第04章 恒定电流场

第四章恒定电流场主要内容电流，电动势，电流连续性原理，能量损耗。1.电流及电流强度分类：传导电流与运流电流。传导电流是导体中的自由电子（或空穴）或者是电解液中的离子运动形成的电流。运流电流是电子、离子或其它带电粒子在真空或气体中运动形成的电流。电流强度：单位时间内穿过某一截面的电量，又简称为电流，以I表示。电流的单位为A（安培）。因此，电流I与电荷q的关系为tqIdd电流密度：是一个矢量，以J表示。电流密度的方向为正电荷的运动方向，其大小为单位时间内垂直穿过单位面积的电荷量。因此，穿过任一有向面元dS的电流dI与电流密度J的关系为SJddI那么，穿过任一截面S的电流I为SIdSJ此式表明，穿过某一截面的电流等于穿过该截面电流密度的通量。在外源的作用下，大多数导电媒质中某点的传导电流密度J与该点的电场强度E成正比，即EJ式中称为电导率，其单位为S/m。值愈大表明导电能力愈强，即使在微弱的电场作用下，也可形成很强的电流。上式又称为欧姆定律的微分形式。IRU电导率为无限大的导体称为理想导电体。显然，在理想导电体中，无需电场推动即可形成电流。由上式可见，在理想导电体中是不可能存在恒定电场的，否则，将会产生无限大的电流，从而产生无限大的能量。但是，任何能量总是有限的。电导率为零的媒质，不具有导电能力，这种媒质称为理想介质。71017.671080.531071010.451071054.3111071057.112107101510媒质电导率(S/m)媒质电导率(S/m)银海水4紫铜淡水金干土铝变压器油黄铜玻璃铁橡胶运流电流的电流密度并不与电场强度成正比，而且电流密度的方向与电场强度的方向也可能不同。可以证明运流电流的电流密度J与运动速度v的关系为vJ式中为电荷密度。与介质的极化特性一样，媒质的导电性能也表现出均匀与非均匀，线性与非线性以及各向同性与各同异性等特点，这些特性的含义与前相同。上述公式仅适用于各向同性的线性媒质。2.电动势如图所示，首先将外接的导电媒质移去，讨论开路情况下外源内部的作用过程。在外源中非静电力作用下，正电荷不断地移向正极板P，负电荷不断地移向负极板N。极板上的电荷在外源中形成电场E，其方向由正极板指向负极板，而且随着极板上电荷的增加不断增强。E导电媒质PNE外源显然，由极板上电荷产生的电场力阻止正电荷继续向正极板移动，同时也阻止负电荷继续向负极板移动，一直到极板电荷产生的电场力等于外源中的非电力时，外源的电荷运动方才停止，极板上的电荷也就保持恒定。既然外源中的非静电力表现为对于电荷的作用力，因此，通常认为这种非静电力是由外源中存在的外电场产生的，其电场强度仍然定义为对于单位正电荷的作用力，以E'表示。由于外电场使正电荷移向正极板，负电荷移向负极板，因此，外电场的方向由负极板指向正极板。可见，在外源中外电场E'的方向与极板电荷形成的电场E的方向恰好相反。当外源中的外电场与极板电荷的电场等值反向时，外源中合成电场为零，电荷运动停止。若外源的极板之间接上导电媒质，正极板上的正电荷通过导电媒质移向负极板；负极板上的负电荷通过导电媒质移向正极板。因而导致极板上电荷减少，使得外源中由极板电荷形成的电场E小于外电场，外电场又使外源中的正负电荷再次移动，外源不断地向正极板补充新的正电荷，向负极板补充新的负电荷。由上可见，极板上的电荷通过导电媒质不断流失，外源又不断地向极板补充新电荷，从而维持了连续不断的电流。因此，为了在导电媒质中产生连续不断的电流，必须依靠外源。当达到动态平衡时，极板上的电荷分布保持不变。这样，极板电荷在外源中以及在导电媒质中产生恒定电场，且在外源内部保持，在包括外源及导电媒质的整个回路中维持恒定的电流。EE注意，极板上的电荷分布虽然不变，但是极板上的电荷并不是静止的。它们是在不断地更替中保持分布特性不变，因此，这种电荷称为驻立电荷。驻立电荷是在外源作用下形成的，一旦外源消失，驻立电荷也将随之逐渐消失。外电场由负极板N到正极板P的线积分称为外源的电动势，以e表示，即lEdPNe达到动态平衡时，在外源内部，所以上式又可写为EElEdPNe考虑到导电媒质中，，那么，上式可写成EJl0dlJ驻立电荷产生的恒定电场与静止电荷产生的静电场一样，也是一种保守场。因此，它沿任一闭合回路的线积分应为零，即l0dlE对于均匀导电媒质，上式变为l0dlJ根据斯托克斯定理，求得上两式的微分形式如下：0J0J可见，均匀导电媒质中，恒定电流场是无旋的。3.电流连续性原理设闭合面S包围的体积V中驻立电荷的体密度为，则VVqdVttqSVddSJ那么，已知恒定电流场中的电荷分布与时间无关，即，由此得0tS0dSJ此式表明，在恒定电流场中，电流密度通过任一闭合面的通量为零。如果以一系列的曲线描述电流场，令曲线上各点的切线方向表示该点电流密度的方向，这些曲线称为电流线。那么，电流线是连续闭合的。它和电场线不同，电流线没有起点和终点，这一结论称为电流连续性原理。根据高斯定理，求得tJ上式为电荷守恒原理的微分形式。因此，对于恒定电流场，得0J此式表明，恒定电流场是无散的。4.恒定电流场的边界条件已知恒定电流场方程的积分形式为l0dlJS0dSJ0J0J对应的微分形式为由积分形式的恒定电流场方程导出边界两侧电流密度的切向分量关系为2t21t1JJ而边界两侧电流密度的法向分量关系为2n1nJJ由此可见，在两种导电媒质的边界上，电流密度矢量的切向分量是不连续的，但其法向分量连续。已知，那么根据上述恒定电流场的边界条件可以导出导电媒质中恒定电场的边界条件为EJn221n12tt1EEEE已知理想导电体内部不可能存在电场，那么，理想导电体表面不可能存在切向电场，因而也不可能存在切向恒定电流。当电流由理想导电体流出进入一般导电媒质时，电流线总是垂直于理想导电体表面。5.恒定电流场的能量损耗在导电媒质中，自由电子移动时要与原子晶格发生碰撞，结果产生热能，这是一种不可逆的能量转换。这种能量损失将由外源不断补给，以维持恒定的电流。设在恒定电流场中，沿电流方向取一个长度为dl，端面为dS的小圆柱体，如图所示。dlUJdS圆柱体的端面分别为两个等位面。若在电场力作用下，dt时间内有dq电荷自圆柱的左端面移至右端面，那么电场力作的功为lqEqWdddddlE电场损失的功率P为lSEJlEIltqEtWPdddddddd那么，单位体积中的功率损失为22JEEJpl当J和E的方向不同时，上式可以表示为下面一般形式JElp此式称为焦耳定律的微分形式，它表示某点的功率损耗等于该点的电场强度与电流密度的标积。设圆柱体两端的电位差为U，则，又知，那么单位体积中的功率损失可表示为lUEdSIJdVUIlSUIplddd可见，圆柱体中的总功率损失为UIVpPld这就是电路中的焦耳定律。例1已知一平板电容器由两层非理想介质串联构成，如图示。其介电常数分别为1和2，电导率分别为1和2，厚度分别为d1和d2。当外加恒定电压为V时，试求两层介质中的电场强度，单位体积中的电场储能及功率损耗。1122d1d2U解由于电容器外不存在电流，可以认为电容器中的电流线与边界垂直，求得2211EEUdEdE2211又由此求出两种介质中的电场强度分别为UddE122121UddE122112两种介质中电场储能密度分别为2222211121,21EwEwee两种介质中单位体积的功率损耗分别为22222111,EpEpll两种特殊情况值得注意：0201E01ew01lp22dUE当时，，，，。当时，，，，。0111dUE02E02ew02lpd1d21=0E2=0UE1=02=0U例2设一段环形导电媒质，其形状及尺寸如图示。计算两个端面之间的电阻。Uyxtabr0(r,)0解显然，必须选用圆柱坐标系。设两个端面之间的电位差为U，且令当角度时，电位。001当角度时，电位。2U2那么，由于导电媒质中的电位仅与角度有关，因此电位满足的方程式为0dd22此式的通解为21CC利用给定的边界条件，求得U2rUr2eeEJ导电媒质中的电流密度J为那么由的端面流进该导电媒质的电流I为2)d(π2drtrUISeeSJSabUtrrUtbalnπ2dπ2因此该导电块的两个端面之间的电阻R为abtIVRln2π6.恒定电流场与静电场的比拟已知无外源区中均匀导电媒质内的恒定电流场方程和无源区中均匀介质内的静电场方程如下：恒定电流场)0(E静电场)0(0dllJ0dllE0dSSJ0dSSE0J0E0J0E可见，两者非常相似，恒定电流场的电流密度J相当于静电场的电场强度E，电流线相当于电场线。因此，当恒定电流场与静电场的边界条件相同时，电流密度的分布与电场强度的分布特性完全相同。根据这种类似性，可以利用已经获得的静电场的结果直接求解恒定电流场。或者由于在某些情况下，恒定电流场容易实现且便于测量时，可用边界条件与静电场相同的电流场来研究静电场的特性，这种方法称为静电比拟。例如，两电极间的电流场与静电场对应分布如下图示：PN电流场PN静电场那么，利用已经获得的静电场结果可以求解恒定电流场。CRCG利用两种场方程，可以求出两个电极之间的电阻及电导与电容的关系为若已知两电极之间的电容，根据上述两式，即可求得两电极间的电阻及电导。例如，已知面积为S，间距为d的平板电容器的电容，若填充的非理想介质的电导率为，则平板电容器极板间的漏电导为dSCdSdSG又知单位长度内同轴线的电容。那么，若同轴线的填充介质具有的电导率为，则单位长度内同轴线的漏电导)/ln(π21abC)/ln(π21abG