kok电子竞技

1、第二章恒定电场,SteadyElectricField,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,下页,电源电动势与局外场强,返回,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。,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。,下页,上页,返回,2.1.1电流(Current),定义：单位时间内通过某一横截面的电量。,两种电流：,A,传导电流电荷在导电

2、媒质中的定向运动。,运流电流带电粒子在真空中的定向运动。,下页,上页,返回,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（CurrentDensity),下页,上页,返回,图2.1.1电流面密度矢量,图2.1.2电流的计算,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。,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,下页,上页,电流线密度,返回,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,下页,上页,图2.1.4媒质的磁化电流,返回,2.1.3欧姆定律的微分形式(Differenti

3、alFormofOhmsLaw),J与E共存，且方向一致。,简单证明：,欧姆定律微分形式。,在线性媒质中,对两边取面积分,左边,右边,欧姆定律积分形式。,所以,下页,上页,图2.1.5J与E之关系,返回,2.1.4焦尔定律的微分形式(DifferentialFormofJoulesLaw),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,下页,上页,返回,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),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(SourceEMF),下

4、页,上页,返回,图2.2.1恒定电流的形成,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,下页,上页,返回,2.3.1基本方程(BasicEquations),在恒定电场中,恒定电场是一个无源。缌飨呤橇。,故,电荷守恒原理,1.J的散度,亦称电流连续性方程,下页,上页,返回,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。ǖ缭赐猓┑幕痉匠,积分形式,微分形式,构成方程,下页,上页,返回,2.3.2分界面的衔接条件（BoundaryConditions),说明分界面上E切向分量连续，J的法向分量

5、连续。,折射定律,图2.3.1电流线的折射,由,得,下页,上页,返回,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,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。,下页,上页,返回,图2.3.2导体与理想介质分界面,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。,下页,上页,返回,图2.3.3载流导体表面的电场,2.3.3边值问题（BoundaryValueProblem),分界面衔接条件,拉普拉斯方程,得,由基本方程出发,由,得,下页,上页,返回,例2.3.2试用边值问

6、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）,下页,上页,图2.3.4不同媒质弧形导电片,返回,电位,电场强度,电荷面密度,通解,下页,上页,返回,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(ContrastMethod),ContrastofSteadyElectricFieldandElectrostatics,静电场,恒定电。ǖ缭赐猓,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。,下页,上页,返回,两种场可以比拟的条件,1.镜像法的比拟

7、,2.4.2比拟方法的应用（ContrastMethodApplication),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,下页,上页,返回,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,ConductanceandGroundResistor,思路,设,下页,上页,返回,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,下页,上页,返回,例2.5.1求图示同轴电缆的绝缘电阻。,解,设,电导,用

8、静电比拟法求解,由静电场,绝缘电阻,下页,上页,图2.5.1同轴电缆横截面,返回,通解，代入边界条件，得,电位函数,解取圆柱坐标系，边值问题,下页,上页,电场强度,图2.5.2弧形导电片,返回,电流,电导,电流密度,下页,上页,返回,电场强度,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(GroundResistor),解法一通过电流场计算电阻,解法二比拟法,下页,上页,返回,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,下页,上页,图2.5.4直立管形接地器,返回,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

9、半球形接地器,下页,上页,图2.5.5非深埋的球形接地器,返回,为危险区半径,2.5.3跨步电压(StepVoltage),以浅埋半球接地器为例,人体的安全电压U040V,上页,返回,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,下页,上页,返回,同轴电缆,返回,屏蔽室接地电阻（深度20m）,下页,返回,高压大厅网状接地电阻（深度1米）,上页,返回,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.

10、35V，用固体化学材料，化学反应不可逆。,干电池,钮扣电池,下页,返回,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。,下页,上页,返回,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。,下页,上页,返回,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2V，要对蓄电池充电（还原反应）。,上页,返回,