以下电磁场知识点整理及题目均基于 马西奎 工程电磁场导论 北京 高等教育出版社, 2000. Print. 面向21世纪课程教材 Mian Xiang 21shi Ji Ke Cheng Jiao Cai = Textbook Series for 21st Century Eng. (第一版) 旨在为四川大学电气工程及其自动化专业的电磁场课程提供一个知识纲要性质的文本,以供课程平时学习及期末复习使用。考点及考试范围主要参考王仲老师的讲课内容及2024-2025学年期末考试题目,由于历年考试范围不同,其覆盖范围可能与实际考试范围有所出入。
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第一章 静电场

一、公式部分(记记部分)


1. 库仑定律

E=q4πε0r2r\vec{E} = \frac{q}{4 \pi \varepsilon_0 r^2} \vec{r}

其中 qq 为源电荷电荷量,rr 为场点与源点距离,r\vec{r} 为源点指向场点的单位向量。这是叠加法(积分法)计算电场强度的基础。


2. 电位的定义

基于静电场环路定律的积分形式 $$\oint \vec{E} \cdot \vec{dl} = 0$$
亦即其微分形式

×E=0\nabla \times \vec{E} = 0

可说明电场是一个无旋场。
由此定义

E=φE = -\nabla \varphi

进而有

UAB=φAφB=ABEdlU_{AB} = \varphi_A - \varphi_B = \int_{A}^{B} \vec{E} \cdot \vec{dl}

φA=AREFEdl\varphi_A = \int_{A}^{REF} \vec{E} \cdot \vec{dl}

其中 REFREF 为电位零参考点。
特别地,取无穷远点为零电位点时,点电荷产生电位

φ(r)=q4πε0r\varphi(\vec{r}) = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 |\vec{r}|}

这是叠加法计算电位的基础。


3. 静电场中导体的特点

电荷均匀分布于导体表面,导体内电场为零,整个导体为一等位体,其表面为零位面。


4. 电介质在电场中会发生极化

使得介质内存在连续电偶极子分布,进而形成附加电场。


5. 定义电极化强度

P=ΣpΔV\vec{P} = \frac{\Sigma \vec{p}}{\Delta V}

其中 Σp\Sigma \vec{p} 为总电偶极矩,$ \Delta V $ 为体积元。
电介质上的极化面电荷密度

σp=Pen\sigma_p = \vec{P} \cdot \vec{e}_n

电介质极化电荷体密度

ρD=P\rho_D = -\nabla \cdot \vec{P}

且满足

V(P)dV+SPen=0\int_V (-\nabla \cdot \vec{P}) dV + \oint_S \vec{P} \cdot \vec{e}_n = 0

对于各向同性的线性介质,满足

P=χϵ0EP = \chi \epsilon_0 \vec{E}

其中 χ\chi 称为电介质的电极化率。


6. Gauss定律

记电位移矢量 $$\vec{D} = \varepsilon_0 \vec{E} + \vec{P}$$,从而有

DdS=VρdV\oint \vec{D} \cdot d\vec{S} = \int_V \rho dV

此即一般形式的Gauss定律。其意义为,任意闭合有向曲面 Σ\vec{\Sigma} 上的电通密度 D\vec{D} 的积分,等于面内总自由电荷的代数和。

D=ρ\nabla \cdot \vec{D} = \rho

为Gauss定律的微分形式,它表明 D\vec{D} 在空间任一点上的散度等于该点自由电荷密度


7. 电介质本构方程

D=ε0E+P0\vec{D} = \varepsilon_0 \vec{E} + \vec{P}_0

称为电介质本构方程,对于各向同性电介质,则有

D=ε0E+χε0E=(1+χ)ε0E\vec{D} = \varepsilon_0 \vec{E} + \chi \varepsilon_0 \vec{E} = (1+\chi) \varepsilon_0 \vec{E}

若定义$ 1 + \chi = \epsilon_r $ , $ \epsilon_r \epsilon_0 = \epsilon $ ,则有$$\vec{D}=\epsilon \vec{E}$$
其中 ϵr\epsilon_r 为介质的相对介电常数, ϵ\epsilon称为介电常数。


8. 静电场基本方程

积分形式

DdS=VρdV(Gauss定律)\oint \vec{D} \cdot d\vec{S} = \int_V \rho dV \quad (\text{Gauss定律})

Edl=0(环路定律)\oint \vec{E} \cdot d\vec{l} = 0 \quad (\text{环路定律})

微分形式

D=ρ(Gauss定律)\nabla \cdot \vec{D} = \rho \quad (\text{Gauss定律})

×E=0(环路定律)\nabla \times \vec{E} = 0 \quad (\text{环路定律})

本构方程

D=ϵE\vec{D}=\epsilon \vec{E}


9. 静电场分界面衔接条件

D2nD1n=σ(用Gauss定律)D_{2n} - D_{1n} = \sigma \quad (\text{用Gauss定律})

E1t=E2t(用环路定律)E_{1t} = E_{2t} \quad (\text{用环路定律})

σ=0\sigma = 0 时,有折射定律

tanα1tanα2=ε1ε2\frac{\tan \alpha_1}{\tan \alpha_2} = \frac{\varepsilon_1}{\varepsilon_2}

此外,利用 φ2φ1=End\varphi_2 - \varphi_1 = E_n dd0d \to 0 时有 φ2φ1=0\varphi_2 - \varphi_1 = 0,进而有 φ1=φ2=C\varphi_1 = \varphi_2 = C
D2n=ε2φ2nD_{2n} = -\varepsilon_2 \frac{\partial \varphi_2}{\partial n}D1n=ε1φ1nD_{1n} = -\varepsilon_1 \frac{\partial \varphi_1}{\partial n},有

ε1φ1nε2φ2n=σ\varepsilon_1 \frac{\partial \varphi_1}{\partial n} - \varepsilon_2 \frac{\partial \varphi_2}{\partial n} = \sigma

此为用电位函数表达的衔接条件(用于求解静电场边值问题)。


10. 静电场边值问题

静电场边值问题是给定空间某一区域内电荷分布(可以为零),同时给定该区域边界上的电位或电场(即边值/边界条件),求解该区域内的电位函数、电场强度分布。


11. Poisson与Laplace方程

2φ=ρε0\nabla^2 \varphi = -\frac{\rho}{\varepsilon_0}

为Poisson方程 $$\nabla^2 \varphi = 0$$ 为Laplace方程。
Laplace方程在电荷密度为0的区域成立。


12. 边界条件共有三类

(i) φS=f1(s)\varphi |_{S} = f_1(s) (Dirichlet条件)
(ii) φnS=f2(s)\frac{\partial \varphi}{\partial n}\bigg|_{S} = f_2(s) (Neumann条件,与给出 σP\sigma_P 或电力线等价)
(iii) (φ+βφn)S=f3(s)\left( \varphi + \beta \frac{\partial \varphi}{\partial n} \right) \bigg|_{S} = f_3(s)

此外,对于无穷域场,若电荷分布于有限域,应有自然边界条件 limxφ(r)=0\lim_{x \to \infty}\varphi(r) = 0 有极限;若电荷分布于无穷域,应选择有限点为参考点。对于多介质系统,还应引入边界衔接条件。


13. 唯一性定理(特殊方法解静电场的基础)

在静电场中凡满足电位微分方程和给定边界条件的解为给定静电场的唯一解。


14. 静电镜像法与电轴法:见二。


15. 电容

对于两个导体组成的静电系统,电容 CC 定义为

C=QVC = \frac{Q}{V}

孤立导体的电容则指导体与无限远处导体间电容。


16. 部分电容

对于多导体静电系统(由 n>1n > 1,共 n+1n+1 个导体),有 $$\Sigma Q_i = 0$$

φ0=0\varphi_0 = 0

则由叠加原理有

[φ]=[α][Q][\varphi] = [\alpha][Q]

α\alpha称为电位系数,其中αii\alpha_{ii} 为自有电位系数,αij(ij)\alpha_{ij} (i \neq j) 为互有电位系数。且满足:
(i) αij>0\alpha_{ij} > 0
(ii) αii>αjj\alpha_{ii} > \alpha_{jj}
(iii) α\alpha 仅与导体性质及介电常数有关
(iv) αij=αji\alpha_{ij} = \alpha_{ji}

[β]=[α]1[\beta] = [\alpha]^{-1}

则有

[Q]=[β][φ][Q] = [\beta][\varphi]

β\beta 称为感应系数。

(i) βii>0,βij<0\beta_{ii} > 0, \beta_{ij} < 0
(ii) βii>βij\beta_{ii} > |\beta_{ij}|

再令 φ1=0=U10\varphi_1 = 0 = U_{10}, φ2φ1=U12\varphi_2 - \varphi_1 = U_{12}, \cdots, φkφ1=U1k\varphi_k - \varphi_1 = U_{1k}, \cdots, Qnφ1=Un1Q_n -\varphi_1 = U_{n1}

则有

Q1=(β11+β12++β1n)(φ1φ0)β12(φ1φ2)β1k(φ1φk)β1n(φ1φn)Q_1 = (\beta_{11} + \beta_{12} + \cdots + \beta_{1n})(\varphi_1 - \varphi_0) - \beta_{12}(\varphi_1 - \varphi_2) - \cdots - \beta_{1k}(\varphi_1 - \varphi_k) - \cdots - \beta_{1n}(\varphi_1 - \varphi_n)

进而可令

C10=i=1nβ1i,C12=β12,,C1k=β1k,,C1n=β1nC_{10} = \sum_{i=1}^n \beta_{1i}, \quad C_{12} = -\beta_{12}, \cdots, C_{1k} = -\beta_{1k}, \cdots, C_{1n} = -\beta_{1n}

同理可令 Uij=φiφjU_{ij} = \varphi_i - \varphi_j (iji \neq j),Ci0=j=1nβijC_{i0} = \sum_{j=1}^n \beta_{ij}, Cij=βijC_{ij} = -\beta_{ij}。则 [Q]=[β][φ][Q] = [\beta][\varphi]

化为 [Q]=[C][U][Q] = [C][U]CC 称为部分电容,Ci0C_{i0} 称为自有部分电容,CijC_{ij} 称为互有部分电容 (jij \neq i)。
部分电容可用于求解静电系统等效电容(见二)


17. 部分电容可说明静电荷屏蔽问题

Q1=C10U10+C12U12Q_1 = C_{10} U_{10} + C_{12} U_{12}

Q2=C20U20+C21U21Q_2 = C_{20} U_{20} + C_{21} U_{21}

Q1=0Q_1 = 0,则有 U10=0U_{10} = 0, U12=0U_{12} = 0,从而 Q2=0Q_2 = 0

U12U_{12} 可取任意值,从而 C12=0C_{12} = 0。同理取 Q2=0Q_2 = 0

则有 C21C12U12=0C_{21} \cdot C_{12} U_{12} = 0,进而有 C21=0C_{21} = 0。最终有 Q1=C10U10Q_1 = C_{10} U_{10}, Q2=C20U20Q_2 = C_{20} U_{20}

这说明 0 号导体切断了 1、2 号导体间的联系。


18. 电荷系统能量

We=12φρdV=12DEdVW_e = \frac{1}{2} \int \varphi \rho dV = \frac{1}{2} \int \vec{D} \cdot \vec{E} dV

从而有空间静电能密度

we=12DE=12ε0EEw_e = \frac{1}{2} \vec{D} \cdot \vec{E} = \frac{1}{2} \varepsilon_0 \vec{E} \cdot \vec{E}


19. 静电力可使用虚位移法求解:且有

f=WegQ=常量=WegU=常量f = -\frac{\partial W_e}{\partial g} \bigg|_{Q=\text{常量}} = \frac{\partial W_e}{\partial g} \bigg|_{U=\text{常量}}


20. 法拉第对静电力有如下观点:

对于任意电通密度管,其沿轴向受到纵张力,垂直于轴向受到侧向压力。换言之,其沿纵向收缩趋势,沿横向有扩张趋势。张力与压力大小均为 12DE\frac{1}{2} \vec{D} \cdot \vec{E}


二、题型整理

1. 静电场求解

(1) 直接积分法(利用库仑定律)(一般运算较复杂,少用)

例 1.1.1(P3,7-4)真空中一密度为 2×106C/m2 \times 10^6 \, \text{C/m} 的无限长线电荷沿 y 轴放置,另有密度为 0.1nC/m20.1 \, \text{nC/m}^20.1nC/m2-0.1 \, \text{nC/m}^2 的无限大带电平面分别位于 z=3mz=3 \, \text{m}z=4mz=-4 \, \text{m} 处,试求 P 点(1,7,2)处电场强度 E\vec{E}

由题意知 P 距 y 轴 l=5ml=5 \, \text{m}r=3mr=3 \, \text{m} 为 l m,z=5mz=5 \, \text{m} 为 4 m。

先求距线电荷距离为 r 的点处电场强度。由对称性易知电场方向沿 x 轴方向向外。

E=+2π×109r04πε0(r2+x2)dx\vec{E} = \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{2 \pi \times 10^{-9} \cdot \vec{r}_0}{4 \pi \varepsilon_0 (r^2 + x^2)} dx

E=1092εr2=109εrE = \frac{10^{-9}}{2 \varepsilon r} \cdot 2 = \frac{10^{-9}}{\varepsilon r}

从而 E(5)=109ε5\vec{E}(\sqrt{5}) = \frac{10^{-9}}{\varepsilon \sqrt{5} }

再求到无限带电平面距离为 r 的点处场强 E2\vec{E}_2,由对称性知沿 z 轴方向场强

E2=σdS4πε0(r02+r2)rr2+r02=0+σ2πr0dr04πε0(r02+r2)3/2rdr0\vec{E}_2 = \int \frac{\sigma \, dS}{4 \pi \varepsilon_0 (r_0^2 + r^2)} \cdot \frac{r}{\sqrt{r^2 + r_0^2}} = \int_0^{+\infty} \frac{\sigma \, 2 \pi r_0 dr_0}{4 \pi \varepsilon_0 (r_0^2 + r^2)^{3/2}} \cdot r \, dr_0

=σr2ε00+r0dr0(r02+r2)3/2= \frac{\sigma r}{2 \varepsilon_0} \int_0^{+\infty} \frac{r_0 dr_0}{(r_0^2 + r^2)^{3/2}}

=σr2ε0[1r02+r2]0+=σ2ε0= \frac{\sigma r}{2 \varepsilon_0} \left[ -\frac{1}{\sqrt{r_0^2 + r^2}} \right]_0^{+\infty} = \frac{\sigma}{2 \varepsilon_0}

E2(1)=0.1×1092ε0ez=0.1×1092ε0(ez)\therefore \vec{E}_2(1) = \frac{0.1 \times 10^{-9}}{2 \varepsilon_0} \vec{e}_z = \frac{0.1 \times 10^{-9}}{2 \varepsilon_0} (-\vec{e}_z)

E3(4)=0.1×1092ε0ez\vec{E}_3(4) = \frac{0.1 \times 10^{-9}}{2 \varepsilon_0} \vec{e}_z

E=E1+E2+E3=109ε551V/m\vec{E} = \vec{E}_1 + \vec{E}_2 + \vec{E}_3= \frac{10^{-9}}{\varepsilon \sqrt{5} } \approx 51 \text{V/m}

方向由线电荷指向 P,且于 y 轴垂直。


(2) Gauss定理(常用)

例 1.1.2(P67 T1-4)用双层电介质制成的同轴电缆如图。介电常数 ε1=4ε0\varepsilon_1 = 4\varepsilon_0ε2=2ε0\varepsilon_2 = 2\varepsilon_0,内外导体单位长度电荷分别为 +τ+\tauτ-\tau。求:

  1. 两种电介质中的 D\vec{D}E\vec{E}P\vec{P}
  2. 极化电荷分布。

例1.1.2

(1) 当 ρ<R1\rho < R_1,由 Gauss 定理有

2πρD1=τρ2R12D1=τρ2πR122\pi \rho \cdot D_1 = \tau \cdot \frac{\rho^2}{R^{2}_{1}} \Rightarrow D_1 = \frac{\tau \rho }{2\pi R^2_1 }

E1=D1ε1=τρ2πε0R12E_1 = \frac{D_1}{\varepsilon_1} =\frac{\tau \rho }{2\pi \varepsilon_0 R^2_1 }

① 当 ρ(R1,R2)\rho \in (R_1, R_2) 时,

2πρD2l=τl2\pi \rho \cdot D_2 l = \tau l

D2=τ2πρ,E2=D2ε1=τ8πε0ρ\Rightarrow D_2 = \frac{\tau}{2\pi \rho}, \quad E_2 = \frac{D_2}{\varepsilon_1} = \frac{\tau}{8\pi \varepsilon_0 \rho}

② 当 ρ(R2,R3)\rho \in (R_2, R_3) 时,

2πρD3l=τl2\pi \rho \cdot D_3 l = \tau l

D3=τ2πρ,E3=D3ε2=τ4πε0ρ\Rightarrow D_3 = \frac{\tau}{2\pi \rho}, \quad E_3 = \frac{D_3}{\varepsilon_2} = \frac{\tau}{4\pi \varepsilon_0 \rho}

③ 当 ρ>R3\rho > R_3

2πρD4l=02\pi \rho D_4 l = 0

D4=0,E4=0\Rightarrow D_4 = 0, \quad E_4 = 0

(2):

D=ε0E+P\vec{D} = \varepsilon_0 \vec{E} + \vec{P}

P1=D1ε0E1=τ2πρε0τ8πε0ρ=3τ8πρP_1 = D_1 - \varepsilon_0 E_1 = \frac{\tau}{2\pi \rho} - \varepsilon_0 \cdot \frac{\tau}{8\pi \varepsilon_0 \rho} = \frac{3\tau}{8\pi \rho}

P2=D3ε0E3=τ2πρε0τ4πε0ρ=τ4πρP_2 = D_3 - \varepsilon_0 E_3 = \frac{\tau}{2\pi \rho} - \varepsilon_0 \cdot \frac{\tau}{4\pi \varepsilon_0 \rho} = \frac{\tau}{4\pi \rho}

方向均沿矢径向外。

(3) 在两电介质交界面处,由静电场衔接条件有:

Dn=0\vec{D} \cdot \vec{n} = 0

σp=(P1P2)n12=τ8πR2\sigma_p = (\vec{P}_1 - \vec{P}_2) \cdot \vec{n}_{12} = -\frac{\tau}{8\pi R_2}


(3) 静电场边值问题(偶尔用,公式记得记住)(一般考一维)

例 1.1.3(P68 T1-9)在平行平板电极上加上一直流电压 U0=2VU_0 = 2V,极板间分布着均匀体电荷 ρ\rho。试应用泊松方程求解极板间任一点电位及场强。已知 ρ=106C/m3\rho = -10^{-6} \, \text{C/m}^3ε=ε0\varepsilon = \varepsilon_0,极板间距 d=5mmd = 5 \, \text{mm}

例1.1.3

由对称性易知电场沿 x 轴方向,取右极板为考察点有:

φ(0)=2V,φ(5mm)=0V\varphi(0) = 2V, \quad \varphi(5\text{mm}) = 0V

2φ=ρε0\nabla^2 \varphi = -\frac{\rho}{\varepsilon_0}

其中

2φ=d2φdx2    φ(x)=ρ2ε0x2+C1x+C2\nabla^2 \varphi = \frac{d^2 \varphi}{dx^2} \implies \varphi(x) = -\frac{\rho}{2\varepsilon_0} x^2 + C_1 x + C_2

φ(0)=2V    C2=2V,φ(5mm)=0V    C1=0.005ρ2ε020.005\varphi(0) = 2V \implies C_2 = 2V, \quad \varphi(5\text{mm}) = 0V \implies C_1 = -\frac{0.005\rho}{2\varepsilon_0} - \frac{2}{0.005}

代入数值:ε0=8.85×1012\varepsilon_0 = 8.85 \times 10^{-12}ρ=106\rho = -10^{-6}

C1=0.005×(106)2×8.85×1012400=282.5400=117.5C_1 = -\frac{0.005 \times (-10^{-6})}{2 \times 8.85 \times 10^{-12}} - 400 = 282.5 - 400 = -117.5

φ(x)=ρ2ε0x2+C1x+C2=5.65×104x2117.5x+2(V)\therefore \varphi(x) = -\frac{\rho}{2\varepsilon_0} x^2 + C_1 x + C_2 = 5.65 \times 10^4 x^2 - 117.5x + 2 \quad (\text{V})

E=φ(x)=dφdxex=(ρε0xC1)ex=(1.13×105x+117.5)ex(V/m)\vec{E} = -\nabla \varphi(x) = -\frac{d\varphi}{dx} \vec{e}_x = (-\frac{\rho}{\varepsilon_0} x - C_1) \vec{e}_x = (1.13 \times 10^5 x + 117.5) \vec{e}_x \quad (\text{V/m})

方向由正极板指向负极板。


边值问题一般步骤如下

  1. 确定场域范围,并利用对称性简化问题。
  2. 列出以下方程:① Poisson/Laplace 方程(分域各自列)② 自然边界(如果有)。
  3. 强制边界(参考点及电源)④ 分界面衔接条件。
  4. 求解表达式,并代入边界条件算出系数。

(4) 镜像法

例 1.1.4(P68 T1-15)一半径为 a 的接地导体球壳,同心地置于半径为 b 的导体球壳内,两球壳间为真空。一点电荷 q 置于球心 O 处,求两球壳间各点电位。

内球面接地

记点电荷电荷量为 q,易知内球外则分布均匀于表面的感应电荷且电荷量为 q-q,从而在两球间产生的电场 E 由 Gauss 定律知,设 r 为到球心的距离,

Er=q4πε0r2E_r = \frac{q}{4\pi\varepsilon_0 r^2}

电位

φ(r)=rbq4πε0r2dr=q4πε0(1r1b)\varphi(r) = \int_r^b \frac{q}{4\pi\varepsilon_0 r^2} dr = \frac{q}{4\pi\varepsilon_0} \left( \frac{1}{r} - \frac{1}{b} \right)

其中 r 为到球心的距离。下考虑内球内的电场。

设该像电荷电荷量为 qq',且距球心为 dd,则有
由镜像法结论可知,$$q’ = -\frac{a}{d} q, \quad d = \frac{a^2}{b}$$

从而我们得

φ=q4πε0r1+q4πε0r2\varphi = \frac{q}{4\pi\varepsilon_0 r_1} + \frac{q'}{4\pi\varepsilon_0 r_2}

其中 r1,r2r_1, r_2 分别为到电荷 q 与镜像电荷 qq' 的距离。

镜像法结论

① 对于点电荷对接地金属球问题,镜像电荷 $$q’ = -\frac{a}{d} q$$,与球心相距 $$d’ = \frac{a^2}{d}$$

② 对于点电荷对两种无限大电介质平面,镜像电荷则为

q=ε1ε2ε1+ε2q,q=2ε2ε1+ε2qq' = \frac{\varepsilon_1 - \varepsilon_2}{\varepsilon_1 + \varepsilon_2} q, \quad q'' = \frac{2\varepsilon_2}{\varepsilon_1 + \varepsilon_2} q

分别适用于区域 ε1\varepsilon_1ε2\varepsilon_2

镜像法的本质是用点电荷替代感应极化电荷作用。


(5) 电轴法

例 1.1.5(P69 T1-19)求图中所示带等量异号电荷的偏心圆柱导体间电场,已知介电常数为 ε\varepsilon,尺寸 a1,a2,da_1, a_2, d 均已知。

例1.1.5

电轴法结论

即解如下方程组

{b2=h12a12b2=h22a22d=h2h1    {h1=d2+a12a222dh2=d2+a22a122d\begin{cases} b^2 = h_1^2 - a_1^2 \\ b^2 = h_2^2 - a_2^2 \\ d=h_2-h_1 \end{cases} \implies \begin{cases} h_1 = \frac{d^2 + a_1^2 - a_2^2}{2d} \\ h_2 = \frac{d^2 + a_2^2 - a_1^2}{2d} \end{cases}

以上电轴位置确定后,我们便可求解圆柱导体间场强。

电轴法仅适用于带等量异号电荷的平行圆柱导体间场强,并等价于求解方程

h2a2=b2h^2 - a^2 = b^2

其中 h 为两电轴距离一半,b 为电轴至坐标原点距离。


2. 电容及部分电容求解

与推导部分电容的过程类似,设 [φ]=[α][Q][\varphi] = [\alpha][Q],再解出 [Q]=[β][φ][Q] = [\beta][\varphi]
再令 CCβ\beta 间关系解出 CC,等效电容直接使用电路知识即可求解。

例 2.1(P52 T1-8-3)
两平行导线位于与地面垂直的平面如图。
已知导体半径为 2mm2\,\text{mm},求导线单位长度部分电容及导线间等效电容。

例2.1

取地面为参考面,列出下述方程:

φ1=α11Q1+α12Q2,φ2=α21Q1+α22Q2\varphi_1 = \alpha_{11} Q_1 + \alpha_{12} Q_2, \quad \varphi_2 = \alpha_{21} Q_1 + \alpha_{22} Q_2

Q1=τQ_1 = \tau, Q2=0Q_2 = 0,采用镜像法有:

φ1=12πε0(ln1r+ln1r)τ=12πε0ln8×1031τ\varphi_1 = \frac{1}{2\pi\varepsilon_0} \left( \ln\frac{1}{r} + \ln\frac{1}{r'} \right) \tau = \frac{1}{2\pi\varepsilon_0} \ln\frac{8\times10^3}{1} \tau

φ2=12πε0(ln13+ln125)τ=12πε0ln13τ\varphi_2 = \frac{1}{2\pi\varepsilon_0} \left( \ln\frac{1}{3} + \ln\frac{1}{\sqrt{25}} \right) \tau = \frac{1}{2\pi\varepsilon_0} \ln\frac{1}{3} \tau

α11=12πε0ln8×103,α21=12πε0ln3\therefore \alpha_{11} = \frac{1}{2\pi\varepsilon_0} \ln 8\times10^3, \quad \alpha_{21} = \frac{1}{2\pi\varepsilon_0} \ln 3

Q1=0Q_1 = 0, Q2=τQ_2 = \tau,同理有:

φ1=12πε0ln3τ,φ2=12πε0ln7.5×103τ\varphi_1 = \frac{1}{2\pi\varepsilon_0} \ln 3 \, \tau, \quad \varphi_2 = \frac{1}{2\pi\varepsilon_0} \ln 7.5\times10^3 \, \tau

α12=12πε0ln3,α22=12πε0ln7.5×103\therefore \alpha_{12} = \frac{1}{2\pi\varepsilon_0} \ln 3, \quad \alpha_{22} = \frac{1}{2\pi\varepsilon_0} \ln 7.5\times10^3

[β]=[α]1=[0.1300.0500.0500.131]×2πε0\therefore [\beta] = [\alpha]^{-1} = \begin{bmatrix} 0.130 & -0.050 \\ -0.050 & 0.131 \end{bmatrix} \times 2\pi\varepsilon_0

C10=β11+β12=0.080×2πε0F/m,C12=β12=0.050×2πε0F/mC_{10} = \beta_{11} + \beta_{12} = 0.080 \times 2\pi\varepsilon_0 \, \text{F/m}, \quad C_{12} = -\beta_{12} = 0.050 \times 2\pi\varepsilon_0 \, \text{F/m}

C21=β21=0.050×2πε0F/m,C20=β21+β22=0.081×2πε0F/mC_{21} = -\beta_{21} = 0.050 \times 2\pi\varepsilon_0 \, \text{F/m}, \quad C_{20} = \beta_{21} + \beta_{22} = 0.081 \times 2\pi\varepsilon_0 \, \text{F/m}

由电路知识,等效电容 Ceq=C12+C10C20C10+C20=0.050+0.080×0.0810.080+0.081×2πε0=0.090×2πε0F/mC_{eq} = C_{12} + \frac{C_{10}C_{20}}{C_{10}+C_{20}} = 0.050 + \frac{0.080\times0.081}{0.080+0.081} \times 2\pi\varepsilon_0 = 0.090 \times 2\pi\varepsilon_0 \, \text{F/m}


3. 静电场能量

例 3.1(P61 T1-9-3)用 8mm8\,\text{mm} 厚,εr=5\varepsilon_r = 5 的电介质隔开两片金属盘,形成 1pF1\,\text{pF} 的平行板电容器,并接到 1kV1\,\text{kV} 电源。若不计摩擦,将电介质从盘间移出,求下列两种情况时作功:

(1) 移动前,电源已断开
(2) 移动过程中,电源保持连接。

(1):C0=1pFC_0 = 1\,\text{pF}We0=12C0U02=5×107JW_{e0} = \frac{1}{2} C_0 U_0^2 = 5\times10^{-7}\,\text{J}。电源已断开时有 C=Q/UC = Q/UQQ 不变。

C0=1pF=ε0εrSdC_0 = 1\,\text{pF} = \frac{\varepsilon_0 \varepsilon_r S}{d}C1=ε0Sd=1εrC0=0.2pFC_1 = \frac{\varepsilon_0 S}{d} = \frac{1}{\varepsilon_r} C_0 = 0.2\,\text{pF}

U1=QC1=C0U0C1=5U0=5kV\therefore U_1 = \frac{Q}{C_1} = \frac{C_0 U_0}{C_1} = 5U_0 = 5\,\text{kV}We1=12C1U12=12×0.2×1012×(5×103)2=2.5×106JW_{e1} = \frac{1}{2} C_1 U_1^2 = \frac{1}{2} \times 0.2\times10^{-12} \times (5\times10^3)^2 = 2.5\times10^{-6}\,\text{J}

ΔWe=We1We0=2×106J\therefore \Delta W_e = W_{e1} - W_{e0} = 2\times10^{-6}\,\text{J},外力做功 A=ΔWe=2×106JA = \Delta W_e = 2\times10^{-6}\,\text{J}

(2) 电源保持连接时,UU 不变,We0=5×107JW_{e0} = 5\times10^{-7}\,\text{J}C1=0.2pFC_1 = 0.2\,\text{pF}We1=12C1U02=12×0.2×1012×(103)2=1×107JW_{e1} = \frac{1}{2} C_1 U_0^2 = \frac{1}{2} \times 0.2\times10^{-12} \times (10^3)^2 = 1\times10^{-7}\,\text{J}

ΔWe=We1We0=4×107J\therefore \Delta W_e = W_{e1} - W_{e0} = -4\times10^{-7}\,\text{J},外力做功 A=ΔWe=4×107JA = -\Delta W_e = 4\times10^{-7}\,\text{J}


仅需记忆以下公式
① 平行板电容器能量 $$W_e = \frac{1}{2} CU^2$$
② $$W_e = \frac{1}{2} \int \varphi \rho dV + \frac{1}{2} \int_S \varphi \sigma dS$$
③ $$W_e = \frac{1}{2} \int \vec{D} \cdot \vec{E} dV$$
④ $$W_e = \frac{1}{2} \sum_i q_i \varphi_i$$
⑤ 静电能密度 $$w_e = \frac{1}{2} \vec{D} \cdot \vec{E}$$

再代入计算即可。电容器需注意区分常电压系统和常电荷系统。


4. 用虚位移法求静电力

例 4.1(P6, T1-9-5)极间距离为 dd,电压为 U0U_0 的两平行极板间,浸于介电常数为 ε\varepsilon 的液态介质中,已知其质量密度为 ρm\rho_m,求通电后两极板间液面上升高度 hh

例4.1

设极板宽度为 WW,长度 ll,有

C=εWhd+ε0W(lh)dC = \frac{\varepsilon W h}{d} + \frac{\varepsilon_0 W (l-h)}{d}

从而

We=12CU02=12U02d[εWh+ε0W(lh)]W_e = \frac{1}{2} C U_0^2 = \frac{1}{2} \frac{U_0^2}{d} [\varepsilon W h + \varepsilon_0 W (l-h)]

Weh=fe=WU022d(εε0)\frac{\partial W_e}{\partial h} = f_e = \frac{W U_0^2}{2d} (\varepsilon - \varepsilon_0)

而液体重力

G=ρmdWhg=feG = \rho_m \cdot d \cdot W \cdot h \cdot g = f_e

h=WU02(εε0)2ρmgd2W=U02(εε0)2ρmgd2\therefore h = \frac{W U_0^2 (\varepsilon - \varepsilon_0)}{2 \rho_m g d^2 W} = \frac{U_0^2 (\varepsilon - \varepsilon_0)}{2 \rho_m g d^2}

一般步骤:① 找出静电能量关于某一变量的表达式 ② 对该变量求偏导

此题亦可使用法拉第观点,详见 P6 例1-2。