穩恆電場

穩恆電場

穩恆電場(steady electric field)就是不隨時間變化的電場。在穩恆情況下,一切物理量都不隨時間變化,電荷分布當然也是如此。從這個意義上說,穩恆電場同靜電場相同,靜電場所遵從的基本規律(高斯定理和安培環路定理)在穩恆電場中仍然成立。但是靜電場除了要求電荷分布不隨時間變化外,還要求電荷不流動。

穩恆磁場

靜電場中導體內部場強處處為零,導體的電位處處相等,且在導體表面外附近,電場同導體表面垂直;此外,靜電場中沒有電流,不存在電流產生的磁場,即靜電場與磁場沒有必然的聯繫。穩恆電場只要求電荷分布不隨時間變化,允許導體中存在不隨時間變化的電流。因此,穩恆電場中導體內部的電場強度可以不為零,導體內兩點之間可以有電位差,在導體表面外附近,電場同導體表面一般不垂直;此外,穩恆電場總是伴隨著穩恆磁場。

非靜電力

在穩恆電場作用下,導體內部自由電荷作穩恆流動,形成穩恆電流場,流入任意區域的電流等於流出該區域的電流,即對任意封閉曲面 S,電流密度 J的總通量為零 ,

或電流密度 J的散度恆為零 ,

此式稱為電流的穩恆條件。

穩恆條件

由此可得出穩恆電流場的電流線(即這樣一些曲線,曲線上每一點的切線方向都同該點的電流密度 J的方向一致)必定是閉合曲線。然而導體中電荷的流動必定造成能量的耗散,僅有穩恆電場不可能維持電流線的閉合性。因此,要維持穩恆電流,必須有非靜電力的作用。提供非靜電力的裝置是電源,它把其他形式的能量轉換為電能以維持電荷的穩恆流動。穩恆電流是在電場力和電源提供的非靜電力共同作用下形成的。以 K表示作用在單位正電荷上的非靜電力,普遍的歐姆定律微分形式應在歐姆定律微分形式 JE 中加上非靜電力的貢獻,即成為 ,

式中σ為導體的電導率。在電源的外部, K=0,只有電場,上式化為 JE;在電源的內部,除了存在電場之外,還有非靜電力 KK的方向同 E的方向相反。當電源與用電器相連線時,在電源內部,非靜電力克服電場力的反作用,將正電荷由電源的負極移動到正極,消耗電源所貯存的能量,提高電荷的電勢能;而在電源外的電路中,電場力的作用使正電荷由正極回到負極,其電勢能降低,轉化為電路中耗散的熱和其他形式的能量。在整個路程中,電流形成閉合循環。

穩恆電流不會造成電荷的累積,而且均勻導體內部沒有淨電荷,電荷只能分布在導體的表面以及導體中電導率不均勻的地方,並且不隨時間改變,它們是激發穩恆電場的源。因此穩恆電流、電荷分布以及穩恆電場是相互制約的。

基本公式  在穩恆情況下,電場和電流滿足的方程為

高斯定理 ,

環路定理  ,

穩恆條件  ,

描述電介質性質的方程  ,

環路定理說明存在電位 嗞,引入。

在均勻導體中,不存在非靜電力( K=0)的區域內,電位滿足拉普拉斯方程 。

在界面上(忽略接觸電位差),電位滿足的邊界條件是:①電位函式連續, 嗞1= 嗞2;②電流密度的法向分量連續,即。當電介質的分布及非靜電力給定時,可根據以上方程確定穩恆電場和電流的分布。

拉普拉斯方程

穩恆電流場的電位同靜電場的電位滿足相同的拉普拉斯方程(見泊松方程和拉普拉斯方程),當它們具有相似的邊界時,方程的解是相似的。因此可用穩恆電流場模擬靜電場,這是實驗研究靜電場的常用方法。

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