E Qr 4 0 r 3 . (r a) (1.11) 若r<a,则球面所围电荷为 4 3 r3 4 3 r3 Q 4 a3 / 3 Qr 3 a3 应用高斯定理得 E S dS 4r 2E Qr3 0a3 由此得, Qr E 40a3 . (r a) (1.12) 现在计算电场的散度。当r>a时E应取(1.11)式,在这个 区域 r≠0,由直接计算可得 例:电荷Q均匀分布于半径为a的球体内,求各点的电场强度, 并由此直接计算电场强度的散度。 解:作半径为r的球(与电荷球体同心)。由对称性,在球面上 各点的电场强度有相同的数值E,并沿径向。当r>a时,球面 所围的总电荷为Q,由高斯定理得 E dS 4r 2E QFra Baidu bibliotek S 0 因而, E Q 4 0 r 2 写成矢量式得 高斯定理是讨论闭合曲面上电场强度E的通量。在点电荷 场中,设 S 表示包围着点电荷 Q 的一个闭合面,dS 为S 上的定向面元,以外法线方向为正。 1Q E dS S S 4 0 r3 r dS S 1 4 0 Qr cos r3 dS 1 Q cos S 4 0 r 2 dS dS θE r dS Q d S 1 QdS 1 1 E dS r r3 0, (r 0) 因而, Qr E 40 r3 0. (r a) 当r<a时E 应取(1.12)式,由直接计算得 E Q 4 0 a3 r r3 1.电场:电荷周围的空间存在着一种特殊的物质,称为电场。 两个电荷之间的相互作用力本质上是电荷激发的电场对另一 个电荷施加作用力。 2.电场强度:我们用一个单位试验电荷在场中所受的力来定义 电荷在点 x 上的电场强度 E 。 E F/q (1.2) 由库仑定律,一个静止电荷Q所激发的电场强度为 E Qr 4 0 r 3 第一节 电荷和电场 一、库仑定律(Coulomb’s law ) 库仑定律是静电现象的基本实验定律。是描写真空 中两个静止的点电荷 Q 和 Q’ 之间相互作用力的定律。 其中 Q 受到的作用力为: F QQ 4 0 r 3 r (1.1) z q' r x q 式中 r x x x 表示q’ 到q的径矢。 o y x 注意: 库仑定律只是从现象上给出两电荷之间作用力的大 E dl 0 (1.9) L 即: LE dl S E(x) dS 0 则由面积元的任意性得 E( x) 0 (1.10) 这就证明了静电场的无旋性。实践证明,无旋性只在静电场 的情况下成立。 小结: (1.8)和(1.10)给出了静电场的散度和旋度,它们表示电荷 激发电场以及电场内部联系的规律性,是静电场的基本规 律。它们反映的物理图像是:电荷是电场的源,电场线从 正电荷发出而终止于负电荷,在自由空间中电场线连续通 过;在静电情形下电场没有旋涡状结构。 穿入的情况。从物理上说, 因为E是由封闭面S内、外所有电 荷激发的场强的矢量和。 讨论: a.当区域内有多个点电荷时 E S dS 1 0 Qi i b.当区域内电荷连续分布时 (1.6’) E dS 1 dV S 0 V (1.7) ——这就是高斯定理的积分形式。 结论:闭合面的E通量与V 外的电荷分布无关。 注意积分区域 S 和V 的对应关系。 第一章 电磁现象的普遍规律 Universal Law of Electromagnetic Phenomenon 主要内容: 本章重点:从特殊到一般,由一些重要的实验定律及一些 假设总结出麦克斯韦方程。 本章难点:电磁场的边值关系、电磁场能量。 主要内容: 讨论几个定律,总结出静电场、静磁场方程; 找出问题,提出假设,总结真空中麦氏方程; 讨论介质电磁性质,得出介质中麦氏方程; 给出求解麦氏方程的边值关系; 引入电磁场能量、能流并讨论电磁能量的传输。 S S 4 0 r2 Qd Q d S 4 0 4 0 S 所以: E dS Q S 0 如果点电荷 Q 在 S 面外,则 (1.6) SE dS 0 需要说明的是,当封闭曲面S内的总电荷Q=0时, E dS 0 S 但不能由此得出S面上各点的场强 E 0 的结论。从数学上 说, E dS 0 是总通量为零,有可能是场线既有穿出又有 S 2.电场的散度(divergence of electrostatic field) 将高斯公式: E dS EdV 代入(1.7)式得: S V EdV 1 dV V 0 V 当积分区域无限缩小,直至只包围一点时,上式等价于: EdV 1 dV 所以 E ( x ) 0 ( x ) (1.8) 这就是高斯定理的微分形式。0 它是电场的一个微分方程。 上式指出:电荷是电场的源,电场线从正电荷发出而终止 于负电荷。在没有电荷的地方,电场线是连续的。 式(1.8)还反映了电荷对电场作用的局域性质:空间某点 邻域上场的散度只和该点上的电荷密度有关,而和其他地 点的电荷分布无关。电荷只直接激发其邻近的场,而远处 的场则是通过场本身的内部作用传递出去的。 四、静电场的旋度 (1.3) 3. 电场具有叠加性。即多个电 荷所激发的电场等于每个电荷 所激发的电场的矢量和。 a.电荷不连续分布时,总电场 强度是: E Qiri i 40ri3 (1.4) b.电荷连续分布在某一区域内时, P点电场强度为 E ( x)r 4 0 r 3 dV (1.5) 三、高斯定理和电场的散度 1.高斯定理(Gauss’ theorem) 要确定一个矢量场,还需要给出其旋度。 计算一个点电荷Q所激发的电场E对任一闭合回路L的 环量,由库仑定理得 E dl Q r dl L 4 0 L r 3 设dl与r的夹角为θ,上式最终 为 E dl Q L 4 0 dr L r2 Q d 1 4 0 L r 右边被积函数是一个全微分。 沿L回路积分为零。所以: 小和方向。有如下两种物理解释: 1. 两电荷之间的作用力是超距作用,即一个电荷把 作用力直接施加于另一电荷上; 2. 相互作用是通过电场来传递的,而不是直接的超 距作用。 结论: a.静电时,两种描述是等价的。 b.在运动电荷时,特别是在电荷发生迅变时,实践 证明通过场来传递相互作用的观点是正确的。 二、电场和电场强度 Electric Field and its intensity