電磁場邊值問題的解法.ppt

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給定邊界條件下求有界空間的靜電場和電源外恒定電場的問題，稱之為邊界值問題。,第3章邊值問題的解法,3.1邊值問題的提法(分類)3.1.1邊值問題的分類1狄利克雷問題：給定整個場域邊界面S上各點電位的（函數）值2聶曼問題：給定待求位函數在邊界面上的法向導數值3混合邊值問題：給定邊界上的位函數及其法向導數的線性組合另外，若場域在無限遠處，電荷分布在有限區(qū)域，則有自然邊界條件若邊界面是導體，邊界條件轉變?yōu)橐阎徊糠謱w表面的電位或另一部分導體表面的電荷量。,3.1.2泊松方程和拉普拉斯方程,1泊松方程(Poisson‘sEquation)在線性、各向同性、均勻的電介質中，稱之為靜電場的泊松方程，它表示求解區(qū)域的電位分布取決于當地的電荷分布。2拉普拉斯方程(LaplacesEquation)電荷分布在導體表面的靜電場問題，在感興趣的區(qū)域內多數點的體電荷密度等于零，即ρV=0，因而有▽2φ=0稱為拉普拉斯方程。,3.2唯一性定理,1定理內容在靜電場中，每一類邊界條件下，泊松方程或拉普拉斯方程的解必定是唯一的，即靜電場的唯一性定理。2證明過程利用反證法來證明在第一類邊界條件下，拉普拉斯方程的解是唯一的?？紤]一個由表面邊界S包圍的體積V，由格林第一定理,整理，因為，所以，設在給定邊界上的電位時，拉普拉斯方程有φ1和φ2兩個解，由于拉普拉斯方程是線性的，兩個解的差φ′=φ1-φ2也滿足方程,在邊界S上，電位所以φ′在邊界S上的值為則得,3.1.3靜電場邊界值問題的間接解法,例1:已知無限長同軸電纜內、外半徑分別為和，如圖所示，電纜中填充均勻介質，內外導體間的電位差為，外導體接地。求其間各點的電位和電場強度。,解：根據軸對稱的特點和無限長的假設，可確定電位函數滿足一維拉普拉斯方程，采用圓柱坐標系,,積分,由邊界條件,,,則：,,3.3鏡像法,理論依據：惟一性定理是鏡像法的理論依據。鏡像法概念：在一定條件下，可以用一個或多個位于待求場域邊界以外虛設的等效電荷來代替導體表面上感應電荷的作用，且保持原有邊界上邊界條件不變，則根據惟一性定理，空間電場可由原來的電荷和所有等效電荷產生的電場疊加得到。這些等效電荷稱為鏡像電荷，這種求解方法稱為鏡像法。,應注意的問題：鏡像電荷位于待求場域邊界之外。將有邊界的不均勻空間處理為無限大均勻空間，該均勻空間中媒質特性與待求場域中一致。實際電荷(或電流)和鏡像電荷(或電流)共同作用保持原邊界處的邊界條件不變。,待求場域：上半空間邊界：無限大導體平面邊界條件：,,點電荷對無限大接地導體平面的鏡像,在空間的電位為點電荷q和鏡像電荷-q所產生的電位疊加，即,電位滿足邊界條件,導體平面邊界上：,,上半空間的電場強度：,電位：,導體表面感應電荷導體表面上感應電荷總量導體表面上感應電荷對點電荷的作用力,2線電荷對無限大接地導體平面的鏡像,將無限長的線電荷看作無數個點電荷的集合。根據點電荷對無限大接地導體平面的鏡像原理，可得到線電荷對應的鏡像電荷仍為平行于導體表面的線電荷，其電荷密度為上半空間的電場待求場域中的電位,3點電荷對半無限大接地導體角域的鏡像,由兩個半無限大接地導體平面形成角形邊界，當其夾角為，而為整數時，該角域中的點電荷將有個個鏡像電荷，該角域中的場可以用鏡像法求解。當n=4時：該角域外有3個鏡像電荷q1、q2和q3，位置如圖所示。其中,,當n=6時：n不為整數時，鏡像電荷將有無數個，鏡像法就不再適用了；當角域夾角為鈍角時，鏡像法亦不適用。,角域外有5個鏡像電荷，大小和位置如圖所示。所有鏡像電荷都正、負交替地分布在同一個圓周上，該圓的圓心位于角域的頂點，半徑為點電荷到頂點的距離。,4.點電荷對導體球面的鏡像,設一點電荷q位于半徑a為的接地導體球附近，與球心的距離為d，如圖所示。待求場域為r>a區(qū)域，邊界條件為導體球面上電位為零。,設想在待求場域之外有一鏡像電荷q′，位置如圖所示。根據鏡像法原理，q和q′在球面上的電位為零。,點電荷與接地導體球周圍的電場,,,在球面上任取一點c，則,,,空間任意點的電位：,,導體球不接地：,導體球不接地：根據電荷守恒定律，導體球上感應電荷代數和應為零，就必須在原有的鏡像電荷之外再附加另一鏡像電荷q″=－q′,球外任一點電位：,球面上任一點電位：,為了保證球面為等位面的條件，鏡像電荷q″應位于球心處。,例3：有一接地導體球殼，內外半徑分別為a1和a2，在球殼內外各有一點電荷q1和q2，與球心距離分別為d1和d2，如圖所示。求：球殼外、球殼中和球殼內的電位分布。,球殼外：邊界為r=a2的導體球面，邊界條件為根據球面鏡像原理，鏡像電荷的位置和大小分別為球殼外區(qū)域任一點電位為,解：,球殼內：邊界為r=a1的導體球面，邊界條件為根據球面鏡像原理，鏡像電荷的位置和大小分別為球殼內區(qū)域任一點電位為,球殼中：球殼中為導體區(qū)域，導體為等位體，球殼中的電位為零。,用鏡像法解題時，一定要注意待求區(qū)域及其邊界條件，對邊界以外的情況不予考慮。,5線電荷對導體圓柱面的鏡像,待求區(qū)域：邊界條件：柱面上電位為零設想鏡像線電荷位于對稱面上，且與圓柱軸線距離為b，則導體柱面上任一點的電位表示為其中：,兩平行線電荷的電位分布,在柱面上取兩個特殊點M和N，則,,,空間電位為：,其中：,四、分離變量法,理論基礎惟一性定理分離變量法的主要步驟根據給定的邊界形狀，選擇適當的坐標系，正確寫出該坐標系下拉普拉斯的表達式，及給定的邊界條件。經變量分離將偏微分方程化簡為常微分方程，并給出常微分方程的通解，其中含有待定常數。利用給定的邊界條件，確定通解中的待定常數，獲得滿足邊界條件的特解。,直角坐標系中二維拉普拉斯方程分離變量法,本征方程的求解(1)當時,,,,本征函數,,,,本征方程,本征值,,,(2)當時，設,,或,,由,,本征方程為：,則：,,(3)當時，設,由,,本征方程為：,或,,則：,應用疊加定理，可將三種解疊加組成拉普拉斯方程的通解,三種解的特點：第一種解中，X(x)和Y(y)為常數或線性函數，說明它們最多只有一個零點；第二種解中，X(x)為三角函數，有多個零點，Y(y)為雙曲函數，最多只有一個零點；第三種解中，X(x)為雙曲函數，最多有一個零點，而Y(y)為三角函數，有多個零點。,解:選直角坐標系，電位函數滿足二維拉普拉斯方程邊界條件：,例：一接地金屬槽如圖所示，其側壁和底壁電位均為零，頂蓋與側壁絕緣，其電位為U0，求槽內電位分布。,,設，代入式(1)中得:,,,根據邊界條件(2)與(3)可知，函數X(x)沿x方向有兩個零點，因此X(x)應為三角函數形式，又因為X(0)=0，所以X(x)應選取正弦函數，即,由邊界條件(3)得：,對應的Y(y)函數為雙曲函數，且Y(0)=0，于是Y(y)的形式為,此時，電位可表示為由邊界條件(5)知其中：,,,對上式兩邊同乘以，再對x從0到a進行積分，即,,,滿足邊界條件的特解為：,要求,掌握邊值問題的概念，了解邊值問題的分類掌握泊松方程、拉普拉斯方程理解唯一性定理理解鏡像法原理，熟悉典型的像電荷分布理解分離變量法原理，熟悉分離變量法求解步驟,