第二章 静电场和稳恒磁场
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静电场与稳恒磁场的异同
静电场和稳恒磁场是两种不同的物理场,它们具有一些相似之处,但也存在一些显著的差异。
相似之处:
1.无源性:静电场和稳恒磁场都是无源场,它们不依赖于电荷或电流的变化而产生。
差异之处:
1.作用粒子不同:静电场与电荷粒子(例如电子或质子)相互作用,而稳恒磁场则与运动带电粒子(电流)相互作用。
2.相关物理量不同:静电场与电荷的位置和电荷量有关,通常用电场强度(单位电荷受到的力)来描述;而稳恒磁场与电流的位置和大小有关,通常用磁感应强度(单位电流受到的力)来描述。
3.引力与斥力:静电场中的电荷之间可以相互吸引或排斥,根据电荷的正负性质决定;而稳恒磁场中的磁荷(即电流)之间不存在引力或斥力的作用。
4.能量流动方式:静电场中的能量流动是通过电磁辐射进行的,即光的形式;而稳恒磁场中的能量流动主要是通过电流在导体中的传输进行的。
总体而言,静电场和稳恒磁场在物理特性和相互作用方面存在一些重要的区别,但它们都是电磁场的重要组成部分,共同构成了电磁学的基础。
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《电动力学1》随教材复习题目一、章节容:第0章 矢量分析第一章 电磁现象的普遍规律第二章 静电场第三章 静磁场第四章 电磁波的传播第五章 电磁波的辐射二、题型1. 选择题,填空题,判断题、问答题2. 计算题(见教材例题)2018年5月第0章 矢量分析一、选择题0.1设222)()()(z z y y x x r '-+'-+'-=为源点到场点的距离,r 的方向规定为从源点指向场点,则有 ( B )A. 0=∇rB. r r r ∇=C. 0=∇'rD. r r r'∇= 0.2位置矢量r 的散度等于 (B )A .0 B.3 C.r1 D. r 0.3位置矢量r 的旋度等于 (A )A.0B.3C.r rD.3rr 0.4位置矢量大小r 的梯度等于 ( C )A.0 B .r 1 C. r r D.3rr 0.5r 1∇=? ( B ) A. 0 B.3r r - C.r r D .r 0.6⨯∇3r r =? (A ) A. 0 B .r r C.r D.r 1 0.7⋅∇3rr =?(其中r ≠0) ( A ) A.0 B.1 C.r D.r1 二、填空题0.1位置矢量r 的散度等于( 3 )。
0.2位置矢量r 的旋度等于( 0 )。
0.3位置矢量大小r r r 。
0.4无旋矢量场可以引入(标)势来处理,无源矢量场可以引入(矢)势来处理。
0.5(无旋)矢量场可以引入标势来处理,(无源)矢量场可以引入矢势来处理。
三、判断题0.1标量场的梯度必为无旋场。
(√)0.2矢量场的旋度不一定是无源场。
(×) 0.3无旋场必可表示为标量场的梯度。
(√) 0.4无源场必可表示为另一矢量的旋度。
(√)第一章 电磁现象的普遍规律一、选择题1.1对于感应电场下面哪一个说确 ( D )A 感应电场的旋度为零B 感应电场散度不等于零C 感应电场为无源无旋场D 感应电场由变化磁场激发1.2从麦克斯韦方程组可知变化电场是 ( B )A 有源无旋场B 有源有旋场C 无源无旋场D 无源有旋场1.3从麦克斯韦方程组可知变化磁场是 ( D) A 有源无旋场 B 有源有旋场 C 无源无旋场 D 无源有旋场。
电动⼒学电动⼒学第⼀章静电场⼀、考核知识点1、真空与介质中静电场场⽅程,场的性质、物理特征。
2、电场的边值关系、在两种介质分界⾯上电场的跃变性质。
3、由场⽅程、边值关系,通过电荷分布确定场分布及极化电荷的分布。
4、静电场的势描述。
由势分布确定场分布、荷分布;通过静电势的定解问题,确定静电势的分布、场分布及介质极化性质的讨论。
⼆、考核要求(⼀)、场⽅程、场的确定1、场⽅程,场的边值关系,体、⾯极化电荷密度的确定式等规律的推导。
2、识记:(1)、真空与介质静电场⽅程。
(2)、电场的边值关系。
(3)、体、⾯极化电荷密度的确定式。
3、领会与理解:(1)、静电场的物理特征。
12(2)、P D E ,,与电荷的关系,⼒线分布的区别与联系。
(3)、在介质分界⾯上场的跃变性质。
4、应⽤:通过对称性分析,运⽤静电场的⾼斯定理确定场,讨论介质的极化,正确地由电荷分布画出场的⼒线分布。
(⼆)、静电势1、静电势⽅程、边值关系的推导。
2、识记:静电势的积分表述、势⽅程、势的边值关系、势的边界条件、唯⼀性定理。
3、领会与理解:势的边值关系与边界条件,荷、势与场的关系,解的维数的确定,电像法的指导思想与像电荷的确定。
4、应⽤:求解静电势定解问题的⽅法(分离变量法、电像法)的掌握及应⽤,求解的准确性,场的特征分析及由势对介质极化问题的讨论。
第⼆章稳恒磁场⼀、考核知识点1、电荷守恒定律。
2、稳恒磁场场⽅程,场的性质特点。
3、由场⽅程,通过流分布确定场分布与磁化流。
4、磁场的边值关系。
5、稳恒磁场的⽮势。
6、由磁标势法确定场。
3⼆、考试要求1、规律的推导:真空、介质中稳恒磁场场⽅程,电荷守恒定律的微分表述,体、⾯磁化电流密度的确定式,磁场的边值关系,⽮势⽅程及其积分解,磁标势⽅程和边值关系等。
2、识记:电荷守恒定律,稳恒磁场场⽅程,体、⾯磁化电流密度的确定式,⽮势引⼊的定义式,磁标势引⼊条件,磁场的边值关系,0=f α情况磁标势的边值关系。
13-6麦克斯韦方程组关于静电场和稳恒磁场的基本规律,可总结归纳成以下四条基本定理:静电场的高斯定理:静电场的环路定理:稳恒磁场的高斯定理:磁场的安培环路定理:上述这些定理都是孤立地给出了静电场和稳恒磁场的规律,对变化电场和变化磁场并不适用。
麦克斯韦在稳恒场理论的基础上,提出了涡旋电场和位移电流的概念:1.麦克斯韦提出的涡旋电场的概念,揭示出变化的磁场可以在空间激发电场,并通过法拉第电磁感应定律得出了二者的关系,即上式表明,任何随时间而变化的磁场,都是和涡旋电场联系在一起的。
2.麦克斯韦提出的位移电流的概念,揭示出变化的电场可以在空间激发磁场,并通过全电流概念的引入,得到了一般形式下的安培环路定理在真空或介质中的表示形式,即上式表明,任何随时间而变化的电场,都是和磁场联系在一起的。
综合上述两点可知,变化的电场和变化的磁场彼此不是孤立的,它们永远密切地联系在一起,相互激发,组成一个统一的电磁场的整体。
这就是麦克斯韦电磁场理论的基本概念。
在麦克斯韦电磁场理论中,自由电荷可激发电场,变化磁场也可激发电场,则在一般情况下,空间任一点的电场强度应该表示为又由于,稳恒电流可激发磁场,变化电场也可激发磁场,则一般情况下,空间任一点的磁感强度应该表示为因此,在一般情况下,电磁场的基本规律中,应该既包含稳恒电、磁场的规律,如方程组(1),也包含变化电磁场的规律,根据麦克斯韦提出的涡旋电场和位移电流的概念,变化的磁场可以在空间激发变化的涡旋电场,而变化的电场也可以在空间激发变化的涡旋磁场。
因此,电磁场可以在没有自由电荷和传导电流的空间单独存在。
变化电磁场的规律是:1.电场的高斯定理在没有自由电荷的空间,由变化磁场激发的涡旋电场的电场线是一系列的闭合曲线。
通过场中任何封闭曲面的电位移通量等于零,故有:2.电场的环路定理由本节公式(2)已知,涡旋电场是非保守场,满足的环路定理是3.磁场的高斯定理变化的电场产生的磁场和传导电流产生的磁场相同,都是涡旋状的场,磁感线是闭合线。
大学物理电磁学总结电磁学部分总结静电场部分第一部分:静电场的基本性质和规律电场是物质的一种存在形态,它同实物一样也具有能量、动量、质量等属性。
静电场的物质特性的外在表现是:(1)电场对位于其中的任何带电体都有电场力的作用(2)带电体在电场中运动, 电场力要作功——电场具有能量1、描述静电场性质的基本物理量是场强和电势,掌握定义及二者间的关系。
电场强度 E =q 0∞ W a 电势 U a ==E ⋅d rq 0a2、反映静电场基本性质的两条定理是高斯定理和环路定理Φe =E ⋅d S =ε0∑qL E ⋅d r =0要掌握各个定理的内容,所揭示的静电场的性质,明确定理中各个物理量的含义及影响各个量的因素。
重点是高斯定理的理解和应用。
3、应用(1)、电场强度的计算1q E =r 02a) 、由点电荷场强公式 4πεr 及场强叠加原理 E = ∑ E 计i 0算场强一、离散分布的点电荷系的场强1q i E =∑E i =∑r 2i 0i i 4πεr 0i二、连续分布带电体的场强 d q E =⎰d E =⎰r 204πε0r其中,重点掌握电荷呈线分布的带电体问题b) 、由静电场中的高斯定理计算场源分布具有高度对称性的带电体的场强分布一般诸如球对称分布、轴对称分布和面对称分布,步骤及例题详见课堂笔记。
还有可能结合电势的计算一起进行。
c) 、由场强和电势梯度之间的关系来计算场强(适用于电势容易计算或电势分布已知的情形),掌握作业及课堂练习的类型即可。
(2)、电通量的计算a) 、均匀电场中S 与电场强度方向垂直b) 、均匀电场,S 法线方向与电场强度方向成θ角E =-gradU =-∇U∂U ∂U ∂U =-(i +j +k )∂x ∂y ∂zc) 、由高斯定理求某些电通量(3)、电势的计算a) 、场强积分法(定义法)——计算U P =⎰E ⋅d rb) 、电势叠加法——q i ⎰电势叠加原理计算⎰∑U i =∑4πεr⎰0iU =⎰dq ⎰dU =⎰⎰⎰4πε0r ⎰第二部分:静电场中的导体和电介质一、导体的静电平衡状态和条件导体内部和表面都没有电荷作宏观定向运动的状态称为静电平衡状态。
《 电动力学》教学教案教材 高教出版社 作者 蔡圣善第一周授课时间章节名称 预备知识 矢量分析初步§1、标量与矢量§2物理量的空间积累 §3物理量的空间变化率(1)教学内容1、标量场 定性描述一个标量常可以使用等势面的概念 定量描述为一个标量通常使用空间与时间的函数 ),(t x标量函数的空间变化率的最大值—— 梯度2、矢量场 定性描述用场线的方法 定量描述为一个空间,时间的矢量函数),(t x E E。
3、掌握 研究矢量场的基本方法 空间的积累4、通过对矢量场的通量的研究,(大于零,小于零,等于零)来判断区域内是否有源、是否有汇、是否连续。
5、通量的局限性, 教学难点1、通量大于零,小于零,等于零时,封闭面与场线的关系。
2、梯度的定义式与在各种正交坐标系中的表达式的不同。
例题1、 求 ▽r ▽· r ▽(r1) r = x i + y j + z k 授课时间章节名称 §3物理量的空间变化率(2)§4、算符的二级运算 §5曲线坐标系教学内容1、 通过对矢量场的环量的研究来讨论矢量的性质。
由其是否等于零来判断是否为有势场。
2、 旋度的定义及旋度在直角坐标系中的表达式。
3、 算符的二级运算,梯度的旋度,旋度的散度,梯度的散度以及旋度的旋度。
4、场点与源点在数学表示方法上的区别,哈密顿算符的场点与源点的区别。
5、体积元在柱坐标系与球 坐标系中的表示方法。
教学难点1、 梯度,散度及旋度是算符的一级运算,对应的是一阶偏微分方程,在数学上,一阶偏微分方程较难计算。
为了将一阶偏微分方程换成二阶偏微分方程,引入算符的二级运算。
2、 为了今后计算方便,以下的计算结果应该熟记。
▽ ,▽,,得区别。
▽ ρ(x ,)φ(x ),▽,ρ(x ,)φ(x )的计算结果是不同的。
但是电荷守恒原理▽·(j ,t )+ t= 0中,为了简单,常常将一瞥省略。
第一章电磁现象的普遍规律 一、 主要内容:电磁场可用两个矢量一电场强度电Z,zQ 和磁感应强度B{x r y r zfy 来完全 描写,这一章的主要任务是:在实验定律的基础上找出丘,歹所满足的偏微分方程组 一麦克斯韦方程组以及洛仑兹力公式,并讨论介质的电磁性质及电磁场的能量。
在电 磁学的基础上从实验定律岀发运用矢量分析得出电磁场运动的普遍规律:使学生掌握 麦克斯韦方程的微分形式及物理意义;同时体会电动力学研究问题的方法,从特殊到 一般,由实验定律加假设总结出麦克斯韦方程。
完成由普通物理到理论物理的自然过 渡。
二、 知识体系:介质磁化规律:能量守恒定律n 线性介质能量密度:I 能流密度:洛仑兹力密度;宇二应+" x B三、内容提要:1. 电磁场的基本实验定律: (1) 库仑定律:库仑定理:壮丿=[*虫1厶 电磁感应定律:市总•屋=-—[B-dSdV f區 dt k涡旋电场假设介质的极化规律:V- 5 = /? VxZ=比奥-萨伐尔逹律: D = s Q S + PJdVxr边值关系位移电流假设V-> = 0J+ —B =其中:第2页,共37页对E 个点电荷在空间某点的场强等于各点电荷单独存在时在该点场强的矢量和, 即:(2)毕奥——萨伐尔定律(电流决定磁场的实验定律)B = ^[^L(3)电磁感应定律②磁场与它激发的电场间关系是电磁感应定律的微分形式。
(4)电荷守恒的实验定律①反映空间某点Q 与了之间的变化关系,非稳恒电流线不闭合。
空二0月•了二0②若空间各点Q 与£无关,则別为稳恒电流,电流线闭合。
稳恒电流是无源的(流线闭合),°, 7均与北无关,它产生的场也与上无关。
2、电磁场的普遍规律一麦克斯韦方程微分形式di——diV • D = p方二勺宜+戶,H = —-MAo积分形式[f] E dl =-\ --dSSJs 冼[fl H-df = I + -\D -d§S念J血 Q/40①生电场为有旋场(鸟又称漩涡场),与静电场堤本质不同。
静电场和稳恒磁场是两种不同的物理场,它们在性质和行为上有一些区别和联系。
区别:
物理本质:静电场是由电荷的分布所产生的电场,其基本单位是电荷。
而稳恒磁场是由电流的分布所产生的磁场,其基本单位是电流。
粒子属性:静电场作用于带电粒子,其力的方向与电荷的正负有关。
稳恒磁场则作用于带电粒子的运动,其力的方向与带电粒子运动的方向垂直。
动力学效应:静电场可以对电荷施加电场力,使其受力运动或产生势能。
而稳恒磁场作用于带电粒子时,不对其做功,只会改变其运动轨迹。
联系:
场的性质:静电场和稳恒磁场都是场,即它们都具有空间中某种物理量的分布特性。
数学描述:静电场和稳恒磁场都可以用物理学中的场论来描述,分别由静电场和稳恒磁场的场方程来表示。
应用:静电场和稳恒磁场在现实中有广泛的应用。
静电场的应用包括静电吸附、静电喷涂、静电除尘等。
稳恒磁场的应用包括电动机、磁共振成像、磁悬浮等。
需要注意的是,当电荷和电流随时间变化时,静电场和稳恒磁场的性质和行为将发生变化,此时需要考虑电磁场的动态效应,即电磁场理论。
《工程电磁场教案》第一章:电磁场的基本概念1.1 电磁现象的发现1.2 电荷与电场1.3 电流与磁场1.4 电磁感应第二章:静电场2.1 静电场的定义与特性2.2 静电力与库仑定律2.3 电势与电势能2.4 电场强度与高斯定律第三章:稳恒电流场3.1 电流场的定义与特性3.2 欧姆定律3.3 电阻的计算3.4 电流场的分布与等势线第四章:稳恒磁场4.1 磁场的基本概念4.2 安培定律4.3 磁感应强度与磁场强度4.4 磁通量与磁通量密度第五章:电磁波5.1 电磁波的产生与传播5.2 电磁波的波动方程5.3 电磁波的极化与反射、折射5.4 电磁波的应用第六章:电磁场的数值计算方法6.1 有限差分法6.2 有限元法6.3 边界元法6.4 有限体积法第七章:电磁场的测量与检测7.1 电磁场测量的基础知识7.2 电磁场测量仪器与设备7.3 电磁兼容性测试7.4 电磁辐射的防护与控制第八章:电磁场在工程中的应用8.1 电机与变压器8.2 电磁兼容设计8.3 无线通信与雷达技术8.4 电力系统的电磁场问题第九章:电磁场相关的标准与规范9.1 国际电工委员会(IEC)标准9.2 北美电气和电子工程师协会(IEEE)标准9.3 欧洲电信标准协会(ETSI)标准9.4 我国电磁兼容性标准第十章:电磁场的环境保护与安全10.1 电磁污染与电磁干扰10.2 电磁场的生物效应10.3 电磁场的防护措施10.4 电磁场环境监测与管理重点和难点解析一、电磁场的基本概念难点解析:电磁现象的内在联系,电磁场的定量描述,电磁感应的数学表达。
二、静电场难点解析:静电场的能量分布,电势的计算,高斯定律在复杂几何形状中的应用。
三、稳恒电流场难点解析:电流场的散度,等势面的概念,复杂电路中的电流分布计算。
四、稳恒磁场难点解析:磁场的闭合性,安培定律的适用条件,磁通量的计算,磁场的能量。
五、电磁波难点解析:电磁波的麦克斯韦方程组,电磁波的产生机制,电磁波在不同介质中的传播特性。
静电场和稳恒磁场的比较[摘要][关键词]静电场电介质电场强度电通量高斯定理电场力的功电势导体电容电流电动势磁场磁感应强度安培环路定理磁介质在运动电荷周围,不但存在电场,而且还存在磁场。
稳恒电流产生的磁场是不随时间变化的,称为稳恒磁场。
稳恒磁场和静电场是两种性质不同的场,但在研究方法上有很多相似的地方,下面我们来比较:静电场是相对于观察者为静止的带电体周围存在的电场。
电场是一种特殊形态的物质,其物质性一方面体现在它的带电体的作用力,以及带电体在电场中运动时电场力对带电体做功;另一方面体现在电场具有能量。
动量和电磁质量等物质的基本属性。
电场强度和电动势是描述电场特性的两个物理量。
高斯定理和场强环流定理是反应静电场和稳恒电场性质的基本规律。
在电场作用下,导体和电介质的电荷分布会发生变化,这种变化了的电荷分布又会反过来影响电场分布,最后达到平衡。
稳恒磁场就是稳定的电流周围的磁场。
稳恒电流的磁场真空中的磁场主要分为两部分:一是电流激发的磁场;二是磁场对电流的作用。
稳恒电流激发静磁场,磁场是电场的相对论效应,若空间不止一个运动电荷,则空间某点总磁感应强度等于各场源电荷单独在该点激发的磁感应强度的矢量和。
运动的电荷产生磁场。
性质根据静电场的高斯定理,静电场的电场线起于正电荷或无穷远,终止于负电荷或无穷远,故静电场是有源场.从安培环路定理来说它是一个无旋场.根据环量定理,静电场中环量恒等于零,表明静电场中沿任意闭合路径移动电荷,电场力所做的功都为零,因此静电场是保守场.根据库仑定律,两个点电荷之间的作用力跟它们的电荷量的乘积成正比,和它们距离的平方成反比,作用力的方向在它们的连线上,即F=kq1q2/r,其中q1、q2为两电荷的电荷量、k为静电力常量,约为9.0e+09牛顿米2/库2,r为两电荷中心点连线的距离。
注意,点电荷是当带电体的距离比它们的大小大得多时,带电体的形状和大小可以忽略不计的电荷.静电感应如果电场中存在导体,在电场力的作用下出现静电感应现象,使原静电场来中和的正、负电荷分离,出现在导体表面上。
静电场与稳恒磁场的对比浅析电磁学理论在现代物理学中占有重要的地位,它渗透到现代科学技术的各个领域,是许多学科和技术的理论基础。
而静电场和稳恒磁场是电磁学理论的两大重要组成部分,但这部分知识对学生来讲,是非常抽象的,要学好这部分内容,教师在讲授过程中要注意教学方法。
方法得当,学生就会激发学习的兴趣,收到很好的效果。
对有关大学物理教学改革方面的论文有很多,比如管薇写的关于工科大学物理教学改革[1]、张明霞浅谈大学物理教学改革[2]等等。
在本文,通过对静电场与稳恒磁场这两部分内容进行对比,再通过MATLAB程序模拟,有助于理解这两部分内容,让学生在学时少的情况下,很好的掌握这部分知识。
1 静电场与稳恒磁场物理量之间对比研究首先,从描述这两种场的某点性质和场强弱的物理量来进行对比。
描述静电场用电场强度矢量E和电位移矢量D,稳恒磁场用磁感应强度矢量B和磁场强度矢量H来描述。
D与E之间的关系和B与H之间的关系具有相似的公式,都可以用来表示,代表D或B,而代表E和H,在静电场中表示电介质的电容率,在稳恒磁场中表示磁介质的磁导率。
其次,这两种场的强弱还可以用电场线和磁感应线直观的观察到,众所周知,电磁学学习的难点在于对场的概念难以理解,这时我们讲授时可以利用MATLAB 强大的图形功能,使抽象的场的概念形象化,帮助学生理解这一问题。
在这里我们来模拟一下电偶极子电场线和等势线以及电流环产生的磁场分布。
(1)电偶极子的电场线和等势线,如图1所示。
(2)电流环产生的磁场分布,如图2所示。
从图1可以直观的看出:电场线是从正电荷出发,到负电荷终止,电场线密集的地方场强也比较强。
从图2可以看出电流环中心轴线的磁场强度方向向右,磁感线密集的地方场强强。
用这简单的模拟可以让学生直观的观察到,这样更能清晰的理解这两种场。
2 静电场和稳恒磁场相似的定理进行对比静电场和稳恒磁场都有高斯定理和环路定理,并且,有相似的表达式:静电场的高斯定理[3]:通过任意闭合曲面的电场强度通量,等于该闭合曲面所包含的电荷的电量除以,即∮,反映静电场是有源场。
电动⼒学判断题判断题第⼀章电磁现象的普遍规律1. ⽆论是稳恒磁场还是变化的磁场,磁感应强度总是⽆源的。
(√)2. ⽆论是静电场还是感应电场,都是⽆旋的。
(×)3. 在任何情况下电场总是有源⽆旋场。
(×)4. 在⽆电荷分布的区域内电场强度的散度总为零。
(√)5. 任何包围电荷的曲⾯都有电通量,但是散度只存在于有电荷分布的区域内。
(√)6. 电荷只直接激发其临近的场,⽽远处的场则是通过场本⾝的内部作⽤传递出去的。
(√)7. 稳恒传导电流的电流线总是闭合的。
(√)8. 在任何情况下传导电流总是闭合的。
(×)9. ⾮稳恒电流的电流线起⾃于正电荷减少的地⽅。
(√)10. 极化强度⽮量p 的⽮量线起⾃于正的极化电荷,终⽌于负的极化电荷。
(×)11. 均匀介质内部各点极化电荷为零,则该区域中⽆⾃由电荷分布。
(√)12. 在两介质的界⾯处,电场强度的切向分量总是连续的。
(√)13. 在两均匀介质分界⾯上电场强度的法向分量总是连续的。
(×)14. 在两介质的界⾯处,磁感应强度的法向分量总是连续的。
(√)15. ⽆论任何情况下,在两导电介质的界⾯处,电流线的法向分量总是连续的。
(×)16. 两不同介质表⾯的⾯极化电荷密度同时使电场强度和电位移⽮量沿界⾯的法向分量不连续。
(×)17. 电介质中,电位移⽮量D 的散度仅由⾃由电荷密度决定,⽽电场的散度则由⾃由电荷密度和束缚电荷密度共同决定。
(√)18. 两不同介质界⾯的⾯电流密度不改变磁场强度和磁感应强度的连续性。
(×)19. 关系式P E D +=0ε适⽤于各种介质。
(√)20. 静电场的能量密度为ρ?21。
(×) 21. 稳恒电流场中,电流线是闭合的。
( √ )22. 电介质中E D ε=的关系是普遍成⽴的。
( × )23. 跨过介质分界⾯两侧,电场强度E 的切向分量⼀定连续。