工程电磁场导论第二章.ppt

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1、第二章恒定电场下页4.电导和接地电阻3.恒定电场的基本计算方法重点：2.恒定电场的基本方程、边界条件SteadyElectricField1.电流密度的概念自由电荷在电场作用下做宏观定向运动形成电流，通有电流的导电媒质中的场称为电流场，当空间各点的电流密度不随时间而变时就是恒定电流场，简称恒定电场。Introduction2.0引言下页上页1.恒定电场2.导电媒质中的恒定电场导电媒质超导体或理想导体理想介质下页上页有推动自由电荷运动的电场存在，说明E不仅存在于介质中而且存在于导体中；恒定电场与静电场

2、不同之处电流恒定说明流走的自由电子被新的自由电子补充，空间电荷密度处于动态平衡，因而场分布不同于静电场；+-U静电场+-UEtEn恒定电场下页上页导体不是等位体；+++---+++---+++---导体媒质内外伴随有磁场和温度场。导线端面电荷引起的电场导线侧面电荷引起的电场所有电荷引起的电场叠加3.导电媒质周围介质中的恒定电场介质中的恒定电场是导电媒质中动态平衡电荷所产生的恒定场，与静电场的分布相同。下页上页进一步理解直流电路中的有关规律；4.研究恒定电场的意义本章主要讨论导电媒质中的恒定电场。注意

3、解决绝缘电阻、接地电阻的计算等实际问题；为实验方法研究场的问题提供理论依据。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CurrentinConductiveMediaA运流电流——带电粒子在真空或稀薄气体中定向运动形成的电流，其运动受牛顿定律制约。下页上页传导电流——电子或离子在导电媒质中受电场作用而定向运动形成的电流。电流面密度J电流体电荷以速度v运动形成的电流。电流密度2.电流密度（CurrentDensity)下页上页电流面密度矢量电流的计算下页上页

4、交流电流密度在触头上的分布电流线密度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运动形成的电流电流线密度及其通量下页上页电流线密度元电流的概念面电流的实例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。下页上页媒质的磁化电流线电荷在曲线上以速度v运动形成的电流3.欧姆定律的微分形式J与E成正比，且方向一致。下页上页J与E之关系欧姆定律导体内流过的电流与导体两端的电压成正比。设小块导体，在线性情况下Ohm’sLaw

5、微分形式说明上式也适用于非线性情况4.焦尔定律的微分形式导体有电流时，必伴随功率损耗，其功率为下页上页J与E之关系设小块导体功率密度Joule’sLaw微分形式提供非静电力将其它形式的能转为电能的装置称为电源。1.电源(Source)2.2电源电势与局外场强SourceEMFand0therFieldIntensity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.电源电动势(SourceEMF)下页上页恒定电流的形成把电源接到电路里，通过电源的电流有两种可能性：从负极到正极，或从正

6、极到负极。1.电源的充电和放电下页上页+-EeEC1>2电源充放电实际电源的类型很多，不同电源中形成非静电力的过程不同。化学电池的非静电力是与离子的溶解和沉积过程相联系的化学作用；在温差电池中，非静电力是与温度差和电子的浓度差相联系的扩散作用；在普通的发电机中，非静电力是电磁感应作用。下页上页1.干电池和钮扣电池（化学电源）实际电源干电池电动势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。干电池钮扣电池下页上页

7、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。下页上页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P-N结上，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0.6V,电流0.1A太阳能电池示意图下页上页蓄电池示意图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，

8、化学反应可逆。上页上页因此，对闭合环路积分局外场Ee是非保守场。电源电动势与局外场强电源电动势总场强下页上页1.基本方程(BasicEquations)2.3基本方程•分界面衔接条件BasicEquations•BoundaryConditions下页上页E的闭合线积分及旋度若所取积分路径不经过电源区，则得斯托克斯定理恒定电场是无旋场在恒定电场中上式亦称电流连续性方程，即流进的电流等于流出的电流，电流线是闭合曲线。故电荷守恒原理J的闭合面积分及散度散度定理下页上页恒定