2.6静电场的边界条件解析
第2章静电场
“立个球面”的立体角＝？ 2. “任意曲面”dS对“某点”所张的立体角 (1) 以R0为半径的“球面”
3. “立体角”的重要结论
散度方程微分形式的引出：
请注意：此处的ρ 是指自由电荷的体密度ρvf ！
（强调）散度方程
• 物理意义： 它们描述了静电场的发散性，给出了通过封闭面的 电通量与面内所围电荷量之间的关系； • 积分形式说明： 任意封闭面的电通量＝面内所围电荷总量； 电通量为0，则封闭面内不包含电荷，即面内无源; 进而说明：静电场具有通量源，即自由电荷。 • 微分形式说明： 静电场(电位移)散度＝该点处电荷体密度; 进而，静电场具有散度源，即自由电荷的体密度。
例2. 求电荷分布
已知真空中电场分布,求各处电荷分布的体密度. 分析: 由电场分布可知, 球对称, 电场只有径向分量； 可以直接运用散度方程求解； 仍要分球内和球外两种情况；
作业
• 试计算电荷面密度为σ 的无限大平面周围 的电场。
静电场的旋度方程
• 首先应注意，这是静电场，不是任意电场； • 积分形式: 电场沿任意闭合曲线的积分为0； C指任意闭合曲线； C自身方向与C所围曲面方向满足右手规则； 积分式即电场的环流量； • 微分形式: 静电场的旋度为0 无论在有源区还是无源区； 电荷是静电场的什么源？体密度是什么源？
真空中距离为R的两点电荷q1，q2 q1对q2的作用力，电荷量正比，距离平方反比 矢量方向：q1指向q2 真空中介电常数(Dielectric Constant)
1 12 0 8.85 10 ( F / m) 9 4 9 10
真空中静止点电荷的电场强度
q 2受到的电场力：F R, q1 , q2
总结1：
库仑定律(真空中静止电荷电场)
第三章静电场及其边值问题的解法
电路； • 在电力系统中，可利用电容器来改善系统的功率因数，以
减少电能的损失和提高电气设备的利用率；
如何求电容器的电容？
14
电磁场与波
1. 电容 电容是导体系统的一种基本属性，是描述导体系统 储存电荷能
力的物理量。
孤立导体的电容
界条件为
或
ED11tn
s
0
介质1
nˆ
E1
1
1
注：媒质1为介质，媒质2为导体
导体
22
电磁场与波
静电位的边界条件
设P1和P2是介质分界面两侧紧贴界面的相邻两点，其电位分
别为ϕ1和ϕ 2
当两点间距离⊿l→0时,C与D趋于同一 点，取作电位参考点
1 2
媒质1 1
1 A
B 2
媒质2 2
D
l
C
由
和
2
2
n
1
1
n
S
• 若介质分界面上无自由电荷，即 s 0
2
2
n
1
1
n
•
导体表面上电位的边界条件：
常数，
n
S
电磁场与波
例 3.5 无限长同轴线内外导体半径分别为a,b,外导体接地，内
导体电位为U，内外导体间部分填充介电常数为ɛ1的介质，其余部
分介电常数为ɛ2 ，(a)图中二介质层分界面半径为c；(b)图 0 1
孤立导体的电容定义为所带电量q与其电位的比值，即
Cq
电位参考点为 无穷远处
例： 真空中半径a的孤立带电导体球，其表面电荷量为q,则电位？
q 4 0 a
C 40a
静电场的边界条件
∴ n (D1 D2 ) s 或 D1n- D2n = s Normal
完纯介质分界面上，s= 0，则
n D1 n D2
或
D1n= D2n
二．不同介质分界面上切线方向的边界条件
n E1t E1
1 l
1
h
2 E2 2
c
E2t
Tangential
E
c
dl
E1
l
E2
l
0
l = s n l
在界面上，矢量场基本方程的微分形式不再适用
但积分形式仍然成立 SD dS q cE dl 0
边界条件: 两种介质分界面上，矢量场所满足的关系。
一．不同介质分界面上法线方向的边界条件
SD dS q
D S
பைடு நூலகம்
dS
D1
nS
D2
nS
sS
s 自由电荷面密度
D1n n D1
1 S
1
2
h
D2
2
D2n
n E,D
当分界面为导体与电介质的交界面时，由
于导体内电场和电位移矢量均为零，所以
D2 = E2 = 0
分界面上的衔接条件变为：
n D s
Dn s
Φ n
s
nE 0
Et 0
Φ c
结论：
（1）导体表面是一等位面；电力线与导体表面垂直，电场强度
只能垂直与导体表面；
（2）导体表面上任一点的D 就等于该点的自由电荷面密度 s。
E1 ( s n ) l = E2 ( s n ) l
s (n E1) = s (n E2)
回路 c 任意，所围s 也任意
n l s
∴ n E1 = n E2
2.6静电场的边界条件
D2n
用矢量表示 作的圆柱形表面。
将电场基本方程 D d S Q 用于所
s
n D1 D2 s
小圆 量柱 ，侧 该面 面积 积， 趋 于为 零无 穷 h
s为分界面上的自由电荷面密度
因为： D E
1E1n 2 E2n S
假设导体下标为2，介质下标为1。 导体内部有
E2 0,
D2 0
则在导体与电介质分界面上：
D1n D2n s
E1t E2t
D1n s
变为
E1t 0
2
2 1 1 S n S n S
1
1 S n S
1 2
1 2
2
E1
b
所以
tg1 E1t E2 n E2 n tg 2 E1n E2t E1n
E2 n D2 n
2 d
c
又由
2
E1n
D1n
E2t
1
D1n D2n ( s 0)
故
tg1 1 tg 2 2
可见，电场在分界面处发生了折射。
二、导体与电介质分界面上的边界条件
因为分界面上无电荷，故有边界条件 D1n D2n 60 0 所以 D1 0 (50i 60 j )
1
D1 E1 10i 12 j
【例2】 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，设内外导体带电分别为q和-q。求各部分的电位 移矢量和电场强度。
当分界面上无自由电荷时
2.6 静电场边值问题 唯一性定理
V/m
CQU
2.6.3 唯一性定理
1、唯一性定理 在静电场中满足给定边界条件的电位微分方程 满足给定边界条件的电位微分方程（ 在静电场中满足给定边界条件的电位微分方程（泊松方 程或拉普拉斯方程)的解是唯一的， 程或拉普拉斯方程)的解是唯一的，称之为静电场的唯一性定 理。 2. 唯一性定理的重要意义 可判断静电场问题的解的正确性 解的正确性： • 可判断静电场问题的解的正确性： 唯一性定理为静电场问题的多种解法(试探解、数值解、 • 唯一性定理为静电场问题的多种解法(试探解、数值解、 解析解等）提供了思路及理论根据。 解析解等）提供了思路及理论根据。
S
第三类 边界条件
(ϕ + β ∂ϕ ) = f3 ( s) ∂n S
第四类 边界条件
ϕ S = f1 ( s)
求解边值问题注意事项： 求解边值问题注意事项：
CQU
点电荷的场
1．根据求解场域内是否有 ρ 存在，决定电位满足泊松方程还是拉氏 ．根据求解场域 求解场域内是否有 存在，决定电位满足泊松方程还是拉氏 泊松方程还是 方程，然后判断场域是否具有对称性，以便选择适当的坐标系。 方程，然后判断场域是否具有对称性，以便选择适当的坐标系。 2．正确表达边界条件，并利用它们确定通解的待定常数。 正确表达边界条件，并利用它们确定通解的待定常数。 3．若所求解的场域内有两个（或以上）的均匀介质区域，应分区求 若所求解的场域内有两个（或以上）的均匀介质区域， 分区求 场域内有两个 不能用一个电位函数表达两个区域的情况。这时会出现4 解。不能用一个电位函数表达两个区域的情况。这时会出现4个积分 常数，还需考虑介质分界面上的衔接条件来确定积分常数。 分界面上的衔接条件来确定积分常数 常数，还需考虑介质分界面上的衔接条件来确定积分常数。 4.对于开域问题，还需给出无限远处的自然边界条件。 4.对于开域问题，还需给出无限远处的自然边界条件。当场域有 对于开域问题 限分布时，应有： 限分布时，应有：
2.6静电场的边界条件
1 2 lim E dl lim( E1n
12 1 d 0
2
d d E2 n ) 0 2 2
因此
图2.6.5电位的衔接条件
1 2
2 n
表明: 在介质分界面上，电位是连续的。
D1n 1 E1n 1
1 n
,
D2 n 2 E2 n 2
( D E )
E dl 0 D dS q
l
S
A 3 xe x 4 ye y 5 ze z ，
ey y Ay
试判断它能否表示个静电场？
解：根据静电场的旋度恒等于零的性质,
ex A x Ax
ez Ay Ax Ax Az Az Ay z ( y z )e x ( z x )e y ( x y )e z 0 Az
D2 n D1n E1t E2 t
图2.6.3 导体与电介质分界面
D2 n E2 t 0
表明：（1）导体表面是一等位面，电力线与导体表面垂直，电场仅有法向分 量；（2）导体表面上任一点的D 就等于该点的自由电荷密度 。 在交界面上不存在 时，E、D满足折射定律。
二、电位移矢量D的边界条件 以分界面上点P作为观察点，作一 小扁圆柱高斯面（ L 0）。 根据
D dS q
D1n S D2 n S S
D2 n D1n
则有
图2.6.1 在电介质分界面上应用高斯定律
分界面两侧的 D 的法向分量不连续。当
0
时，D 的法向分量连续。
1 E1 2 E2
E1d1 E2 d 2 U0
静电场的边界条件
静电场的边界条件一、介绍静电场是电荷相互作用的结果，它在物理学中有着重要的应用。
在讨论静电场的问题时，我们需要考虑边界条件，即影响电荷分布和电场分布的物体或介质的边界条件。
本文将对静电场的边界条件进行全面、详细、完整的探讨。
二、电场的基本概念回顾在深入讨论静电场的边界条件之前，我们先回顾一下电场的基本概念。
电场是指空间中某一点周围的电力场，它由电荷所产生。
电场的强度用电场强度表示，通常用符号E表示，其单位为N/C（牛顿/库仑）。
电场的方向是从正电荷指向负电荷。
三、边界条件的意义静电场的边界条件对于解决各种实际问题非常重要。
在处理实际问题时，我们常常需要考虑到材料接触面上的边界条件，以确定电场分布和电荷分布。
四、电场的边界条件在讨论静电场的边界条件时，我们主要关注以下几个方面：4.1 自由边界条件自由边界条件指在物体表面没有约束电荷和电场的存在。
在这种情况下，电荷和电场可以自由传播。
4.2 导体表面的边界条件导体表面的边界条件是我们最常见的一种情况。
导体表面上，电场与导体表面垂直。
这是因为在导体表面上，导体内部的电荷会受到表面电荷的驱动，沿着导体表面朝水平方向运动，最终达到平衡状态。
4.3 介质表面的边界条件介质表面的边界条件与导体表面的边界条件相似，但不完全相同。
在介质表面上，电场仍然与表面垂直，但电场的强度在介质表面的两侧有所变化。
4.4 电势的边界条件电势是电场的一种特殊形式，它表示单位正电荷在电场中移动所具有的能量。
在讨论边界条件时，我们也需要考虑电势的变化情况。
五、总结静电场的边界条件是解决静电场问题的关键之一。
在实际问题中，我们需要根据具体情况来确定相应的边界条件。
不同的边界条件将会对电场和电荷分布产生影响，因此我们必须认真考虑边界条件的选择和分析。
通过对静电场的边界条件的全面、详细、完整的探讨，我们可以更好地理解和应用静电场的理论，解决实际问题。
关于静电场和恒定磁场的边界条件的几点讨论
关于静电场和恒定磁场的边界条件的几点讨论赵东广（安徽大学 文典学院 安徽 合肥 230039）摘要：本文对不同介质组成的静电场和恒定磁场场域的边界条件进行了整理和讨论，并用高斯定理等对两种介质分界面上的电磁场边值关系进行了简洁推导并以这种普遍关系为基础导出了理想导体表面上的边界条件，并对该边界条件做了详细说明。
关键词：静电场，恒定磁场，边界面。
引言：对于不同媒质所组成的电磁场场域在分界面上介质性质有突变，则电磁场在分界面两侧发生突变。
而我们把分界面电磁场突变关系称为电磁场的边值关系或边界条件。
1 静电场的边界条件1.1 法向边界条件或 ，如果界面上没有自由电荷，即，边界条2121()S S D n S D n S q S n D D ρρ⋅∆-⋅∆==∆⋅-=21n n S D D ρ-=0S ρ=2121()00n n n D D D D ⋅-=-=件变为 或 。
1.2 切向边界条件即静电场的切向分量连续，意味着电位连续，即 ，又因为所以法向分量的边界条件用电位表示为在 时，则即为静电场的折射定律。
导体内的静电场在静电平衡时为零，设导体外部的场为E ，D ，导体的法向量为n ，则导体表面的边界条件简化为 。
2 恒定磁场的边界条件2121()0t tn E E E E ⨯-==21ϕϕ=nE D n E D n n n n ∂∂-==∂∂-==2222211111ϕεεϕεεSnnρϕεϕε=∂∂-∂∂22110S ρ=2121tan tan εεθθ=0=t E S n D ρ=2.1 法向边界条件 即 ，SB d s ⋅=⎰120B n S B n S -⋅∆+⋅∆=12n nB B =2.2 切向边界条件即 当分界面上没有自由电流时， ，当分界面两边为理想介质，分界面上无自由电流，则上式表面媒质两边的磁场方向与媒质本身特性有关。
下面我们讨论几种特殊情况l J l H l H S t t ∆=∆-∆21S t t J H H =-210S J = tt H H 21=12n H n H ⨯=⨯ 12n nB B =tt H H 21=1221112212tan tan μμθθ===nn nt n t H H H H H H1 若当媒质1为空气，媒质2为铁磁媒质。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
b
E2t
c
穷矩 小形 0 量两 电场强度E的边界条件 ， 条 该侧 长边 E1t E2t 度， 趋 矢量表示为 于为 零无
n E1 E2 0
E1t l E2t l
l‘
上式表明：介质分界面两侧电场强度的切向分量连续。
3. 标量电位的边界条件
h h A B E dl E1n E2n B 2 2 A B 0
A
1
●
2
D2
1
A
D1
△h→0
2● B
1 2
在介质分界面上电位满足
1 S 2 S
该式表明：在两种媒质分界面处，标量电位是连续的。 因为：
E
D1n D2n S
当分界面上无自由电荷时，
2 2 1 1 S n S n S
E1t E2t
D1n s
变为
E1t 0
2
2 1 1 S n S n S
1
1 S n S
1 2
1 2
【例1】 y=0平面是两种介质分界面，在y>0区域内
2 3 0 若已知 E2 10i 20 j （v/m），求 y<0区域内，
s 上 1 2
下
D2 d S q
2 πr 1 E1 2 πr 2 2 E2 q 2 πr 2 (1 E1 2 E2 ) q 2 πr (1 2 ) q E1 E2 er 2 2 πr (1 2 ) 1q D1 1 E1 er 2 2 πr (1 2 ) 2q D2 2 E2 er 2 2 πr (1 2 )
【解】：由题意知， E2n 20, E2t 10 则
E1, D1, D2
1
5 0
。
D2 2 E2 0 (30i 60 j ) E1t E2t 10, D1t 1E1t 50 0
当分界面上无自由电荷时
D1n D2n s
变为
D1n D2n
1E1n 2 E2n S
1E1n 2 E2n
由此可得D的法向分量在介质面两侧的关系：
（1）如果介质分界面上无自由电荷，则分界面两侧D的法向分量连续; E的
法向分量不连续;
（2）如果介质分界面上分布电荷密度 S ，D的法向分量从介质2跨过分界
2
E
q
a
1
2
b
内容小结
两种电介质分界面的边界条件
1
1 2 2 n S n
S
4. 电场在分界面的折射
因为
tg1
E1t E1n
n
tg 2
E2 t E2 n
1 a
E1t
l 1 E2
2
E1
所以
tg1 E1t E2 n E2 n tg 2 E1n E2t E1n
E2 n D2 n
第二章 静电场
2.6静电场的边界条件
主要内容
两种电介质分界面上的边界条件 导体与电介质分界面上的边界条件
学习目的
掌握边界条件在求解静电场问题中的应用
边界条件： 在不同介质的分界面上，来自分量服从的 变换规律。一、两种电介质分界面上的边界条件 1.电场法向分量的边界条件
n 方程左边
S
1
D1n
E1 ， 解：内外导体均为等位面，电场沿径向方向。设上半空间的电场强度为 下半空间的电场强度为E2 。由介质分界面上电场强度满足的切向连续条 件可知，在分界面上任一点r处有： E1 E2 Eer
作一与电容器同心且半径为r的高斯球面，由高斯定理得：
D dS q D dS
2
D1
1
D d S D1 nS D2 n S D S '
s
D1n D2n S
2
D2
h
方程右边 Q s S 电位移矢量D 的边界条件
D1n D2n s
面进入介质1时将有一增量，这个增量等于分界面上的面电荷密度 S 。
2. 电场切向分量的边界条件
n
将方程 E dl 0 用于所作的矩形回路。
l
E1t
1 a
2 d
l 1 E2
2
E1
E dl E1 l E2 l E l
b
2 d
又由
2
E1n
D1n
E2t
c
1
D1n D2n ( s 0)
故
tg1 1 tg 2 2
可见，电场在分界面处发生了折射。
二、导体与电介质分界面上的边界条件
假设导体下标为2，介质下标为1。 导体内部有
E2 0,
D2 0
则在导体与电介质分界面上：
D1n D2n s
因为分界面上无电荷，故有边界条件 D1n D2n 60 0 所以 D1 0 (50i 60 j )
1
D1 E1 10i 12 j
【例2】 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，设内外导体带电分别为q和-q。求各部分的电位 移矢量和电场强度。
D2 n
用矢量表示 作的圆柱形表面。
将电场基本方程 D d S Q 用于所
s
n D1 D2 s
小圆 量柱 ，侧 该面 面积 积， 趋 于为 零无 穷
h
s为分界面上的自由电荷面密度
因为： D E
1E1n 2 E2n S