第2章静电场(6) 分界面上的边界条件(P20).ppt

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1、第二章第二章 静电场静电场2.1 库仑定律与电场强度库仑定律与电场强度2.2 静电场的无旋性与电位函数静电场的无旋性与电位函数2.3 静电场中的导体与电介质静电场中的导体与电介质2.4 高斯通量定理高斯通量定理2.5 泊松方程和拉普拉斯方程泊松方程和拉普拉斯方程2.6 分界面上的边界条件分界面上的边界条件2.7 导体系统的电容导体系统的电容2.8 静电场能量和静电力静电场能量和静电力2 电位移电位移 的边界条件的边界条件DnnDD21ttEE21 电位移电位移 的边界条件的边界条件E32-6 分界面上的边界条件分界面上的边界条件二、电场强度二、电场强度 的边界条件的边界条件E一、电位移一、电位

2、移 的边界条件的边界条件D三、介质分界面上电场方向的关系三、介质分界面上电场方向的关系nnDD21ttEE21 2121tantan 4二、电场强度二、电场强度 的边界条件的边界条件E一、电位移一、电位移 的边界条件的边界条件D三、介质分界面上电场方向的关系三、介质分界面上电场方向的关系2-6 分界面上的边界条件分界面上的边界条件5 在静电场问题中，常遇到两种不同介质（在静电场问题中，常遇到两种不同介质（12）的分界面。一般情况下，介质的分界面上会出现的分界面。一般情况下，介质的分界面上会出现净束净束缚电荷缚电荷，这些电荷影响到电场的分布，其结果使电场，这些电荷影响到电场的分布，其结果使电场强

3、度强度 或电位移或电位移 在分界面上发生突变。在分界面上发生突变。DE定义定义：电位移电位移 和电场强度和电场强度 在介质分界面上在介质分界面上各自满足的变化关系。各自满足的变化关系。DE一、电位移一、电位移 的边界条件的边界条件D边界条件边界条件（静电场分界面上的）：612考虑两个电容率分别为考虑两个电容率分别为 1和和 2的均匀电介质，的均匀电介质，S在其分界面上取微小闭合圆柱面在其分界面上取微小闭合圆柱面S，一、电位移一、电位移 的边界条件的边界条件D120Shn其轴线与分界面正交，其轴线与分界面正交，上下两底面紧贴分界面两侧上下两底面紧贴分界面两侧(h0)，底面积元，底面积元S0。注注

4、:21712n121D2DS由有介质时的高斯定理得由有介质时的高斯定理得下底上底SDSDSDSddd21202101coscosSDSD0S2211coscosDDnnDD21:分界面上自由电荷面密度分界面上自由电荷面密度一、电位移一、电位移 的边界条件的边界条件D即即SSDd0S202101coscosSDSD（2-69）注注:218nnDD21 =0（分界面上分界面上没有没有自由电荷时）：自由电荷时）：nnDD21电位移的法向分量连续。电位移的法向分量连续。0（分界面上分界面上有有自由电荷时）：自由电荷时）：电位移的法向分量不连续。电位移的法向分量不连续。nnDD21(2-69)(2-71

5、)9nnDD21 nnDD21(2-69)(2-69)(2-71)(2-71)用电位用电位 表示表示nn2211nn2211(2-72)(2-72)(2-73)(2-73)10在均匀电介质中，电位移与电场强度在均匀电介质中，电位移与电场强度的关系为：的关系为：12n121D2DSEDnnnEEDnn)(介质方程介质方程nEDnn11111nEDnn22222nnDD21 nn2211nnDD21nn2211(2-72)(2-73)E又11电场强度的法向分量电场强度的法向分量：在分界面两侧有突变在分界面两侧有突变。“分界面上没有自由电荷时，分界面上没有自由电荷时，电位移的法向分量连续电位移的法向

6、分量连续”也可以写成nnEE2211nnDD21 12二、电场强度二、电场强度 的边界条件的边界条件E一、电位移一、电位移 的边界条件的边界条件D三、介质分界面上电场方向的关系三、介质分界面上电场方向的关系2-6 分界面上的边界条件分界面上的边界条件13 在分界面附近，作一在分界面附近，作一极扁极扁(BC0)的矩形回路的矩形回路ABCD，所以所以即即ttEE21 电场强度的切向分量电场强度的切向分量：在分界面两侧连续在分界面两侧连续。12n21E2EABCD1由由环路定理环路定理得得:0002211CDEABElElElElElEDACDBCABCsinsinddddd二、电场强度二、电场强度

7、 的边界条件的边界条件E2211sinsinEE0dClE14(2-76)(2-76)用电位用电位 表示表示21(2-77)(2-77)ttEE21 15DE ttEE21 则则2211ttDD 电位移矢量的切向分量电位移矢量的切向分量在分界面两侧不连续在分界面两侧不连续在均匀电介质中，在均匀电介质中，电位移与电场强度的关系：电位移与电场强度的关系：ED介质方程介质方程16二、电场强度二、电场强度 的边界条件的边界条件E一、电位移一、电位移 的边界条件的边界条件D三、介质分界面上电场方向的关系三、介质分界面上电场方向的关系2-6 分界面上的边界条件分界面上的边界条件17三、介质分界面上电场方向

8、的关系三、介质分界面上电场方向的关系 理想介质理想介质 均匀、各向同性、线性介质均匀、各向同性、线性介质b.分界面上没有自由电荷分界面上没有自由电荷 =0nnDD21 ttEE21 电位移电位移的法向分量连续的法向分量连续:2211ttDD 电场强度电场强度的切向分量连续的切向分量连续:即即（电场强度和电位移矢量在分界面上的偏折）（电场强度和电位移矢量在分界面上的偏折）182211ttDD nnDD21 ntntDDDD22211111 2211tan1tan1 2121tantan 21rr 电场中电场线和电位移线的折射定律电场中电场线和电位移线的折射定律。12n21E2E11D2D1922

9、11tan1tan1 12n21E2E11D2D电位移电位移 和电场强度和电场强度 ：在两种介质在两种介质(1 12 2)分界面上分界面上一般要改变方向（一般要改变方向（1 12 2），），除非除非 1 1=2 2=0=0。ED 1=2=0的例子：的例子：平行板、同轴线、同心球平行板、同轴线、同心球20 例例2-11 P69两块很大的平行导电板，板间距离为两块很大的平行导电板，板间距离为d，而且，而且d比平比平行板的长和宽都小得多。两板接于直流电压行板的长和宽都小得多。两板接于直流电压U上充上充电后断开电源，然后在板间放入一块均匀介质板，电后断开电源，然后在板间放入一块均匀介质板，r=9。设介

10、质的厚度比。设介质的厚度比d略小一点，留下一小的空略小一点，留下一小的空气隙。求放入介质板前后平行板间的电场强度。气隙。求放入介质板前后平行板间的电场强度。解：解：放入介质板前，平行板间的电场为均匀电场：放入介质板前，平行板间的电场为均匀电场：dUE 0方向：从正极板指向负极板。方向：从正极板指向负极板。d21nnDD21下极板与空气的分界面上：下极板与空气的分界面上：d121E2E1D2DdUED0000放入介质板后导板表面的自由电荷总量和分布放入介质板后导板表面的自由电荷总量和分布 如何？如何？说明了什么？说明了什么？02D（导体内场强为（导体内场强为0）?011DDDn（导体表面附近的场

11、强方导体表面附近的场强方向处处与表面垂直向处处与表面垂直）?22上极板与空气分界面上：上极板与空气分界面上：因为先断电，后放入均匀介质板，所以放入介因为先断电，后放入均匀介质板，所以放入介质板后导板表面的自由电荷总量和分布质板后导板表面的自由电荷总量和分布 不变，不变，即空气隙中的即空气隙中的D0不变。不变。d121E2E1D2DnnDD2101D（导体内场强为（导体内场强为0）ED此即放入介质后平行板间的电场强度，此即放入介质后平行板间的电场强度，方向方向：从正极板指向负极板。：从正极板指向负极板。dUdUDDDEr999000002022DDDn23 例例2-13 P71 在聚苯乙烯（在聚

12、苯乙烯（=2.6 0）与空气的分界面两边，聚苯）与空气的分界面两边，聚苯乙烯中的电场强度乙烯中的电场强度E1=2500V/m，电场方向与分界面，电场方向与分界面法线的夹角是法线的夹角是 1=20。求：求：(1)空气中电场方向与分界面法线的夹角空气中电场方向与分界面法线的夹角 2；(2)空气中的电场强度空气中的电场强度E2和电位移和电位移D2。016.2021E1D 1解：解：分界面上没有自由电荷，分界面上没有自由电荷，=0，2121tantan n2E2D 22414.020tan6.2tantan00112282即即ttEE212211sinsinEE)/(61448sin20sin2500

13、sinsin2112mVEE)/(1044.5614410854.82812222mCED25E介电常数为介电常数为 的无限大均匀各向同性、的无限大均匀各向同性、线性介质中的电场强度为线性介质中的电场强度为 ，如果在介质中如果在介质中沿沿电场方向挖一窄缝，电场方向挖一窄缝，则缝中则缝中电场强度电场强度的大小为（的大小为（）。）。思考题思考题垂直垂直E0A.EB.0EC.00)(ED.26作业作业2-3;2-6;2-7；2-8。27 例题例题一高压电器设备中用一块均匀的陶瓷片一高压电器设备中用一块均匀的陶瓷片（r=6.5）作为绝缘，其击穿场强为）作为绝缘，其击穿场强为107V/m，已知高，已知高

14、压电在陶瓷片外空气中激发均匀电场，其场强压电在陶瓷片外空气中激发均匀电场，其场强 E1与陶与陶瓷面法线成瓷面法线成1=300角，大小为角，大小为E1=2.0104V/m。求：。求：（1）陶瓷中的电位移）陶瓷中的电位移 D2 和场强和场强E2 的大小和方向，的大小和方向，（2）陶瓷表面上极化电荷的面密度。）陶瓷表面上极化电荷的面密度。解：解：(1)如图中所示，设陶瓷内电如图中所示，设陶瓷内电位移位移 的方向与法线成的方向与法线成2角角 1 2D1=1E1D2=2E2陶瓷陶瓷 2空气空气 1n28由边界条件由边界条件2211coscosDD可知可知21112112coscoscoscosEDD 272412/1095.5/258.0866.0100.21085.81mCmC 212121rrtantan1752.75335774056301561122.tan.tantanrr29mVmVDE/1003.1/1085.85.61095.54127222 电场小于击穿场强，所以陶瓷不会被击穿。电场小于击穿场强，所以陶瓷不会被击穿。（2 2）极化电荷的面密度为）极化电荷的面密度为272412022022002102712580100311561085817512mCmCEEnEnPree/./.coscosnPpEPe01er