储庆昕高等电磁场讲义 第十一章
ch11-2
特点 不能脱离源电荷存在
对场中 电荷的 作用
可以脱离“源”在空间传播
F静 qE 静
F感作为产生 感 的非静电
F感 qE 感
dB 0 dt
相互 联系 力，可以引起导体中电荷
B
堆积，从而建立起静电场 .
A
E 感
B
5. 感生ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ场存在的实验验证
取三角形回路 OAD 3 2 m B S OAD a B 4
AD OAD
d m 3 2 dB a dt 4 dt
A D
B o
A B
a
2a
取三角形回路 OBC
m B S扇OAD a 2
6 B
a
D
C
BC OBC
BC
a: ; c:
解2 ：连接 oa, oc , 形成闭合回路 oac
B E 内 o
R
E内
E 感 半径
E外
c
R
oa oc 0
a
R
b
oac oa ac oc ac
通过
oac
的磁通:
3 3 2 m B dS B( S oab S扇 ) B( R ) s 12
d m 3 3 2 dB R 12 dt dt
a: ;c:
练习：p342 11 -10
已知：半径 a , 磁场
dB 0 dt
等腰梯形边长 a , 2a
求：
各边 感
, 总
B o
A B
a
储庆昕高等电磁场讲义 第一章
第1讲 场论基础场论是电磁场分析的基础。
在本讲中，简要地介绍了∇算子、并矢的定义、性质和运算规则，概括性地给出了积分变换的统一形式，最后，讨论了电磁场理论中常用的矢径的性质。
为今后的理论分析奠定基础。
一、∇算子∇算子与微分形式的Maxwell 方程密切相关。
在曲线坐标中，∇算子定义为3332221111ˆ1ˆ1ˆv h v v h v v h v∂∂∂∂∂∂++=∇ （1-1）其中， v1， v 2，3ˆv 分别是坐标轴v 1，2v ，3v 的单位矢。
h 1，h 2，h 3为坐标系的拉梅系数。
在几种常用坐标系中，h 1，h 2，h 3的值如表1-1所示。
函数f 的梯度、矢量函数332211ˆˆˆv f v f vf f ++=的散度和旋度定义如下： 3332221111ˆ1ˆ1ˆv f h v v f h v v f h v f ∂∂∂∂∂∂++=∇ （1-2） )]()()([1321323121321321f h h v f h h v f h h v h h h f ∂∂∂∂∂∂++=⋅∇ （1-3）332211321332211321 ˆ ˆ ˆ 1f h f h f h v v v v h v h vh h h h f ∂∂∂∂∂∂=⨯∇（1-4）[讨论] 可以看出，∇算子具有算子和矢量双重性。
梯度∇f 可以看成是矢量算子∇与函数f 的乘积。
在直角坐标系，散度∇⋅ f 和旋度∇⨯ f 可看成矢量算子∇与矢量函数f 的点乘和叉乘。
但在其他坐标系则不然。
下面给出一些∇算子常用运算公式及其推导过程。
● )()()()()(φϕφϕφϕϕφϕφ∇+∇=∇+∇=∇c c （1-5）● )()()()()(f f f f f c c⋅∇+⋅∇=⋅∇+⋅∇=⋅∇ϕϕϕϕϕ （1-6）● )()()()()(f f f f f c c⨯∇+⨯∇=⨯∇+⨯∇=⨯∇ϕϕϕϕϕ （1-7）● )()()(g f g f g f c c⨯⋅∇+⨯⋅∇=⨯⋅∇利用 )()()(b a c a c b c b a⨯⋅=⨯⋅=⨯⋅得 )()()(g f g f g f⨯∇⋅-⋅⨯∇=⨯⋅∇ （1-8）● )()()(g f g f g f c c⨯⨯∇+⨯⨯∇=⨯⨯∇利用 )()()()()(b a c b a c c a b c a b c b a⋅-⋅=⋅-⋅=⨯⨯得 )()()(f g f g g f c⋅∇-∇⋅=⨯⨯∇g f g f g f c)()()(∇⋅-⋅∇=⨯⨯∇则 )()()()()(f g f g g f g f g f⋅∇-∇⋅+∇⋅-⋅∇=⨯⨯∇ （1-9）● )()()(g f g f g f c c⋅∇+⋅∇=⋅∇利用 a b c b a c c a b ⨯⨯=⋅-⋅()()()得 f g f g g f c)()()(∇⋅+⨯∇⨯=⋅∇g f g f g f c)()()(∇⋅+⨯∇⨯=⋅∇则 f g g f f g g f g f)()()()()(∇⋅+∇⋅+⨯∇⨯+⨯∇⨯=⋅∇ (1-10) 在上述推导中，下标c 表示进行∇算子运算时保持常量。
储庆昕高等电磁场讲义 第七章
第7讲 无源区域电磁场量的表示在上一讲中，我们利用矢位 A 和标位ϕ或电Hertz 矢量 ∏e 和磁Hertz 矢量∏m 表示了电磁场量E 和 B 。
我们已得到结论，场量 E 和B 可用矢位 A 直接确定，也就是说，场量的六个分量可用三个标量函数表示。
[定理] 对于无源区域 J =0，ρ=0，场量 E 和B 只需用两个标量函数就可以确定。
证明：在频域，作规范变换'=+∇'=-⎧⎨⎩A A j ψϕϕωψ (7-1) 式中，ψ为任一标量函数。
标位ϕ满足齐次波动方程()ρ=0()∇+=220k ϕ在Lorentz 规范下 ⎩⎨⎧=+⋅∇=''⋅∇00ωμεϕϕωμεj A j A＋，有()∇+=220k ψ (7-2)所以，ψ和ϕ满足相同的方程。
如果我们选取j ωψϕ= (7-3)则'=ϕ0。
由Lorentz 规范得∇⋅'A ＝0。
因此，在Lorentz 规范下，无源区域电磁场量可表示为E j A B A A ＝－ω'=∇⨯'∇⋅'=⎧⎨⎪⎩⎪0 (7-4) 由此可见，场量 E 和B 可由 'A 的三个分量确定，但 'A 的三个分量又满足∇⋅' A ＝0，即 'A 只有两个分量是独立的。
因此，只要用'A 的两个独立分量即可表示无源区域中电磁场量。
在Coulomb 规范下我们可以得到相同的结论。
显然，用来表示无源区域电磁场量的两个独立标量函数可以采用不同的形式，可以是矢位A 的两个分量，也可以是电Hertz 矢量的一个分量和磁Hertz 矢量的一个分量，在柱坐标系中，还可以是纵向电场分量和纵向磁场分量。
下面讨论在柱坐标系和球坐标系中如何用两个标量函数来表示无源区域的电磁场量。
一、柱坐标系中无源区域电磁场量的表示采用Hertz 矢量。
对于电Hertz 矢量，取∏∏e e z= ，在Lorentz 规范下满足 ()∇-=2220με∂∂te ∏ (7-5)由 ∏e 产生的电磁场为⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧∏⨯∇=∏-∏⋅∇∇=∏⨯∇⨯∇=t z H z t z E e e e e ∂∂ε∂∂με)ˆ()ˆ()ˆ(22(7-6)设∇∇+＝t zz ∂∂ ，其中∇t 表示∇的横向算子，则由(7-6)得 E z z z z z tz z z tz t t e e t e e e=∇+∇+⋅-=∇+-( )[( )( )]( )() ∂∂∂∂με∂∂∂∂∂∂με∂∂∏∏∏∏∏222222H z z z t tz t e t e =∇+⨯=∇⨯ε∂∂∂∂ε∂∂( )( )( )∏∏ 即 ⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=⨯∏∇=∏⨯∇=∏-∏=∏∇=0ˆ)ˆ(2222z et e t t e e z e t tB z t z t H t z E zE ∂∂ε∂∂ε∂∂με∂∂∂∂(7-7) 可见，在无源区域沿纵向的电Hertz 矢量产生的场是TM 波。
储庆昕高等电磁场讲义 第十章
第10讲 等效原理与感应定理10.1 等效原理电磁场问题的解是由方程和边界条件决定的。
也就是说，如果保持区域中的源分布、媒质分布以及区域边界上的边界条件不变，则场分布不变。
这些便是电磁场等效原理的基础。
唯一性定理告诉我们，只要知道了所规定区域v 中的源、媒质及包围该区域的闭合曲面s 上的切向电场或切向磁场则该区域中的场唯一确定。
这里并未提及区域v 外的源和媒质的分布情况。
事实上，区域v 外的源对区域v 内的场的贡献已包含在曲面s 上的切向电场或切向磁场中。
区域v 外不同分布的源只要在闭合曲面s 上产生相同的切向场，在区域v 内产生的场也相同。
等效的概念是这样表述的：在区域v 外具有不同源分布和媒质分布，而在区域v 内源分布和媒质分布相同的一些电磁场问题如果在区域v 内具有相同的场分布，则对区域v 内而言这些电磁场问题是等效的。
考虑如图10-1(a) 所示的场问题。
(a) (b)图10-1 等效原理 (a) 原问题(b) 等效问题曲面s 将区域分成两部分v 1和v 2。
原问题在s 上满足() ()n H H nE E a a a a ⨯-=⨯-=⎧⎨⎪⎩⎪ 00 （10-1） 即在s 上不存在源。
将（10-1）写为n H nH n E nE a a a a ⨯=⨯⨯=⨯⎧⎨⎪⎩⎪ （10-2） 虽然在数学上（10-2）只是（10-1）变化而来的恒等式，似乎很无聊，但反映的物理内含是不同的。
（10-1）表示的是区域v 1和v 2的交界面边界条件，而（10-2）表示的是包围区域v 1或v 2的闭合曲面的切向场边界条件。
sM J1Ja a H E, 2v 1M2Jnˆ 2Ms1va a H E ,b b H E ,2vs J J nˆ 2Ms1va a H E ,2J如果人为地令区域v 1中场为 E b 、H b ，而v 2中源、媒质和场分布保持不变，如图10-1(b) 所示。
设在曲面s 上() ()n H H J nE E M a b sa b s ⨯-=⨯-=-⎧⎨⎪⎩⎪ （10-3） 式中， J s 和M s 分别表示在曲面s 上区域v 1和v 2中的切向磁场和电场的差值。
储庆昕高等电磁场讲义 第四章
由于磁场张力张量与电场张力张量形式相同，只要把 中的 换成 以及 换成 便可得到 的表示式，所以上述有关电场表面张力的结论完全适合于磁场表面张力。根据这些结论，我们很容易分析任一表面所受的电磁场力。例如，对于理想导电空腔腔壁，电场 垂直于腔壁，电场力为拉力，磁场 平行于腔壁，磁场力为压力。再如一均匀平面波垂直入射到无限大理想导体时，导体表面上电场等于零，只存在切向磁场，因此，导体受到平面波的压力，既辐射压力。
（5-4）
令 （5-5）
（5-6）
结合电荷系统的动量守恒方程
最后得 （5-7）
对比Poynting定理
可以看出（5-7）中各项的物理意义。因为 为电荷系统的动量密度，所以 可定义为电磁场的动量密度。而 代表动量流密度，称为电磁场动量流密度张量。
对（5-7）两边关于体积 积分，并利用积分变换公式
得 （5-8）
媒质无耗时，耗能为零，所以媒质的无耗条件为
（4-14）
即
（4-15）
各向异性媒质的无耗条件
设 （4-16）
不失一般性，考虑无源区域， ，将上式代入（4-10）并取实部得
对于无耗媒质， ，所以，无耗条件为
Poynting定理的电路解释
考虑图4-1所示的RLC串联电路。
图4-1 RLC串联电路
流入电路的复功率为
（5-20）
情况b： 与 平行，即 ，则
大学物理第11章磁场中的磁介质ppt课件
第三篇 电磁学
无损耗输电。传统输电过程中总要产生一部分焦耳热损耗，一般在 10%~20%，如果采用超导体输电，几乎没有电能损失，而且不需要 升压，可以不用变压器设备，也不必架设高压线，可以在地下管道中。 甚至可以直接传输直流电。
产生强磁场。因超导体无热损耗，可通过很大电流，如用超导芯线为 Nb3Sn。其最大电流密度为 109 A/m2, 在承受相同电流的情况下，超 导芯线可以细得多，超导磁铁不仅效率高，而且可以做得很轻便。例 如，一个能产生 5T 的中型电磁铁的重量可达 20 吨，而超导磁铁的重
量不过几公斤。 美国在 磁谱仪中，将采用超导磁铁产生强磁场，
2003 年再次送入地球轨道，观察暗物质和反物质。
第三篇第三篇电磁学电磁学在无外磁场时抗磁质中分子的轨道和自旋磁矩均不为零但其和分子磁矩为零m0物质不显磁抗磁质的磁化机理抗磁性电子进动有外场时外磁场使分子中作轨道运动的电子的角速度变化当电子轨道运动角速度与外磁场同向时角速度增加
第三篇 电磁学
第十一章 磁场中的磁介质
上章我们学习了真空中稳恒电流激发的磁场及其规律。当 空间有介质(导体、绝缘体)存在时，磁场将与介质发生相互 作用，我们把磁场中的介质称为磁介质。磁介质在外加磁场 作用下自身产生附加磁场的过程称为磁化。
分子电流——分子磁矩产生的磁效应可 以用一等效的圆电流的磁效应来表示。
这就是安培提出的分子电流假设。
第三篇 电磁学
顺磁质和抗磁质的磁化可用安培分子电流假说解释，而铁磁质的磁化很 复杂，后面我们将用磁畴的概念解释。
1. 顺磁质的磁化机理——顺磁性
无外磁场时，顺磁质中的每个分子虽然具有磁矩m≠0，但由于分子热 运动而使其取向无规则，物质分子的总分子磁矩m=0，物质对外不 显磁性。
高等电磁场阅读资料.
证明 ] 设 ar
av
⋅
Rv
= ∇
ax av
(
⋅
x r R
∇
= ax x$ + a y y$ + az z$ 直角坐标
− x′) + ay y − y′ + az (z − z′)
= ax x$ + a y y$ + a z z$ = av
∇1 =− av ⋅ RvR= av 则
1 Rˆ R2 其中
特别有
R
∇
⋅
v R
=
dR 3
1-34
1-35
∇ ⋅ R$ = 2
∇
⋅
(
Rar
)
=
R R$
⋅
ar
1-36
ar 为常矢 1-37
! 旋度 特别有
∇
×
r R
=
r 0
∇
×
(
f
(
R)
R$ )
=
r 0
1-39
∇ × (Rar) = R$ × ar
1-38
ar 为常矢 1-40
1-5
高等电磁场讲义 • 第 1 讲
v f
(∇
v
f−
⋅ gv) − gv(∇ ⋅
( v f
v f )
⋅
∇)
gr 1-9
! 利用
r ∇( f
a
×⋅ gr()bv=×∇cv(
v f
)
=⋅ gvbvc
)+
(av
⋅∇cv()fv−c ⋅cvgv()av
⋅
v b
)
得 则
∇(
v f
⋅
储庆昕高等电磁场讲义 第三章
第3讲 媒质本构关系一．真空中的Maxwell 方程直接由实验定律获得的Maxwell 方程实际为⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧=⋅∇=⋅∇∂∂-=⨯∇∂∂+=⨯∇00000ερεμμE B t B E t E J B(3-1) 式中，F/m 10854.8103611290--⨯=⨯=πε, H/m 102566.1104670--⨯=⨯=πμ 分别称为真空中的介电常数和磁导率。
如果令⎩⎨⎧==HB ED00με (3-2) 则（3-1）变为 ⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=⋅∇=⋅∇∂∂-=⨯∇∂∂+=⨯∇ρD B t B E t D J H0 (3-3)二．媒质中的Maxwell 方程媒质中电磁场依然满足Maxwell 方程（3-1），只是当媒质放在电磁场中后，会发生导电、极化和磁化现象。
导电产生传导电流。
极化产生束缚电荷。
交变极化产生极化电流。
磁化产生磁化分子电流。
这些电荷和电流又反作用于电磁场，所以，媒质中如果没有其他的源，（3-1）中的电流J 和电荷ρ应为m p f J J J J++= （3-4）p f ρρρ+= （3-5） 式中，f ρ和p ρ分别表示自由电荷和束缚电荷，f J 、p J和m J 分别表示自由电流密度、极化电流密度和磁化电流密度。
自由电流为自由电荷运动所造成的电流，包括空间电荷流和传导电流c J。
p ρ、c J 、p J和m J 满足t P J p ∂∂= （3-7）M J m⨯∇= （3-8） E J cσ= （3-9）式中，σ、P 和M分别为媒质的导电率、极化强度和磁化强度。
在实际中，自由电荷和自由电流可以直接受实验条件的控制和测定，而束缚电荷、极化电流和磁化电流则不然。
因此，从Maxwell 基本方程中消去p ρ、p J和m J 比较方便。
利用（3-1）、（3-5）和（3-6），有P E f p f⋅∇-=+=⋅∇ρρρε0即 f P E ρε=+⋅∇)(0定义电感应强度（电位移矢量）：P E D+=0ε （3-10）则有 f D ρ=⋅∇（3-11）利用（3-1）、（3-4）、（3-7）和（3-8）可得tE M t P J t E J J J B f m p f ∂∂+⨯∇+∂∂+=∂∂+++=⨯∇0001εεμ 于是 t D J M B f ∂∂+=-⨯∇)1(0μ （3-12）定义磁场强度：M B H -=01μ （3-13）于是，方程变为tD J H f ∂∂+=⨯∇ （3-14）这样，如果略去f ρ和f J的下标f ，媒质中的Maxwell 方程与（3-3）有相同的形式。
高等电磁场经典讲义
r r r r r ∇ ⋅ (ϕf ) = ∇ ⋅ (ϕf c ) + ∇ ⋅ (ϕ c f ) = (∇ϕ ) ⋅ f + ϕ (∇ ⋅ f ) r r r r r ∇ × (ϕf ) = ∇ × (ϕf c ) + ∇ × (ϕ c f ) = ( ∇ϕ ) × f + ϕ ( ∇ × f ) r r r r r r ∇ ⋅ ( f × g) = ∇ ⋅ ( f × gc ) + ∇ ⋅ ( f c × g) r r r r r r r r r a ⋅ ( b × c ) = b ⋅ (c × a ) = c ⋅ ( a × b )
[
]
所以，并矢既可以用矢量表示也可用三阶矩阵表示，但并不是任意三阶矩阵都表示并矢。因为 并矢只有 6 个独立量，而三阶矩阵有 9 个独立量。 ˆx ˆ+y ˆy ˆ+z ˆz ˆ 称为单位张量，对应于单位矩阵。 I=x r r I ⋅a =a 并矢运算规则 1. 2. 3. 4. 点乘 叉乘 双 重 点 乘 （1-14） 双重叉乘
（1-29）
r
源 点
r r r R = r − r′
场 点
r r′ r r
O
图 1-1 矢径的定义
l
梯度 ∇f (R ) = df ˆ R = −∇ ′f (R ) dR （1-30）
其中， ∇ ′ 表示对源点求梯度。特别有 ˆ ∇R = R 1 1 ˆ ∇ =− 2 R R R v v v v ∇ a ⋅ R = a ，其中， a 为常矢。 （1-31） （1-32） （1-33）
大学物理下第十一章
电场力充当非静电力
b
感生电动势 i a EV dl
EV 是感生电场
闭合回路中
i
L EV d
dl
dΦ
dt
B dS
dt S
• 感生电场与变化磁场之间的关系
L EV
dl
S
B t
dS
讨论
(1) 感生电场是无源有旋场
感生电 场与静 电场的 比较
场源 环流 通量
静电荷 变化的磁场 (磁生电) 静电场为保守场 感生电场为非保守场 静电场为有源场 感生电场为无源场(闭合电场线)
有旋电场力(加速电子) 洛伦兹力(向心力)
电子加速圆周运动
洛仑兹力
evBR
mv 2 R
有旋电场力
eEV
d(mv) dt
Fm
EV
Fe
有旋电场
EV
1 2πR
dΦm dt
令 Φm πR2B
电子感应加速器
B 是面积S内的平均磁感应强度
得
dBR 1 dB
dt 2 dt
BR
1 2
B
电子维持在不变的圆形轨道上加速时磁场必须满足的条件
r
dS l
Φ R2 0r I ldr 0r Il ln R2
R1 2π r
2π R1
r
L Φ 0r ln R2
Il 2π R1
二. 互感现象 互感系数 互感电动势
线圈 1 中的电流变化
B1
引起线圈 2 的磁通变化
线圈 2 中产生感应电动势
I
根据毕 — 萨定律，穿过线 圈 2 的磁通量正比于线圈1
dq
电源
• 表征了电源非静电力作功本领的大小 uAB uA uB
电磁场理论第十一周课件
2、全电流定律
这表明在时变场的情形下，不仅变动的自 由电流能够产生变动的磁场，变动的电场 也能激发变动的磁场，两者都是变动磁场 的漩涡源(在静态场的情形下， ，磁场 仅由自由电流产生，于是全电流定律又退 化为安培环路定律)。变动的电场也可以激 发变动的磁场，这是电场与磁场紧密联系 的另一个重要方面。
例题
感应电动势为
导体不动 磁场不变
§5.2 位移电流和全电流定律
1、位移电流和全电流的连续性 2、全电流定律 例题
1、位移电流和全电流的连续性
在稳恒磁场的情形下，场的规律遵循安培 环路定律，即 。由于任一矢量 的旋度的散度必等于零，则
因此，在稳恒磁场(或稳恒电场)中，稳恒电 流总是连续的。
如果媒质的特性接近导体， 很大，且频 率不太高，则 ，可见导体中的位 移电流远小于传导电流，故有
Review
Conformal mapping method
Exponential function, logarithmic function; mapping between the grids under the Cartesian coordinate system and the cylindrical coordinate system Bilinear function: circle to circle with line as the limiting case; Sine function and arcsine function: mapping between concentric ellipses and parallel lines, hyperbolas and parallel lines; Schwarz-Christoffel Transformation: polygon to x axis. Other transformations
55第十一章专题强化十四磁场与现-2025年高考物理大一轮复习课件
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典例 2 [回旋加速器](2024·江苏百校联考)1930 年劳伦斯制成了世界上第 一台回旋加速器，如图 Z142(a)所示，其原理如图 Z142(b)所示，这台加 速器由两个铜质 D 形盒 D1、D2 构成，其间留有空隙，现对氚核(31H)加速， 所需的高频电源的频率为 f，已知元电荷为 e，下列说法正确的是( C ).
图 Z14-5
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【解析】污水中正、负离子从左向右移动，受到洛伦兹力，根据左手定则， 正离子向后表面偏，负离子向前表面偏，所以 a 侧电势比 c 侧电势高，故 A 错误；最终正、负离子会受到静电力、洛伦兹力处于平衡状态，有 qE ＝qvB，即UD＝vB，而污水流量2021Q[文＝件：vπ中4教D联2标，彩得.t] U＝4πBDQ，可知 U 与 Q 成正 比，与 D 成反比，与 L 无关，与离子浓度无关，B、C 错误；匀强磁场的 磁感应强度 B＝π4UQD，故 D 正确.
易错提醒
霍尔元件的材料不同，霍尔效应结果也不相同.
2021[文件：中教联标彩.t]
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2021[文件：中教联标彩.t]
力方向向上，洛伦兹力方向向下，由受力分析结合运动轨迹可知，qE＞qvB， 则 v＜EB，运动过程中洛伦兹力不做功，静电力做正功，则粒子速度增大， 故 B 正确，A、C、D 错误.
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典例 4 [磁流体发电机](2024·北京朝阳质检)一种用磁流体发电的装置如 图 Z144 所示.已知等离子体(即高温下电离的气体，含有大量正、负带电 粒子)以速度 v 喷射入磁感应强度为 B 的匀强磁场中(速度方向与磁场方向 垂直)，在磁场中有两块平行金属板 A、B，板间距离为 d，忽略粒子的重 力及粒子间的相互作用，下列20说21[文法件正：中确教的联标是彩(.t] B ).
储庆昕高等电磁场讲义 第十一章
第11讲 镜像原理 (I)镜像原理的基础是唯一性定理，即在某一特定区域，只要解满足该区域的支配方程和相应的边界条件，那么，这个解就是该区域的唯一正确解。
11.1 导体平面镜像原理设一点电荷放置在无限大接地导体平面的右半空间中，导体平面位于x =0处，点电荷位于x x =0处。
如图11-1(a)所示。
图11-1导体平面对点电荷的镜像原理（a ） 原问题 （b ）镜像问题图11-1(a)中区域1的边界条件是在x =0导体平面上切向电场为零，图中的电力线也清楚地表明了这一点。
如果在区域2中x x =-0处放一点电荷-q ，并去掉导体平面，如图11-1(b)所示，则由电力线分布可以看出，这两个点电荷产生的电场在x =0平面上仍保持切向电场为零，并且也没有改变区域1中的电荷分布，所以由唯一性定理可知，区域1中电场保持不变，即就区域1而言，图11-1(a)与11-1(b)的两个问题是等效的。
注意就区域2而言，两个问题是不等效的，因为图11-1(b)区域1中多了一个点电荷-q 。
类比可知，对于点电荷，导体平面就如同一面镜子，故将这一原理称为镜像原理。
在x x =-0处的点电荷-q ，称为镜像电荷。
依照同一原理，可以导出导体平面对点磁荷qm的镜像原理。
所不同的是磁荷产生的磁场在导电平面上法向分量为零，所以镜像磁荷应与原磁荷值相同。
电流、磁流分别是由电荷、磁荷的流动形成的，所以利用点电荷和点磁荷的导体平面镜像原理。
可以导出导体平面对电流和磁流的镜像原理，如图11-2所示。
(a)(b)JMJM图11-2导体平面对电流和磁流的镜像原理应当注意的是，在应用镜像原理时，不仅要考虑源的镜像，有其他物体存在时还要考虑其他物体的镜像，使镜像问题维持对称，如图11-3所示。
PEC(a)(b)JJ图11-3有其他物体存在时的镜像原理上述导体平面镜像原理可以推广到多导体平面的镜像问题。
导体拐角的镜像原理如图11-4(a)在无限大导体直角内放置一点电荷q。
十一章课件
1 π , 2 0
B 0 nI
π 1 , 2 0 B 1 0 nI 2 2
B O
0 nI
1 0 nI 2
x
三 运动电荷的磁场
0 Idl r 毕—萨定律 dB 4π r 3 dQ qvdN qdN I dt dl v dl 0 qdNv r qdNv dB Idl 4π r3
j
S
v
dl
单个运动电荷产生的磁场 实用条件
q
+
r
v c v
+B
d B 0 qv r B d N 4π r 3
q
r
v
B
例题b 半径 为 R 的带电薄圆盘的电荷面密 度为 , 并以角速度 绕通过盘心垂直于盘面的轴 转动 ，求圆盘中心的磁感强度.
（ 2 x R ）2
I
o
R
x
*
B
B
0 IR
2
2 2 3
x
B
（ 2 x R ）2
N 0 IR
2 2
2 3
讨 论
1）
I 和B 成右螺旋关系
（ 2 x R ）2
2）若线圈有 N 匝 3）x
0
B
B
0 I
2R
2x
3
4）x R
0 IR 2
几种特殊点的磁感强度
（ 1）
2
1
sin d
1
2 x2 x1 o p ++ + + + + + + + + + + + + +
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第11讲 镜像原理 (I)镜像原理的基础是唯一性定理，即在某一特定区域，只要解满足该区域的支配方程和相应的边界条件，那么，这个解就是该区域的唯一正确解。
11.1 导体平面镜像原理设一点电荷放置在无限大接地导体平面的右半空间中，导体平面位于x =0处，点电荷位于x x =0处。
如图11-1(a)所示。
图11-1导体平面对点电荷的镜像原理（a ） 原问题 （b ）镜像问题图11-1(a)中区域1的边界条件是在x =0导体平面上切向电场为零，图中的电力线也清楚地表明了这一点。
如果在区域2中x x =-0处放一点电荷-q ，并去掉导体平面，如图11-1(b)所示，则由电力线分布可以看出，这两个点电荷产生的电场在x =0平面上仍保持切向电场为零，并且也没有改变区域1中的电荷分布，所以由唯一性定理可知，区域1中电场保持不变，即就区域1而言，图11-1(a)与11-1(b)的两个问题是等效的。
注意就区域2而言，两个问题是不等效的，因为图11-1(b)区域1中多了一个点电荷-q 。
类比可知，对于点电荷，导体平面就如同一面镜子，故将这一原理称为镜像原理。
在x x =-0处的点电荷-q ，称为镜像电荷。
依照同一原理，可以导出导体平面对点磁荷qm的镜像原理。
所不同的是磁荷产生的磁场在导电平面上法向分量为零，所以镜像磁荷应与原磁荷值相同。
电流、磁流分别是由电荷、磁荷的流动形成的，所以利用点电荷和点磁荷的导体平面镜像原理。
可以导出导体平面对电流和磁流的镜像原理，如图11-2所示。
(a)(b)JMJM图11-2导体平面对电流和磁流的镜像原理应当注意的是，在应用镜像原理时，不仅要考虑源的镜像，有其他物体存在时还要考虑其他物体的镜像，使镜像问题维持对称，如图11-3所示。
PEC(a)(b)JJ图11-3有其他物体存在时的镜像原理上述导体平面镜像原理可以推广到多导体平面的镜像问题。
导体拐角的镜像原理如图11-4(a)在无限大导体直角内放置一点电荷q。
当去掉导体拐角后，为了保证导体平面上的切向电场为零，必须分别在二、三、四象限内放置镜像电荷，如图11-4(b)所示。
y=0平面上面的两个点电荷与下面的两个点电荷保证了y=0的切向电场为零。
x=0平面左边的两个点电荷与右边的两个点电荷保证了x=0平面切向电场为零，所以整个导体拐角上切向电场为零。
∙ ∙ ∙∙ ∙PEC q -q q -q q (a)(b)图11-4导体直角镜像原理 （a ）原问题 （b ）镜像问题事实上，只要导体拐角满足α ＝1800n （n 为整数），就可以应用镜像原理，其镜像数目为(21n -)个，分布在半径为r 0的圆上，镜像的角度分布为21m m αθ±=,,2, ，电荷量为±q ，其中r 0为点电荷到拐角点的距离，θ为点电荷与拐角一平面的夹角。
如果α≠1800n ，则无法应用镜像原理。
图11-5显示了n =4,α=450的导体拐角的镜像原理。
图11-5α=450导体拐角的镜像原理平行导体平面镜像原理x 0h x(a)-q q -q -qq qq q -q x 020h x -20h x +40h x --x 0x h02---x h 02x h04-x(b)图11-6平行导体平面镜像原理 （a ）原问题 （b ）镜像问题设一点电荷q 0放在两块平行的无限大导体板中，如图11-6(a)所示。
在应用镜像原理时，先将两块导体板去掉，然后在x <0区域和x h >区域内放置镜像电荷，使x =0和x h =平面上仍保持切向电场为零。
首先，在x x =-0处放置原电荷关于x =0平面的镜像电荷q q 10=-,使x =0平面保持切向电场为零。
再在x h x =+20处放置镜像电荷q 10关于x h =平面的镜像q q 11=，以使x h =平面保持导体边界条件。
又在x h x =-+()20处放置q 11的镜像q q q 1211=-=-，以保证x =0平面的导体边界条件。
如此继续下去，直至无穷。
这一系列镜像电荷及原电荷保证了x =0平面的切向电场为零，但对x h =平面只是镜像电荷在其上产生的切向电场为零。
若加上原电荷，x h =平面的边界条件将不能满足。
为此，在x h x =-20处放置上原电荷关于x h =平面的镜像q q 20=-。
再在x h x =--()20处放置q 20关于x =0平面的镜像q q q 2120=-=，又在x h x =-40处放置q 21关于x h =平面的镜像，如此继续下去。
于是便得到如图11-6(b)所示的多重镜像电荷分布。
依照同样的原理，我们还可以得到的矩形波导中电流源的镜像原理，如图11-7所示。
J图11-7 矩形波导中电流源的镜像原理11.2 导体球面的镜像原理如图11-8所示，考虑一点电荷q 位于接地导体球面外x r a =处，球面半径为r 0。
这时利用电力线（图解法）已无法直接判别镜像电荷的位置与大小。
须采用解析的方法。
将问题的区域分为区域I （导体球内）和区域∏（导体球外）。
对于静电荷，电位满足的Possion 和Laplace 方程∇=-->∇=<⎧⎨⎪⎩⎪2020ΦΦI ∏q r r r r r r a δε()/ (11-1) 和边界条件 ΦΦI ∏＝＝0 r r =0 (11-2)r axr 0Pr b q-'q 0Region ∏Region Irθ图11-8导体球面外点电荷去掉导体球面后，为保持球面导体边界条件不变，设在x r b =处有一镜像电荷-'q 。
电位的试探解为Φ=+--'+-qr r rr q r r rr a aa bb 424222022πεθπεθcos cos (11-3)根据球面上r r ==00，Φ，得q r r r r q r r r r a a b b 202202022022+-='+-cos cos θθ即 q r r q r r q r r q r r b b a a 20222020222022()cos ()cos +-='+-'θθ (11-4)由于对于任意θ都成立，所以有q r r q r r q r q r b a ba 2022202222()()+='+='⎧⎨⎪⎩⎪ (11-5) 于是 r r r r r r a b b a ()()022022+=+即 ()()r r r r r a b b --=0200 (11-6) 有两组解 r r b a = (11-7)或 r r r a b 02= 即 r r r b a=02(11-8)情况1：如果020r r r r ab <=则 '==q r r q rr q b a a0 (11-9) 这正是关于区域I 等效的镜像问题。
情况2：如果0r r r b a>=，则'=q q (11-10)这正是关于区域∏等效的镜像问题。
于是得⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=Φ-+--+=Φ∏I 0]cos 2 cos 21[4220220θθπεr r r r r r r r r r q b b a a a (11-11) 利用(11-11)可以求出接地导体球面上的总感应电荷。
在导体面上感应电荷面密度s ρ满足23230)cos 2(4)cos ( )cos 2(4)cos (022********θπθθπθ∂∂ερa b b a a a r r s r r r r r r q r r r r r r q r-+-'--+-=Φ-==I (11-12)所以总感应面电荷为⎰⎰⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-'-⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-===πππθθθθθθθθθπρρ02000200002323cos 2)(1sin )cos 1(2cos 2)(1sin )cos 1(2sin 2r r r r d r r q r r r r d r r q d r r ds Q bb bb a b a ass s (11-13)可以证明积分I k d k k k k =-+-=><⎧⎨⎩⎰1211201112032(cos )sin (cos )θθθθπ (11-14)事实上，令 u k k =+-122cos θ，则⎩⎨⎧><=⎪⎭⎫ ⎝⎛--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=+-+-⎰10111411181222121222321)1()1()1()1(2k k u k u k du u k u k I k k k k于是，(11-13)变为Q q r r q ab=-'=- (11-15)可见，球面上总感应电荷就等于镜像电荷。
所以，镜像原理也可以从物理上这样解释；放在导体球外的静电荷，在球面上感应电荷。
由于导体接地，球面上只有负感应电荷分布。
镜像原理就是利用镜像电荷来等效导体球面上感应电荷的作用。
如果导体球不接地，导体球面的电位不为零，而是一等电位面。
球面上一端感应有负电荷分布，另一端感应正电荷分布。
但感应的净电荷分布为零。
这种情况下，镜像原理可分成两步：第一步，假设导体球接地，利用上述方法确定镜像；第二步，球面内放置另一个镜像电荷''q 使球面为等电位，显然''q 应放在球心。
''q 在球面上产生的电位为 ''''Φ＝q r 40πε (11-16) 这一镜像电荷应抵消接地导体球面的感应负分布电荷，即应有：()-''='=⎰ε∂∂0Φrds q r (11-17)将(11-16)代入，得''='q q ，所以，在球心处应放置一个+'q 电荷。
11.3 导体柱面的镜像原理图11-9 （a ）导体镜面等效原理考虑一密度为λ的无限长均匀分布的线电荷，平行放置在半径为R 的接地导体圆柱外x a =处。
如图11-9(a) 所示。
2r1rRd -0x - λ' λ-λ yxP dD图11-9（b ）电轴产生的电位为了采用镜像原理解决这一问题，我们首先讨论相距为d 的两个密度分别为λ和λ-的无限长均匀分布的线电荷（称之为电轴）在空间产生的电位，如图11-9(b) 所示。
电位表达式为12ln 4r r πελϕ=(11-18) 在直角坐标系中，221)(y d x r +-=，222)(y d x r ++=。
这种系统的等位面方程为k r r =2122，即k yd x y d x =+-++2222)()(，整理后，得到 2222221211⎪⎭⎫ ⎝⎛-=+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-k kd y d k k x （11-19） 这是一圆方程。