金属板，故2D =0即：11211221f ED l l εεσεε==+而20f σ=3122f D D D σ'''=-=-，（1D '是下极板金属，故1D '=0）∴31121221f f El l εεσσεε=-=-+若是漏电，并有稳定电流时，由jE σ=可得111j E σ=， 222j E σ=又1212121212,()nn j j l l E j j j j σσ⎧+=⎪⎨⎪===⎩稳定流动得：121212E j j l l σσ==+ ，即1211122121221221j E E l l j E E l l σσσσσσσσ⎧==⎪+⎪⎨⎪==⎪+⎩1231221f E D l l εσσσσ==+上22212219f ED l l εσσσσ=-=-+下2112231221f D D E l l εσεσσσσ-=-=+中1.14、内外半径分别a 和b 的无限长圆柱形电容器，单位长度电荷为f λ，板间填充电导率为σ的非磁性物质。
（1）证明在介质中任何一点传导电流与位移电流严格抵消，因此内部无磁场。
（2）求f λ随时间的衰减规律。
（3）求与轴相距为r 的地方的能量功耗功率密度。
（4）求长度为l 的一段介质总的能量耗散功率，并证明它等于这段的能减少率。
（1）证明：由电流连续性方程：0f J tρ∂∇⋅+=∂根据高斯定理 f D ρ=∇⋅∴0DJ t∂∇⋅∇⋅+=∂, 即：0D J t →∂∇⋅+∇⋅=∂ ∴()0D J t ∂∇⋅+=∂， ∴0DJ t∂∴+=∂，即传导电流与位移电流严格抵消。
（2）解：由高斯定理得：2f D rdl dl πλ⋅=⎰⎰,22f f r r D e E e r r λλππε∴== 又0DJ t∂+=∂，J E σ=,D E ε= 00,t E E E E e tσεσε∂∴+==∂22t r fr r e e e r rσελλπεπε-∴= 0tf f eσελλ-∴=（3）解：0()22t f fD J e t t r rσελλσπεπ-∂∂=-=-=⋅∂∂ 能量耗散功率密度=2221()2f J J rλρσσπε== （5）解：单位体积2dV l rdr π=⋅222()222bf f a l bP l rdr In r aλσλσππεπε==⎰ 静电能W=2211122222bb f f aa l l bD EdV dr In r aλλπεπε⋅==⋅⋅⎰⎰减少率2222f f f l l W b b In In t a t aλλλσπεπσ∂∂-=-⋅=∂∂ 例1.一个内径和外径分别为R 2和R 3的导体球壳，带电荷Q ，同心地包围着一个半径为R 1的导体球（R 1 <R 2）.使这个导体球接地，求空间各点的的电势和这个导体球的感应电荷。
解 这个问题有球对称性，电势ϕ不依懒于角度θ和φ，因此可以只取1()(cos )n nn n n nb a R P R ϕθ+=+∑中n=0项。
设导体壳外和壳内的电势为 13,()ba R R R ϕ=+>(1) 221,()dc R R R Rϕ=+>> (2)边界条件为：（1）因内导体球接地，故有121||0R R R ϕϕ=→∞== (3) （2）因整个导体球壳为等势体，故有1321||R R R R ϕϕ=== (4)（3）球壳带总电荷Q ，因而3222120R R R R QR d R d R R ϕϕε==∂∂-Ω+Ω=∂∂⎰⎰ (5) 把（1）、（2）代入这些边界条件中，得12300,0,,4da c R db Qc bd R R πε=+=+=-=由此解出11000,,444Q Q Q d b πεπεπε==+ (6) 1014Q c R πε=,其中131111123R Q Q R R R ----=--+ 把这些值代入（1）、（2）中，得出电势的解113022101,()411().()4Q Q R R R Q R R R R R ϕπεϕπε+=>=->>导体球上的感应电荷为12201R R R d Q R ϕε=∂-Ω=∂⎰ 例4 导体尖劈带电势V ，分析它的尖角附近的电场。
解 用柱坐标系。
取z 轴沿尖边。
设尖劈以外的空间，即电场存在的空间为02()θπαα≤≤-为小角。
因ϕ不依懒于z ，柱坐标下的拉氏方程为22211()0r r r r r ϕϕθ∂∂∂+=∂∂∂ （1） 用分离变量法解次方程。
设ϕ的特解为()()R r ϕθ=Θ则上式分解为两个方程2222222,0.d R dRr r R dr drd d ννθ+=Θ+Θ=其中ν为某些正实数或0.把ϕ的特解叠加得ϕ得通解0000()()()(cos sin ).A B Inr C D A r B r C D νννννννϕθνθνθ-=+++++∑各待定常量和ν的可能值都由边界条件确定.在尖劈0θ=面上，ϕ=V ，与r 无关，由此000,0,0(0).A C VBC νν====因0r ϕ→时有限，得00.B B ν== 在尖劈2θπα=-面上，有,V ϕ=与r 无关，必须00,sin (2)0,D νπα=-=因此ν得可能值为,(1,2......)2n nn ναπ==-考虑这些条件，ϕ可以重写为sin .n n n nV A r νϕνθ=+∑为了确定待定常量n A ，还必须用某一大曲面包围着电场存在的区域，并给定这曲面上的边界条件。
因此，本题所给的条件是不完全的，还不足以确定全空间的电场。
但是，我们可以对尖角附近的电场作出一定的分析。
在尖角附近，0r →，上式的求和的主要贡献来自r 最低幂次项，即n=1项。
因此，111sin ,V A r νϕνθ≈+ 电场为1111111111sin ,1cos .r E A r rE A r r ννθϕννθϕννθθ--∂=-≈-∂∂=-≈-∂尖劈两面上的电荷密度为000(0)(2)n E E E θθεθσεεθπα=⎧==⎨-=-⎩11011.A r νεν-≈-若α很小，有11,2ν≈尖角附近的场强和电荷密度都近似地正比于12.r -由此可见，尖角附近可能存在很强的电场和电荷面密度。
相应的三维针尖问题就是尖端放电现象。
2.7 在一很大的电解槽中充满电导率为2σ的液体，使其中流着均匀的电流0f j ，今在液体中置入一个电导率为1σ小球，求稳恒时电流分布。
讨论1221σσσσ>>>>及两种情况下电流分布的特点。
解：维持电流恒定的电场也是静电场，可令E ϕ=-∇，由电流恒定条件0f J ∇⋅=，等两种介质都是线性均匀的，根据欧姆定律半径为0R ，令导电液中原电流密度02020f z J E E e σσ==。
问题就有z 轴对称性。
全部定解条件为：210ϕ∇= （R<0R ）；220ϕ∇= （R ＞0R ）R=0时， 1ϕ有限；R →∞时， 022cos f J R ϕθσ→-R=0R 时， 12ϕϕ=， 12R R J J =即1212R Rϕϕσσ∂∂=∂∂ （1） 由R=0和R →∞处的条件，可将两区域电势方程的解写为1(cos )n n n na R P ϕθ=∑ （2）021n2(cos )cos f nn n J b P R R ϕθθσ+=-∑（3） 将（2）和（3）代入（1），解出1123cos 2f J R ϕθσσ-=+()()30120222212cos cos 2f f J J R R Rσσϕθθσσσσ-=-++由()021R e E E ωε=⋅-，得球面的电荷密度：()()012021002123cos 2f R R J R R R σσεϕϕωεθσσ=-∂∂⎛⎫=-+= ⎪∂∂+⎝⎭ 球内1ϕ为原外场与球面电荷分布ω产生的均匀场之叠加;球外2ϕ的第一项是原外场，第二项是球面电荷产生的偶极场。
电流分布为：1011111123(2)f J J E σσσϕσσ==-∇=+30012022222053123()()(2)f f f J R R J R J E J R R σσσσϕσσ⎡⎤⋅-==-∇=+-⎢⎥+⎢⎥⎣⎦当12σσ>>时，103f J J ≈，003200533()f f f J R R J J J R R R ⎡⎤⋅≈+-⎢⎥⎢⎥⎣⎦ 当21σσ>>时，10J ≈，300020533()2f f f J R R J R J J R R ⎡⎤⋅≈--⎢⎥⎢⎥⎣⎦2.8 半径为0R 的导体球外充满均匀绝缘介质0R ϕ→∞→，；ε，导体球接地，离球心为a 处()0a R >置一点电荷f Q ，试用分离变数法求空间各点电荷，证明所得结果与镜象法结果相同。