电磁场镜像法幻灯片.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2.4,镜 象 法,Method of images,1,根据前面的讨论知道：在所考虑的区域内没有自由电荷分布时，可用,Laplaces equation,求解场分布；在所考虑的区域内有自由电荷分布时，用,Poissons equation,求解场分布。,如果在所考虑的区域内只有一个或者几个点电荷，区域边界是导体或介质界面，这类问题又如何求解？这就是本节主要研究的：解决这类问题的一种特殊方法,称为镜象法。,2,1,、镜象法的基本问题,在点电荷附近有导体或介质存在时，空间的静电场是由点电荷和导体的感应电荷或介质的束缚电荷共同产生的。,在所求的场空间中，导体的感应电荷或介质的极化电荷对场点而言能否用场空间以外的区域（导体或介质内部）某个或几个假想的电荷来代替呢？,光学成像理论给我们的启发：当我们把,点电荷作为物,，把导体或介质界面作为面镜，那么,导体的感应电荷或介质的极化电荷就可作为我们所说的象,，然后把,物和象在场点处的贡献迭加,起来，就是我们讨论的结果。,3,2,、,镜象法的理论基础,镜象法的理论基础是唯一性定理。其实质是在所研究的场域外的适当地方，用实际上不存在的“象电荷”来代替真实的导体感应电荷或介质的极化电荷对场点的作用。在代替的时候，必须保证原有的场方程、边界条件不变，而象电荷的大小以及所外的位置由,Poissons equation or Laplaces equation,和边界条件决定。,这里要注意几点：,a),唯一性定理要求所求电势必须满足原有电荷分布所满足的,Poissons equation or Laplaces equation,，即,所研究空间的泊松方程不能被改变（即自由点电荷位置、大小不能变）。,因此，,做替代时，假想电荷必须放在所求区域之外。,在唯一性定理保证下，采用试探解，只要保证解满足泊松方程及边界条件即是正确解。,4,b),由于象电荷代替了真实的感应电荷或极化电荷的作用，因此放置象电荷后，就认为原来的真实的导体或介质界面不存在。也就是把整个空间看成是无界的均匀空间。并且其介电常数应是所研究场域的介电常数。（实际是通过边界条件来确定假想电荷的大小和位置）。,c),一旦用了假想（等效）电荷，不再考虑原来的电荷分布。,d),象电荷是虚构的，它只在产生电场方面与真实的感应电荷或极化电荷有等效作用。而其电量并不一定与真实的感应电荷或真实的极化电荷相等，不过在某些问题中，它们却恰好相等。,e),镜象法所适应的范围是：所求区域有少许几个点电荷，它产生的感应电荷一般可以用假想点电荷代替；导体或介质的边界面必是简单的规则的几何面（球面、柱面、平面）。,5,3,、镜象法的具体应用,用镜象法解题大致可按以下步骤进行：,a),正确写出电势应满足的微分方程及给定的边界条件；（,坐标系选择仍然根据边界形状来定）,b),根据给定的边界条件计算象电荷的电量和所在位置；,c),由已知电荷及象电荷写出势的解析形式；,d),根据需要要求出场强、电荷分布以及电场作用力、电容等。,镜像法往往比分离变量法简单，但它只能用于一些特殊的边界情况。,6,点电荷与平面导体,(a),Q,(b),Q,(c),Q,点电荷与球形导体,Q,o,(d),(e),o,Q,点电荷的镜,像,7,各种简单边界的组合作为边界,(c),Q,(a),Q,(b),Q,8,线电荷与平面导体,(a),(b),(c),线电荷与圆柱形导体,o,(a),(b),o,线电荷的镜,像,9,导体上的感应电荷密度为：,（,1,）镜,像,电荷与导体上的感应电荷不一定相等。,（,2,）由镜,像,法求出电势分布以后，由上式可求感应,平面与圆柱形边界的组合作为边界,电荷,(a),(b),(c),10,电偶极子的镜,像,(b),(a),p,(c),p,p,(d),p,o,(e),p,(f),o,p,注意：,镜,像电荷的位置由边界形状决定，与电量及界面性质无关。,11,应用举例,接地无限大平面导体板附近有一点电荷，求空间电势。,解：根据唯一性定理左半空间,右半空间，,Q,在（,0,，,0,，,a,）点，,电势满足泊松方程。,边界上,设电量为,，,位置为（,0,，,0,，,）,从物理问题的对称性和边界条件考虑，设想在导体板,左,与电荷,Q,对称的位置上放一个假想电荷,Q,，然后把板抽去。这样，没有改变所考虑空间的电荷分布（即没有改变电势服从的泊松方程）,Q,Q,/,z,P,r,r,a,12,由边界条件确定,和,、,唯一解是,因为象电荷在左半空间，所以舍去正号 解,讨论：,（,a,）导体面上感应电荷分布,13,（,b,）电荷,Q,产生的电场的电力线全部终止在导体面上,它与无导体时，两个等量异号电荷产生的电场在,右半空间完全相同。,（,c,）,与 位置对于导体板镜象对称，故这种方法称,为镜象法（又称电象法）,（,d,）导体对电荷,Q,的作用力相当两点电荷间的作用力,14,导体板上部空间的电场可以看作原电荷与镜象电荷共同激发的电场。场点,P,的电势,导体板上的感应电荷确实可以用板下方一个假想电荷,Q,代替。,可以看出，引入象电荷取代感应电荷，的确是一种求解泊松方程的简洁方法。,15,镜像法所解决的问题中最常见的是导体表面作为边界的情况，但也可用于绝缘介质分界面的场问题。,例,2,设电容率分别为,1,和,2,的两种均匀介质，以无限大平面为界。在介质,1,中有一点电荷,Q,，求空间电势分布。,解：,先考虑,介质,1,中的,电势，设想将下半空间换成与上半空间一样，并在,z=-a,处有,Q,的像电荷,Q,来代替分界面上极化电荷对上半空间场的影响。则,在,Z,0,的区域，空间一点的电势为,Q,介质,1,介质,2,a,-,a,Q,z,x,(1),16,再考虑介质,2,中的电势,2,，这时我们不能用上面的像电荷,Q,来计算,2,区域内的电势。这是因为，按照电像法，,像电荷必须在所考虑的区域之外,。,所以，我们现在把在,2,区域外的电荷,Q,及其引起的极化电荷合起来，用,2,区域外的一个像电荷,Q,来统一考虑。设,z0,上半空间的介质,1,全部换为介质,2,，并在,z=b,处有一电荷,Q,，则,z,R,0,处有一点电荷,Q,，求空间各点电势。,球坐标系,P,R,O,Z,Q,Q,/,r,r,21,（,2,）由边界条件确定,和,设,P,R,0,O,Z,因 任意的,解得,22,，,Q,发出的电力线一部分会聚到导体球面上，剩余传到无穷远。,（,3,）讨论,：,23,球面感应电荷分布,导体球接地后，感应电荷总量不为零，可认为电荷,移到地中去了。,24,总感应电荷为,即感应电荷的大小等于象电荷,Q,的大小。,也可以这样证明：,根据,Gauss,定理，对球作,Gauss,面，即,a,Q,R,o,Q,感,b,Q,25,式中的 是象电荷,Q,和真实电荷,Q,共同产生的，即,故,Q,感,=,Q,即感应电荷的电量,Q,感,等于象电荷的电量,Q,。,26,根据上述例子，作如下几点讨论：,a),导体球既不接地又不带电,这种情况与,本例,的差别仅在于边界条件，这里,导体球不带电，即要求满足电中性条件,显然，例,3,的解不满足电中性的条件，如果在球内再添置一个象电荷,，则满足电中性条,27,件，为了不破坏导体是等位体的条件，由对称性知道，,Q,必须放在球心处，于是,再由,28,得到,b),导体球不带电其电势为,U,0,这种情况与,例,3,的差别仍然在边界条件，这里,U,0,是已知常数，导体球的电势为,U,0,，相当于在球心处放置了电量为 的点电荷，显然，其解为,29,由,得到,c),若点电荷,Q,在导体球壳内距球心,a,处,这时与,例,3,的情况相比，仅是源电荷的位置由球,30,外搬进到球内。此时，接地球壳外无场强，场的区域在球内。故可根据光路可逆性原理来解释：球内的电势等于源电荷,Q,和球面上的感应电荷（球壳内表面）,象电荷,Q,（在球外 处）产生的电势：,这里要注意：,象电荷的电量,Q,大于源电荷的电量,Q,，球壳内的电势与导体球壳是否接地、是否带电无关。,31,d),若导体球带电,q,但不接地,这种情况的物理模型为：,则球心有电荷（,q,-,Q,),，则,P,点的电势为,R,o,b,Q,a,Q,x,r,r,P,q,-,Q,32,由 得到,33,顺便计算导体对点电荷,Q,的作用力：,此时，源电荷,Q,所受到的作用力来自球面上的电荷，即,从而得到,34,当,a,R,0,，即近似为两点电荷作用，作用力为排斥力；,当,Q,靠近球面时，此时不论,q,与,Q,是否同号，作用力永远为引力，这可由在,Q,附近的感应电荷与其反号来解释。,就是,Q,与,Q,及位于球心处的等效电荷,q+Q,的作用力之和。,35,4.,均匀场中的导体球所产生的电势,由于静电屏蔽，,场区域只能在球外。,Solution:,本题的物理图象是在原有的均匀电场 中放置一中性导体球。此时导体球上的感应电荷也要在空间激发场，故使原来的场空间电场发生了变化，如图所示。由此可见，球外空间任一点的场将是一个均匀场和一个球体感应电荷等效的偶极子的场的迭加。,R,0,-,-,-,-,-,-,+,+,+,+,+,+,36,第一步：,用两个点电荷,Q,激发一均匀场,点电荷,Q,放在对称轴,z,=,a,处，,a,很大，,Q,也很大，在坐标原点附近的区域内。,第二步：,将一中性导体球放在均匀场中,+Q,-Q,z,a,a,o,37,这样一来，,Q,相当于两个场源电荷，球面上将出现感应电荷，由象电荷来代替它，即,此时,+,Q,在球面上感应的电量为 ，,-,Q,在球面上感应电量为 ，这仍然保持导体球为电中性（不管导体球接地与否）。根据唯一性定理，导体球外的,+Q,-,Q,z,a,a,R,0,b,b,o,38,电势就是这四个点电荷分别在某点产生的电势的迭加，即,因为,a,R,，,则选 略去 和,39,即,又因为,皆为小量，应用展开式,40,则有,41,第一项恰好等于原均匀场以,o,点为参考点电势。第二项恰好等于位于,o,点的电偶极矩为 的电偶极子的电势。,原点附近像电荷代替感应电荷所产生的电偶极矩,42,5.,半径为,R,0,电容率为,的介质球置于均匀外电场,E,0,中,，求电势分布。,解：,设,均匀电场,E,0,方向为,Z,轴正方向，则,E,0,可看成是由,Z,轴上两个等量异号电荷激发,，一是位于,z,=-,处的正电荷,Q,，一是位于,z,=+,处的负电荷,-,Q,。这一对正负电荷的镜像电荷正好组成一个电偶极子位于坐标原点，所以，求球外空间的电势,1,时，可用原点处的电,偶极子,p,代替极化电荷的作用。,(1),43,求球内空间的电势,2,时，可以认为介质,充满整个空间，,极化电荷的作用用,z,=,处的点电荷,Q,代替。这一对,等量异号电荷与激发,E,0,的点电荷,Q,处于同一位置，设,总电量,为,kQ,，则激发的电场为,k,E,0,，电势为,(2),在介质球面上（,R=R,0,），满足,(3),(4),由,(3),可得：,(5),44,由,(4),可得：,(6),联立,(5),、,(6),解得：,所以，,与课本,P49,例,2,结果完全相同，但计算量小得多。,45,思考：,如果将介质球换成导体球，,结果如何？,导体球表面上的感应电荷同样可用球心处的电偶极子,p,代替。,(1),(1),式在球面上（,R=R,0,），满足,(2),由,(2),解得：,(3),代入,(1),式得：,与课本,p.51,例,3,结果完全相同。但计算量很小。,46,6,有一点电荷 位于两个互相垂直的半无限大接地导体板所围成的直角空间内，它到两个平面的距离为,a,和,b,，求空间的电势。,假想电荷应在第,I,象限之外。,要保证互相垂直的两个接地导体板的电势同时为零，应当放几个电荷？,解：（,1,）分析：,Q,（,-a,-b,0,）,-Q,（,a,-b,0,）,x,y,O,Q,（,a,b,0,）,-Q,（,-a,b,0,）,47,（,2,）电势分布,放在 处用镜象法求解的条件是什么？,（,3,）若两平面夹角,像电荷数,S,2,S,1,Q,48,