电动力学期末考试复习
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i
3
第一章 电磁现象的普遍规律
r r r r r r r r ∇ r ∇ 求r exp(ik ⋅ r ), ⋅ [ E0 exp(ik ⋅ r )] 以及 ∇ × [ E0 exp(ik ⋅ r )] , r 为常矢量, 为坐标原点到空间点的位矢。 其中 E0 和 k 为常矢量, 为坐标原点到空间点的位矢。 r r r r ∂ r ∂ r ∂ ∇ exp(ik ⋅ r ) = ex + ey + ez exp[i (k x x + k y y + k z z )] ∂y ∂z ∂x r r r = (iex k x + iey k y + iez k z ) exp[i (k x x + k y y + k z z )] r r r = ik exp(ik ⋅ r )
23
3、利用磁多极矩展开法求磁矢势时,由恒定电流的连续 、利用磁多极矩展开法求磁矢势时, r ( 0) r 性可以推知磁矢势的0阶项为 性可以推知磁矢势的 阶项为 A ( x ) = 0 r r
(1)
p•R = 4πε 0 R 3
r 5、磁偶极子在外磁场中的相互作用势函数是 −m • Be 、
第三章 静磁场
18
a0 = c0 b = 0 0 b = ε − ε 0 E R 3 1 0 0 LLLLLL (4 ) ⇒ ε + 2ε 0 3ε 0 E0 c1 = − ε + 2ε 0 bl = cl = 0(l ≥ 2 )
3 ε − ε 0 E0 R0 cos θ ϕ I = a0 − E0 R cos θ + ε + 2ε 0 R2 由(2)式和(4)式 ⇒ L (5) ϕ II = c0 − 3ε 0 E0 R cos θ ε + 2ε 0
II O θ
z P
解:设球外空间为I区, 设球外空间为 区 球内空间为II区 球内空间为 区。由于 系统具有轴对称性, 系统具有轴对称性,故 以球心为原点, 以球心为原点,以均匀 外电场方向为z轴正向 轴正向, 外电场方向为 轴正向, 建立柱坐标系。 建立柱坐标系。由于空 间无自由电荷分布, 间无自由电荷分布,故 电势满足拉普拉斯方程, 电势满足拉普拉斯方程, 解的形式为
P 0 0
ur r ⇒ ϕ ( x ) = ϕ0 − E 0 • rP = ϕ0 − E0 rP cos θ
13
课本第49页例题 课本第 页例题2 页例题 的介质球置于均匀外电场E 求电势。 例2:电容率为 的介质球置于均匀外电场 0中,求电势。 :电容率为ε的介质球置于均匀外电场
E0
I
介质球 ε
(i )在无穷远处 E = −∇ϕ → E 0 ur u r R →∞ ⇒ ϕ I ( R ) − E 0 • R = − E0 R cos θ →
a1 = − E0 bl ⇒ ⇒ ϕ I = ∑ a0 − E0 R + l +1 Pl (cos θ )LL (2 ) R l al = 0(l ≥ 2 )
2 1 1 对于各向同性的线性介质: ε E 2 + B 2 2 µ
4、法拉第电磁感应定律。 、法拉第电磁感应定律。
6、坡印亭(Poynting)矢量就是电磁波的能流密度矢量。 、坡印亭 矢量就是电磁波的能流密度矢量。 矢量就是电磁波的能流密度矢量
uu r ur ur 各向同性 D 各向同性 = ε E 和 H 非铁磁性介质 == 的适用条件。 5、 线性介质 、 µ 的适用条件。
(ii )在原点处电势为有限值 ⇒ ϕ II (R = 0)有限
16
⇒ d l = 0 ⇒ ϕ II = ∑ cl R l Pl (cos θ )LL (3)
l
ϕ I = ϕ II (iii )在介质球的界面上 ε ∂ϕ I = ε ∂ϕ II 0 ∂R ∂R
bl l a0 − E0 R0 P (cos θ ) + ∑ l +1 Pl (cos θ ) = ∑ cl R0 Pl (cos θ ) 1 l R0 l ⇒ (l + 1)bl P (cosθ ) = ε lc R l −1 P (cosθ ) − E0 P (cos θ ) − ∑ ∑ l 0 l 1 l l +2 R0 ε0 l l
u ur uu r r 能流密度S = E × H ur u r r ∂w ur ∂ D uu ∂ B = E• +H• 能量密度 ∂t ∂t ∂t
u r B
2
第一章 电磁现象的普遍规律
7、真空中位于原点处的点电荷在空间点处激发的电场是 、 r
r E= Qr 4πε 0 r 3 1
课本第34页第6题 课本第34页第6题 页第
5
第一章 电磁现象的普遍规律
6
7
第一章 电磁现象的普遍规律
课本第35页第 题 课本第 页第9题 页第
8
第一章 电磁现象的普遍规律
9
第一章 电磁现象的普遍规律
试由真空中的麦克斯韦方程组推出电荷守恒的微分形式。 试由真空中的麦克斯韦方程组推出电荷守恒的微分形式。 证明: 证明:真空中的麦克斯韦方程组为
r ∇ ⋅ E = ρ / ε 0 r r r ∂E ∇ × B = µ 0 J + ε 0 µ 0 ∂t r ∇ ⋅ B = 0 r r ∇ × E = − ∂B ∂t (1) ( 2) ( 3) ( 4)
两边取时间偏导, 对(1)两边取时间偏导,得 两边取时间偏导 r ∂ρ ∂E = ε 0∇ ⋅ ∂t ∂t
电动力学
复习课
2011年1月4日 年 月 日
1
第一章 电磁现象的普遍规律
1、静电场是有源、无旋场;静磁场是无源、有旋场。 、静电场是有源、无旋场;静磁场是无源、有旋场。 2、在两种介质的边界处,电场的切向分量连续、法向分量 、在两种介质的边界处,电场的切向分量连续、 不连续;磁场的切向分量不连续、法向分量连续(表达式 表达式) 不连续;磁场的切向分量不连续、法向分量连续 表达式 r r r r 3、在线性介质中,电磁场的能量密度为 1 ( E • D + B • H ) 、在线性介质中,
17
b a0 + 0 = c0 R0 比较P0 (cos θ )系数 ⇒ b ε − 02 = • 0 R0 ε 0 b − E0 R0 + 12 = c1 R0 R0 比较P (cos θ )系数 ⇒ 1 2b ε − E0 − 31 = c1 R0 ε 0 bl l Pl (cos θ ) = ∑ cl R0 Pl (cos θ ) ∑ R l +1 l ≥2 比较P (cos θ )系数 (l ≥ 2 ) ⇒ l ≥ 2 0 l (l + 1)bl P (cosθ ) = ε lc R l −1 P (cosθ ) − ∑ ∑ l 0 l l l l ≥ 2 R0+ 2 ε 0 l ≥2
6、对于非铁磁性均匀介质,磁矢势的边值关系为 、对于非铁磁性均匀介质,
1 r r 7、线性介质全空间的静磁场能量为 ∫V A • JdV 、 2
8、(√)当空间所有回路都没有链环电流时 8、(√)当空间所有回路都没有链环电流时,则此区域可以 当空间所有回路都没有链环电流时, 引入磁标势,此时的静磁场是保守力场。 引入磁标势,此时的静磁场是保守力场。 9、磁矢势由于磁场的散度总为零,因此对磁场描述时, 、磁矢势由于磁场的散度总为零,因此对磁场描述时, 总可以引入矢势, 总可以引入矢势,使磁场等于矢势的旋度
r r r r r r r r r ∇ ⋅ [ E0 exp(ik ⋅ r )] = (∇ ⋅ E0 ) exp(ik ⋅ r ) + E0 ⋅ [∇ exp(ik ⋅ r )] r r r = E0 ⋅ [∇ exp(ik ⋅ r )] r r r r = ik ⋅ E0 exp(ik ⋅ r )
4
第一章 电磁现象的普遍规律
r r r r r r r r r ∇ × [ E0 exp(ik ⋅ r )] = (∇ × E0 ) exp(ik ⋅ r ) + ∇ exp(ik ⋅ r ) × E0 r r r = ∇ exp(ik ⋅ r ) × E0 r r r r = ik × E0 exp(ik ⋅ r )
r r r en • ∇ × A2 − ∇ × A1 = 0
(
)
24
第四章 电磁波的传播
1、电磁波在真空中的传播速度为 c = 、
1
µ 0ε 0
2、平面电磁波是横波,且E、B、k三者构成右手螺旋系 、平面电磁波是横波, 、 、 三者构成右手螺旋系 r 2 r 3、真空中的电磁场波动方程 ∇ 2 B − 1 ∂ B = 0 、 c 2 ∂t 2 4、(×)任何电磁波传输到两均匀各向同性线性介质的分界 、 × 任何电磁波传输到两均匀各向同性线性介质的分界 面上时都会产生反射波和折射波。 面上时都会产生反射波和折射波。 r r 5、真空中平面电磁波能流密度和能量密度的关系 S = wcek 、 6、真空中的平面电磁波是横波,电场和磁场均与波的传 、真空中的平面电磁波是横波, 播方向垂直;对于同一个传播方向, 播方向垂直;对于同一个传播方向,可存在两个独立 的线偏振态。 的线偏振态。电磁波中电场的能量等于磁场的能量 电磁波中电场和磁场没有90°的相位差! 电磁波中电场和磁场没有 °的相位差!
12
课本第41页例题 课本第 页例题1 页例题 的电势。 求均匀电场 E 0 的电势。 如下图所示,由于电场均匀分布, 解:如下图所示,由于电场均匀分布,故选空间任意一点为原 点,并设其电势为 ϕ 0 ,则
uu r E0
O P x
ur r ur P r ϕ ( x ) − ϕ0 = − ∫ E • dl = − E 0 • ∫ dl
r
14
实际的电场分布
15
bl l ϕ I = ∑ al R + R l +1 Pl (cos θ )(R > R0 ) l LL (1) ϕ II = ∑ cl R l + d l Pl (cos θ )(R ≤ R0 ) l +1 R l
( 5)
10
第一章 电磁现象的普遍规律
两边取散度, 对(2)两边取散度,并注意到,得 两边取散度 r并注意到, r ∂E ∇ ⋅ J = − ε 0∇ ⋅ ∂t (5)+(6),得 ,
( 6)
r ∂ρ +∇⋅J = 0 ∂t
此即为电荷守恒的微分式。 此即为电荷守恒的微分式。
11
第二章 静电场
1、勒让德多项式P0(cosθ)=1, P1(cosθ)= cosθ, 、勒让德多项式 , P2(cosθ)= 1/2(3cos2θ-1)。 。 2、用分离变量法求解静电势时,要求空间没有自由电荷。 、用分离变量法求解静电势时,要求空间没有自由电荷。 镜像法、格林函数法、电多极矩展开法的条件。 镜像法、格林函数法、电多极矩展开法的条件。 3、任意电荷空间分布的静电场都可以通过求解泊松方程得 、 条件? 出?条件? 4、导体内部一定不存在静电场? 、导体内部一定不存在静电场? 课本第41页例题 课本第 页例题1 页例题 课本第49页例题 页例题2 课本第 页例题 课本第71页第 页第3题 课本第 页第 题
19
第二章 静电场
课本第71页第 题 课本第 页第3题 页第
20
第二章 静电场
21
第二章 静电场
22
第三章 静磁场
r 1、磁矢势满足的规范条件 ∇ • A = 0 、 r r 2 2、磁矢势满足的微分方程是 ∇ A = − µ J 、
4、若已知电偶极矩产生的电偶极势为 ϕe 、 则由静电场和静磁场的对应性可以推知磁偶极矩产生 r r 的磁偶极势为 (1) m • R ϕm = 4π R 3 r r I r r r 1 r rr 磁偶极矩为 r m = ia m = ∫L x ×dl m = ∫ x × J (x)dv 2 2 r
8、由于静电场是无旋场,因此对静电场描述时可引入标 、由于静电场是无旋场, 势,使电场等于标势的梯度的负值 9、麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式总结了实验结果,又 总结了实验结果, 、麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式总结了实验结果 经过了实践检验, 经过了实践检验,正确反映了电磁场的运动规律以及 它和带电物质的相互作用规律, 它和带电物质的相互作用规律,成为电动力学的理论 r 基础。 基础。 r r r 10、电偶极子、电偶极矩 p = ql ∑ qi l i ∑ Qi xi 、电偶极子、
i
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第一章 电磁现象的普遍规律
r r r r r r r r ∇ r ∇ 求r exp(ik ⋅ r ), ⋅ [ E0 exp(ik ⋅ r )] 以及 ∇ × [ E0 exp(ik ⋅ r )] , r 为常矢量, 为坐标原点到空间点的位矢。 其中 E0 和 k 为常矢量, 为坐标原点到空间点的位矢。 r r r r ∂ r ∂ r ∂ ∇ exp(ik ⋅ r ) = ex + ey + ez exp[i (k x x + k y y + k z z )] ∂y ∂z ∂x r r r = (iex k x + iey k y + iez k z ) exp[i (k x x + k y y + k z z )] r r r = ik exp(ik ⋅ r )
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3、利用磁多极矩展开法求磁矢势时,由恒定电流的连续 、利用磁多极矩展开法求磁矢势时, r ( 0) r 性可以推知磁矢势的0阶项为 性可以推知磁矢势的 阶项为 A ( x ) = 0 r r
(1)
p•R = 4πε 0 R 3
r 5、磁偶极子在外磁场中的相互作用势函数是 −m • Be 、
第三章 静磁场
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a0 = c0 b = 0 0 b = ε − ε 0 E R 3 1 0 0 LLLLLL (4 ) ⇒ ε + 2ε 0 3ε 0 E0 c1 = − ε + 2ε 0 bl = cl = 0(l ≥ 2 )
3 ε − ε 0 E0 R0 cos θ ϕ I = a0 − E0 R cos θ + ε + 2ε 0 R2 由(2)式和(4)式 ⇒ L (5) ϕ II = c0 − 3ε 0 E0 R cos θ ε + 2ε 0
II O θ
z P
解:设球外空间为I区, 设球外空间为 区 球内空间为II区 球内空间为 区。由于 系统具有轴对称性, 系统具有轴对称性,故 以球心为原点, 以球心为原点,以均匀 外电场方向为z轴正向 轴正向, 外电场方向为 轴正向, 建立柱坐标系。 建立柱坐标系。由于空 间无自由电荷分布, 间无自由电荷分布,故 电势满足拉普拉斯方程, 电势满足拉普拉斯方程, 解的形式为
P 0 0
ur r ⇒ ϕ ( x ) = ϕ0 − E 0 • rP = ϕ0 − E0 rP cos θ
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课本第49页例题 课本第 页例题2 页例题 的介质球置于均匀外电场E 求电势。 例2:电容率为 的介质球置于均匀外电场 0中,求电势。 :电容率为ε的介质球置于均匀外电场
E0
I
介质球 ε
(i )在无穷远处 E = −∇ϕ → E 0 ur u r R →∞ ⇒ ϕ I ( R ) − E 0 • R = − E0 R cos θ →
a1 = − E0 bl ⇒ ⇒ ϕ I = ∑ a0 − E0 R + l +1 Pl (cos θ )LL (2 ) R l al = 0(l ≥ 2 )
2 1 1 对于各向同性的线性介质: ε E 2 + B 2 2 µ
4、法拉第电磁感应定律。 、法拉第电磁感应定律。
6、坡印亭(Poynting)矢量就是电磁波的能流密度矢量。 、坡印亭 矢量就是电磁波的能流密度矢量。 矢量就是电磁波的能流密度矢量
uu r ur ur 各向同性 D 各向同性 = ε E 和 H 非铁磁性介质 == 的适用条件。 5、 线性介质 、 µ 的适用条件。
(ii )在原点处电势为有限值 ⇒ ϕ II (R = 0)有限
16
⇒ d l = 0 ⇒ ϕ II = ∑ cl R l Pl (cos θ )LL (3)
l
ϕ I = ϕ II (iii )在介质球的界面上 ε ∂ϕ I = ε ∂ϕ II 0 ∂R ∂R
bl l a0 − E0 R0 P (cos θ ) + ∑ l +1 Pl (cos θ ) = ∑ cl R0 Pl (cos θ ) 1 l R0 l ⇒ (l + 1)bl P (cosθ ) = ε lc R l −1 P (cosθ ) − E0 P (cos θ ) − ∑ ∑ l 0 l 1 l l +2 R0 ε0 l l
u ur uu r r 能流密度S = E × H ur u r r ∂w ur ∂ D uu ∂ B = E• +H• 能量密度 ∂t ∂t ∂t
u r B
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第一章 电磁现象的普遍规律
7、真空中位于原点处的点电荷在空间点处激发的电场是 、 r
r E= Qr 4πε 0 r 3 1
课本第34页第6题 课本第34页第6题 页第
5
第一章 电磁现象的普遍规律
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第一章 电磁现象的普遍规律
课本第35页第 题 课本第 页第9题 页第
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第一章 电磁现象的普遍规律
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第一章 电磁现象的普遍规律
试由真空中的麦克斯韦方程组推出电荷守恒的微分形式。 试由真空中的麦克斯韦方程组推出电荷守恒的微分形式。 证明: 证明:真空中的麦克斯韦方程组为
r ∇ ⋅ E = ρ / ε 0 r r r ∂E ∇ × B = µ 0 J + ε 0 µ 0 ∂t r ∇ ⋅ B = 0 r r ∇ × E = − ∂B ∂t (1) ( 2) ( 3) ( 4)
两边取时间偏导, 对(1)两边取时间偏导,得 两边取时间偏导 r ∂ρ ∂E = ε 0∇ ⋅ ∂t ∂t
电动力学
复习课
2011年1月4日 年 月 日
1
第一章 电磁现象的普遍规律
1、静电场是有源、无旋场;静磁场是无源、有旋场。 、静电场是有源、无旋场;静磁场是无源、有旋场。 2、在两种介质的边界处,电场的切向分量连续、法向分量 、在两种介质的边界处,电场的切向分量连续、 不连续;磁场的切向分量不连续、法向分量连续(表达式 表达式) 不连续;磁场的切向分量不连续、法向分量连续 表达式 r r r r 3、在线性介质中,电磁场的能量密度为 1 ( E • D + B • H ) 、在线性介质中,
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b a0 + 0 = c0 R0 比较P0 (cos θ )系数 ⇒ b ε − 02 = • 0 R0 ε 0 b − E0 R0 + 12 = c1 R0 R0 比较P (cos θ )系数 ⇒ 1 2b ε − E0 − 31 = c1 R0 ε 0 bl l Pl (cos θ ) = ∑ cl R0 Pl (cos θ ) ∑ R l +1 l ≥2 比较P (cos θ )系数 (l ≥ 2 ) ⇒ l ≥ 2 0 l (l + 1)bl P (cosθ ) = ε lc R l −1 P (cosθ ) − ∑ ∑ l 0 l l l l ≥ 2 R0+ 2 ε 0 l ≥2
6、对于非铁磁性均匀介质,磁矢势的边值关系为 、对于非铁磁性均匀介质,
1 r r 7、线性介质全空间的静磁场能量为 ∫V A • JdV 、 2
8、(√)当空间所有回路都没有链环电流时 8、(√)当空间所有回路都没有链环电流时,则此区域可以 当空间所有回路都没有链环电流时, 引入磁标势,此时的静磁场是保守力场。 引入磁标势,此时的静磁场是保守力场。 9、磁矢势由于磁场的散度总为零,因此对磁场描述时, 、磁矢势由于磁场的散度总为零,因此对磁场描述时, 总可以引入矢势, 总可以引入矢势,使磁场等于矢势的旋度
r r r r r r r r r ∇ ⋅ [ E0 exp(ik ⋅ r )] = (∇ ⋅ E0 ) exp(ik ⋅ r ) + E0 ⋅ [∇ exp(ik ⋅ r )] r r r = E0 ⋅ [∇ exp(ik ⋅ r )] r r r r = ik ⋅ E0 exp(ik ⋅ r )
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第一章 电磁现象的普遍规律
r r r r r r r r r ∇ × [ E0 exp(ik ⋅ r )] = (∇ × E0 ) exp(ik ⋅ r ) + ∇ exp(ik ⋅ r ) × E0 r r r = ∇ exp(ik ⋅ r ) × E0 r r r r = ik × E0 exp(ik ⋅ r )
r r r en • ∇ × A2 − ∇ × A1 = 0
(
)
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第四章 电磁波的传播
1、电磁波在真空中的传播速度为 c = 、
1
µ 0ε 0
2、平面电磁波是横波,且E、B、k三者构成右手螺旋系 、平面电磁波是横波, 、 、 三者构成右手螺旋系 r 2 r 3、真空中的电磁场波动方程 ∇ 2 B − 1 ∂ B = 0 、 c 2 ∂t 2 4、(×)任何电磁波传输到两均匀各向同性线性介质的分界 、 × 任何电磁波传输到两均匀各向同性线性介质的分界 面上时都会产生反射波和折射波。 面上时都会产生反射波和折射波。 r r 5、真空中平面电磁波能流密度和能量密度的关系 S = wcek 、 6、真空中的平面电磁波是横波,电场和磁场均与波的传 、真空中的平面电磁波是横波, 播方向垂直;对于同一个传播方向, 播方向垂直;对于同一个传播方向,可存在两个独立 的线偏振态。 的线偏振态。电磁波中电场的能量等于磁场的能量 电磁波中电场和磁场没有90°的相位差! 电磁波中电场和磁场没有 °的相位差!
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课本第41页例题 课本第 页例题1 页例题 的电势。 求均匀电场 E 0 的电势。 如下图所示,由于电场均匀分布, 解:如下图所示,由于电场均匀分布,故选空间任意一点为原 点,并设其电势为 ϕ 0 ,则
uu r E0
O P x
ur r ur P r ϕ ( x ) − ϕ0 = − ∫ E • dl = − E 0 • ∫ dl
r
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实际的电场分布
15
bl l ϕ I = ∑ al R + R l +1 Pl (cos θ )(R > R0 ) l LL (1) ϕ II = ∑ cl R l + d l Pl (cos θ )(R ≤ R0 ) l +1 R l
( 5)
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第一章 电磁现象的普遍规律
两边取散度, 对(2)两边取散度,并注意到,得 两边取散度 r并注意到, r ∂E ∇ ⋅ J = − ε 0∇ ⋅ ∂t (5)+(6),得 ,
( 6)
r ∂ρ +∇⋅J = 0 ∂t
此即为电荷守恒的微分式。 此即为电荷守恒的微分式。
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第二章 静电场
1、勒让德多项式P0(cosθ)=1, P1(cosθ)= cosθ, 、勒让德多项式 , P2(cosθ)= 1/2(3cos2θ-1)。 。 2、用分离变量法求解静电势时,要求空间没有自由电荷。 、用分离变量法求解静电势时,要求空间没有自由电荷。 镜像法、格林函数法、电多极矩展开法的条件。 镜像法、格林函数法、电多极矩展开法的条件。 3、任意电荷空间分布的静电场都可以通过求解泊松方程得 、 条件? 出?条件? 4、导体内部一定不存在静电场? 、导体内部一定不存在静电场? 课本第41页例题 课本第 页例题1 页例题 课本第49页例题 页例题2 课本第 页例题 课本第71页第 页第3题 课本第 页第 题
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第二章 静电场
课本第71页第 题 课本第 页第3题 页第
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第二章 静电场
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第二章 静电场
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第三章 静磁场
r 1、磁矢势满足的规范条件 ∇ • A = 0 、 r r 2 2、磁矢势满足的微分方程是 ∇ A = − µ J 、
4、若已知电偶极矩产生的电偶极势为 ϕe 、 则由静电场和静磁场的对应性可以推知磁偶极矩产生 r r 的磁偶极势为 (1) m • R ϕm = 4π R 3 r r I r r r 1 r rr 磁偶极矩为 r m = ia m = ∫L x ×dl m = ∫ x × J (x)dv 2 2 r
8、由于静电场是无旋场,因此对静电场描述时可引入标 、由于静电场是无旋场, 势,使电场等于标势的梯度的负值 9、麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式总结了实验结果,又 总结了实验结果, 、麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式总结了实验结果 经过了实践检验, 经过了实践检验,正确反映了电磁场的运动规律以及 它和带电物质的相互作用规律, 它和带电物质的相互作用规律,成为电动力学的理论 r 基础。 基础。 r r r 10、电偶极子、电偶极矩 p = ql ∑ qi l i ∑ Qi xi 、电偶极子、