第6次课(1.5电磁场的边值关系)

复习:,,0,.DBEtBDHJtMrrHB1,,0errED1,0EJ在导电物质中σ称为电导率§1.5电磁场边值关系BoundaryConditionsofElectromagneticFielddddd0ddfSLSSfLSDSQdElBSdtBSdHlIDSdt,,0,.DBEtBDHJt1、法向分量的跃变（discontinuityofnormalcomponent)1D介质1介质22D2n1n2ds1ds2ds1dsdsfSQsdDD如图所示，在分界面处作一个小扁平匣，匣的上下底面，分别位于界面的两侧，，，三个面元平行，大小相等，ds为界面上被截出的面元，匣的高度h→0，用求矢量通过匣表面的通量。121122ddddSSSSDSDSDSDS侧侧侧D由于匣的高度h→0，所以通过侧面的的通量也可以忽略不计，因此1122d()dSDSDnDnS1D介质1介质22D2n1n1D介质1介质22D2n1n12,nnnn12()ddfDnDnSSfnnDD12其中是界面上的自由电荷面密度，及分别为界面两侧的电位移矢量在面法线上的分量，的方向由介质1指向介质2。nD1fnD2Dn1122d()dSDSDnDnSn21()fnDD12PPnPn为分界面上由介质1指向介质2的法线极化矢量的跃变与束缚电荷面密度相关，Dn的跃变与自由电荷面密度相关，En的跃变与总电荷面密度相关。PnnPP12fnnDD12nnnnnnPEDPED22021101,PfnnEE120利用实际上主要应用关于Dn的边值关系式fnnEE1122212112,,nnnnDDEE连续无跃变不连续有跃变fnnDD120f讨论：a)对于两种电介质的分界面，则得0fDEb)只有导体与介质交界面上，存在。这时、在法线上都不连续，有跃变。DE根据的关系，不难得到c)对于磁场，把应用到边界上的扁平匣区域上，同理得到d0SBSB1B介质1介质22B2n1nn121122ddddSSSSBSBSBSBS侧侧侧21()0nBB无跃变连续,12nnBB2211nnHHBH2112,nnHH不连续有跃变由于存在面电流，在界面两侧的磁场强度发生跃变。2切向分量的跃变SLfSdDdtdIldH在狭长形回路上应用麦氏方程②①t1H2H如图，在界面两旁取一狭长形回路，回路的一长边在介质1中，另一长边在介质2中。长边l与面电流正交。取回路上下边深入到足够多分子层内部，使面电流完全通过回路内部。从宏观来说回路短边的长度仍可看作趋于零,因而有lHHldHLtt12其中t表示沿l的切向分量。通过回路内的总自由电流为lIffSLfSdDdtdIldH②①t1H2H由于回路所围面积趋于零，而D/t为有限量，因而0SdDdtd21ttfHHfLSdHdlIDdSdtlHHldHLtt12lIff②①t1H2H上式可以用矢量形式表示。设l为界面上任一线元，t为l方向上的单位矢量。流过了l的自由电流为fffInlnl对于狭长形回路用21ffLHdlHHlInl得SLfSdDdtdIldH21ttfHHfntl上式再用n矢乘,注意到磁场切向分量的边值关系21fHHn21fnHHnn0fnfHHn1221ffLHdlHHlInlffnnnnmntl21ttfHH此式表示界面两侧E的切向分量连续。012EEn可得电场切向分量的边值关系：SLSdBdtdldE,同理，应用以后在公式中出现的和,除特别声明者外，都代表自由电荷面密度和自由电流线密度，不再写出角标f。总括我们得到的边值关系为这组方程和麦氏方程积分式一一对应。边值关系表示界面两侧的场以及界面上电荷电流的制约关系，它们实质上是边界上的场方程。212121210,,,0.nEEnHHnDDnBBSSfSLfSLSdBQSdDSdDdtdIldHSdBdtdldE.0,,,例题（课本P28）无穷大平行板电容器内有两层介质(如图)，极板上面电荷密度f，求电场和束缚电荷分布。解:由对称性可知电场沿垂直于平板的方向，把边值关系应用于下板与介质a界面上，因导体内场强为零，故得同样，把边值关系应用到上板与介质b界面上得afDbfD.0,,,012221212BBnDDnHHnEEn+f-fbEaE由这两式得,ffababEE束缚电荷分布于介质表面上。在两介质界面处，f=0由得PfnnEE120000PbafbaEE+f-fbEaE在介质a与下板分界处在介质2与上板分界处容易验证001PfafaE001PfbfbE0PPP由得PfnnEE120介质整体是电中性的+f-fbEaE§1.6电磁场的能量和能流EnergyandEnergyFlowofElectromagneticField电磁场是一种物质，它具有内部运动。电磁场的运动和其他物质运动形式相比有它的特殊性一面，但同时也有普遍性的一面。即电磁场运动和其他物质运动形式之间能够互相转化。1.场和电荷系统的能量守恒定律(LawofConservationandTransformofEnergyofElectromagneticField)能量是按一定的形式分布于场内的,而由于场在运动,场能量不是固定的分布于空间中,而是随着场在空间中传播因此，我们需要引入两个物理量来描述。1.场的能量密度w(x,t),它是场内单位体积的能量。2.场的能流密度S，S在数值上等于单位时间垂直流过单位横截面的能量其方向代表能力传输方向.能量守恒的积分形式:dddddSfvVwVt通过界面流入V内的能量场对电荷系统所作的功率V内场的能量增加率场和电荷之间,场的一区域与另一区域之间,都有可能发生能量转移.在转移过程中总能量是守恒的.相应的微分形式:vftwS当V时VwtVvfdddd结论:场对电荷所做的总功率等于场的总能量减小率,因此场和电荷的总能量守恒.dddddSfvVwVt2.电磁场能量密度和能流密度表达式EnergyFluxDensityofElectromagneticFieldEJBvvEvvBvEvf)()(由洛伦兹力公式得:tDHJ()DJEEHEt,BEt()()DEHHEEt()()DEHEHEtdddddSfvVwVtvftwS()DBEHEHtt()()()gffggf得HEStBHtDEtwvftwStBHtDEHEEJvf)(比较分两种情况讨论(1)真空中电荷分布情况BH01ED0因此BES01)(2121200BEw这时相互作用的物质是电磁场和自由电荷,能量在两者之间传播.在真空中HEStBHtDEtw场对自由电荷所作的功率密度为JE，它或者变为电荷的动能，或者变为焦耳热。场对介质中束缚电荷所作的功转化为极化能和磁化能而储备在介质中，也可能有一部分转化为分子热运动（介质损耗）。当外场变化时，极化能和磁化能亦发生变化，如果不计及介质损耗，则这种变化是可逆的。(2)介质内的电磁能量和能流这时相互作用的系统包括三个方面：电磁场、自由电荷、介质。一般介质中场能量的改变量BHDEwδδδ线性介质EDHB积分得:)(21BHDEw介质的极化和磁化状态由介质电磁性质方程确定，一定的宏观电磁场对应于一定的介质极化和磁化状态，因此我们把极化能和磁化能归入场能中一起考虑，成为介质中的总电磁能量。3.电磁能量的传输Propagationofenergyofelectromagneticfield在恒定电流或低频交流电情况下，电磁能量在场中传播。在电路中，物理系统的能量包括导线内部电子运动的动能和导线周围空间中的电磁场能量。导线内的电流密度为:vneveJ导体内自由电子的平均漂移速度是很小的，相应的动能也很小，而在恒定的情况下，整个回路上，电流都有相同的值，因此，电子运动的能量并不是供给负载上消耗的能量。在传输过程中，一部分能量进入导线内部变为焦耳热损耗；在负载电阻上,电磁能量从场中流人电阻内，供给负载所消耗的能量。总结本次课的内容2.场和电荷系统的能量守恒定律vftwSdddddSfvVwVt3.电磁场能量密度和能流密度表达式HEStBHtDEtw作业:P36习题1221212121()()0()()0ffnDDnBBnHHnEE1.电磁场边值关系