电磁场与电磁波教案

关于电磁场与电磁波教案第1页，共35页，2023年，2月20日，星期五主要内容边值问题的分类边值问题的唯一性定理镜像法分离变量法有限差分法第2页，共35页，2023年，2月20日，星期五4.1边值问题的分类边界条件：所讨论区域边界上电位的指定值（边值）来确定积分常数。边值问题：通过微分方程组和相关边界条件描述的问题。静态场问题通常分为两大类：1.分布型问题由已知场源（电荷、电流）分布，直接从场的积分公式求空间各点的场分布2.边值型问题已知场量在场域边界上的值，求场域内的场分布静态场边值问题的解法可分为：1.解析法给出的结果是场量的解析表示式，如镜像法、分离变量法2.数值法通过数值计算，给出场量的一组离散数据，如有限差分法、有限元法第3页，共35页，2023年，2月20日，星期五边界条件的类型：实际边值问题的边界条件分为三类：1.已知整个边界上的电位函数，称为“狄利克莱”边界条件2.已知整个边界上的电位法向导数，称为“诺伊曼”边界条件3.已知一部分边界上的电位函数和另一部分边界上的电位法向导数，称为混合边界条件第4页，共35页，2023年，2月20日，星期五格林公式两式相减，得格林第二恒等式第5页，共35页，2023年，2月20日，星期五4.2唯一性定理边值问题的求解是偏微分方程的求解，同时要考虑解得存在性、唯一性和稳定性。已知整个边界上的电位函数（第一类边界条件），则场域的解答是唯一的。已知整个边界上的电位法向导数（第二类边界条件），则场域的解答是唯一的。已知一部分边界上的电位函数和另一部分边界上的电位法向导数（第三类边界条件），则场域的解答是唯一的。第6页，共35页，2023年，2月20日，星期五唯一性定理证明（用格林公式，反证法）第7页，共35页，2023年，2月20日，星期五用于求解分布在导体附近的电荷产生的场。4.3镜像法第8页，共35页，2023年，2月20日，星期五

几个实例：qq′非均匀感应电荷等效电荷非均匀感应电荷产生的电位很难求解，可以用等效电荷的电位替代

求解位于接地导体板附近的点电荷产生的电位

接地导体球附近有一个点电荷，如图。q非均匀感应电荷q′等效电荷非均匀感应电荷产生的电位很难求解，可以用等效电荷的电位替代第9页，共35页，2023年，2月20日，星期五

镜像法(methodofimages)

实质：是以一个或几个等效电荷代替边界的影响，将原来具有边界的非均匀空间变成无限大的均匀自由空间，从而使计算过程大为简化。

依据：惟一性定理。因此，等效电荷的引入必须维持原来的边界条件不变，从而保证原来区域中静电场没有改变，这是确定等效电荷的大小及其位置的依据。这些等效电荷通常处于镜像位置，因此称为镜像电荷（theimagecharge），而这种方法称为镜像法。

关键：确定镜像电荷的大小及其位置。镜像电荷位置选择原则：1.镜像电荷必须位于求解区域以外2.镜像电荷的引入不能改变原问题的边界条件

局限性：仅仅对于某些特殊的边界以及特殊分布的电荷才有可能确定其镜像电荷。

第10页，共35页，2023年，2月20日，星期五1.点电荷对无限大接地的导体平面的镜像

介质导体qrP

介质qrPhh

介质

以一个处于镜像位置的点电荷代替边界的影响，使整个空间变成均匀的介电常数为的空间，则空间任一点P的电位由q

及q'

共同产生，即因为无限大接地导体平面的电位为零，求得4.3.1接地导体平面的镜像第11页，共35页，2023年，2月20日，星期五

电荷守恒：当点电荷q

位于无限大的导体平面附近时，导体表面将产生异性的感应电荷，因此，上半空间的电场取决于原先的点电荷及导体表面上的感应电荷。可见，上述镜像法的实质是以一个异性的镜像点电荷代替导体表面上异性的感应电荷的作用。根据电荷守恒原理，镜像点电荷的电量应该等于这些感应电荷的总电量，读者可以根据导体表面电荷密度与电场强度或电位的关系证明这个结论。

半空间等效：上述等效性仅对于导体平面的上半空间成立，因为在上半空间中，源及边界条件未变。第12页，共35页，2023年，2月20日，星期五2.线电荷对无限大接地导体平面的镜像镜像电荷的密度和位置分别为

介质导体ρrP

介质ρ

rPhh

介质第13页，共35页，2023年，2月20日，星期五

3.点电荷对相交半无限大接地导体平面的镜像

如图，两半无限大接地导体平面垂直相交。

要满足在导体平面上电位为零，则必须引入3个镜像电荷。如图所示。

对于非垂直相交的两导体平面构成的边界，若夹角为，则所有镜像电荷数目为2n-1个。第14页，共35页，2023年，2月20日，星期五q

对于半无限大导体平面形成的劈形边界应用镜像法时，仅当这种导体劈的夹角等于

的整数分之一时，才可求出其镜像电荷。为了保证这种劈形边界的电位为零，必须引入几个镜像电荷。例如，夹角为的导电劈需引入

5

个镜像电荷。

/3/3q第15页，共35页，2023年，2月20日，星期五例：真空中，电量为1μC的点电荷位于点P(0,0,1)处，xOy平面是一个无限大的接地导体板。求z轴上电位为10000V的点的坐标。解：根据镜像法，可知上半空间的电位是xzOP第16页，共35页，2023年，2月20日，星期五fqo1.点电荷对接地导体球面的镜像

若导体球接地，导体球的电位为零。为了等效导体球边界的影响，令镜像点电荷q'位于球心与点电荷q的连线上。那么，球面上任一点电位为可见，为了保证球面上任一点电位为零，必须选择镜像电荷为4.3.2导体球面的镜像Padrqr第17页，共35页，2023年，2月20日，星期五

为了使镜像电荷具有一个确定的值，必须要求比值对于球面上任一点均具有同一数值。由上图可见，若要求三角形△OPq

与△

OqP相似，则常数。由此获知镜像电荷应为镜像电荷离球心的距离d应为这样，根据q及q'

即可计算球外空间任一点的电场强度。fqoPadrqr第18页，共35页，2023年，2月20日，星期五

若导体球不接地，则位于点电荷一侧的导体球表面上的感应电荷为负值，而另一侧表面上的感应电荷为正值。导体球表面上总的感应电荷应为零值。因此，对于不接地的导体球，若引入上述的镜像电荷q'

后，为了满足电荷守恒原理，必须再引入一个镜像电荷q"，且必须令

显然，为了保证球面边界是一个等位面，镜像电荷q”

必须位于球心。事实上，由于导体球不接地，因此，其电位不等零。由q及q’在球面边界上形成的电位为零，因此必须引入第二个镜像电荷q”

以提供一定的电位。qfOPadrq2.点电荷对不接地导体球面的镜像

第19页，共35页，2023年，2月20日，星期五

真空中一点电荷Q位于导体球附近。导体球半径为a，点电荷距离球心距离为d（d>a）。求：导体球接地时空间电位分布。解:当导体球接地时，由镜像法，原问题可等效为空间只存在Q和镜像电荷q’。易知：例则球外空间任意点处电位为：导体球接地，因此球内空间电位为0，即：第20页，共35页，2023年，2月20日，星期五1.点电荷对电介质分界平面的镜像问题：点电荷位于两种电介质分界面上方h，求空间电位分布。分析：在介质分界面上将存在极化面电荷，空间电位由极化面电荷和电荷q共同产生。解决问题方法：镜像法，即用镜像电荷等效极化电荷作用。qhO1

2

zqhO1

zhq′PR1

R1′

区域1的电位由q和位于区域2中的镜像电荷q′共同产生hO2

PR2

z

区域2的电位由q和位于区域1中的镜像电荷

共同产生4.3.3介质平面的镜像第21页，共35页，2023年，2月20日，星期五qhO1

zhq′PR1

R1′hO2

zPR2

第22页，共35页，2023年，2月20日，星期五在z=0面上应用电位边界条件第23页，共35页，2023年，2月20日，星期五2.线电流对磁介质分界平面的镜像hzx

2

1IO问题：线电流位于两种磁介质分界面上方h，求空间磁场分布。分析：在介质分界面上将存在磁化电流，空间中的磁场由磁化电流和直线电流I共同产生。解决问题方法：镜像法，即用镜像线电流等效磁化电流作用。

区域1的磁场由I和位于区域2中的镜像线电流I’共同产生

区域2的的磁场由I和位于区域1中的镜像线电流I”共同产生第24页，共35页，2023年，2月20日，星期五r'hhPzx

1IH1H2OrI''

1hzx

2

1IOhPzx

2I+I''Or''

2为了维持边界条件不变，求出的上半空间及下半空间的场在边界上应满足恒定磁场的边界条件，即。由此求得第25页，共35页，2023年，2月20日，星期五hPzx

2I+I''Or”

2x

1

1r'hhPzIH1H2H1H2HOrI''第26页，共35页，2023年，2月20日，星期五例

设一根载有恒定电流I的无限长导线与无限大的理想导磁平面平行放置，如图示。导线与平面间的距离为h

，试求上半空间任一点磁场强度。

Xhyx

=

0IO第27页，共35页，2023年，2月20日，星期五Xhyx

=

0IOH1r'hhPyx

0IH2OrI''

0解采用镜像法。设在镜像位置放置一根无限长的恒定电流I

，那么上半空间任一点合成磁场强度为I′=I根据则第28页，共35页，2023年，2月20日，星期五因此合成磁场为r'hhPyx

0IH1H2OrI''

0直角坐标与圆柱坐标系第29页，共35页，2023年，2月20日，星期五使用镜像法时必须注意：边界必须是无限大，或者是具有球或圆柱对称性。为了保证待求场区域内原方程成立，镜像电荷不能出现在待求场区域内。镜像电荷的确定必须保证原有的边界条件全部满足。第30页，共35页，2023年，2月20日，星期五分离变量法是数学物理方法中的一种。它要求：1.给定的边界与一个