Bài giảng Trường điện từ - Chương 2: Trường điện tĩnh - Lương Hữu Tuấn
1. 1. Khái niệm chung
2. 2. Tính chất thế của trường điện tĩnh
3. 3. Phương trình Poisson-Laplace & ĐKB
4. 4. Vật liệu trong TĐt
4.1. Vật dẫn
4.1.1. Tính chất
4.1.2. Màn điện
4.1.3. Tụ điện
4.2. Điện môi
4.3. Hệ thống vật dẫn
Trang 1
Trang 2
Trang 3
Trang 4
Trang 5
Trang 6
Trang 7
Trang 8
Trang 9
Trang 10
Tải về để xem bản đầy đủ
Bạn đang xem 10 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Trường điện từ - Chương 2: Trường điện tĩnh - Lương Hữu Tuấn", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
Tóm tắt nội dung tài liệu: Bài giảng Trường điện từ - Chương 2: Trường điện tĩnh - Lương Hữu Tuấn
Qui ướcùùù : °hệ hữu hạn ϕ ∞ = 0 °hệ kỹ thuật ϕđất = 0 A A Edlϕ ∞ = ∫ B A B A Edlϕ ϕ− = ∫ Hệ hữu hạn : Định nghĩa : Hiệuäää thếááá điệnäää : 47 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n 2.3. Ví dụïïï 2: 4 r qC E i rpiε = ª một điện tích điểm: ª hệ điện tích điểm: 4 q r ϕ piε ⇒ = 4 k k k q r ϕ piε =∑ ª hệ điện tích phân bố: 4V dV R ρϕ piε = ∫ 4 dq R ϕ piε = ∫Tổng quát: R: khoảng cách từ dq đến P 8 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n Chương 2 : Trườngøøø điệnäää tĩnh 1. Kháiùùù niệmäää chung 2. Tính chấtááá thếááá củảûû trườngøøø điệnäää tĩnh 3. Phương trình Poisson-Laplace & ĐKB 3.1. Thiết lập phương trình 3.2. Điều kiện biên đối với ϕ 59 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n 3.1. Thiếtááá lậpäää phương trình ( )divD IIIρ = ª môi trường có ε = const : ( )div gradρ ε ϕ= − ( )Poissonϕ ρ ε∆ = − 0 ( )Laplaceϕ∆ = ª môi trường không có điện tích tự do (ptlh & đn thế) . ( ) . ( )div grad gtvtρ ε ϕ ε ϕ= − = − ∆ 10 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n ª Ví dụïïï D xE iε= 0( ) D x x Edx xεϕ = = −∫ ? ( )? ? const E x C ε ϕ = Do đối xứng : ( ) xD D x i= Do 0 dDdxdivD D const= = ⇒ = mà 0o UD D dd d U Edx dx d Dε ε ε= = = − ⇒ = −∫ ∫ 1 2( ) (0 ) q Sx x U Un D D i Di D C σσ = − = − = − ⇒ = = S Dùng htđ D như hình vẽ σ 1 2 611 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n ÔnÂÂÂ tậpäää ª tĩnh : 0, 0J t ∂ = = ∂ 4 0 gt A A dq R E grad rotE Edl piε ϕ ϕ ϕ = − = ⇒ = = ∫ ∫ divD ρ ϕ ρ ε= ⇒ ∆ = − ª thếááá vôâââ hướngùùù : ª tính TĐt : (đồng nhất) 12 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n 3.2. Điềuààà kiệnäää biênâââ đốiááá vớiùùù ϕ ... , n tn E E ϕ ϕ τ ∂ ∂ ∂ ∂= − = − ª Điều kiện biên đối với : 1 2 1 2... n n ϕ ϕε ε σ∂ ∂∂ ∂− + = 1 2 ... 0ϕ ϕτ τ ∂ ∂ ∂ ∂− + = ª Điều kiện liên tục của ϕ : 1 2... ϕ ϕ= ª Ví dụ : 2 ( ) 0dϕ = 1 2( ) ( )ϕ ϕ∆ = ∆ 1(0) Uϕ = 1 2 1 2 d d dx dx ϕ ϕε ε σ ∆ ∆ − = ª Điều kiện biên đối với :n ϕ∂ ∂ ϕ τ ∂ ∂ 713 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n Chương 2 : Trườngøøø điệnäää tĩnh 1. Kháiùùù niệmäää chung 2. Tính chấtááá thếááá củảûû trườngøøø điệnäää tĩnh 3. Phương trình Poisson-Laplace & ĐKB 4. Vậtäää liệuäää trong TĐt 4.1. Vật dẫn 4.1.1. Tính chất 4.1.2. Màn điện 4.1.3. Tụ điện 4.2. Điện môi 4.3. Hệ thống vật dẫn 14 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n 4.1.1. Tính chấtááá ... 0E = ª Trường điện trong vật dẫn ª Mật độ điện tích tự do trong vật dẫn ª Thế điện trong vật dẫn ª Trường điện trên mặt vật dẫn 0ρ = = ... constϕ = ... E nσε= btrong VD btrong VD btrong VD trên mặt VD 815 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n 4.1.2. Mànøøø điệnäää ª Màn điện được dùng để chắn nhiễu của trường ngoài ª Trong thực tế màn điện được thay bằng lưới kim loại màn điện 16 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n 4.1.3. Tụïïï điệnäää S DdS q=∫ ª Cảm ứng điện toàn phần ª Tụ điện ª Điện dung qC U = qC ϕ =Hệ cô lập : 0 ( 1& 2)A Bq q tc tc⇒ + = (Gauss điện) ,A B A Bq q q U ϕ ϕ= = − = − 917 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n Chương 2 : Trườngøøø điệnäää tĩnh 1. Kháiùùù niệmäää chung 2. Tính chấtááá thếááá củảûû trườngøøø điệnäää tĩnh 3. Phương trình Poisson-Laplace & ĐKB 4. Vậtäää liệuäää trong TĐt 4.1. Vật dẫn 4.2. Điện môi 4.3. Phân bố điện tích và thế điện của HTVD 18 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n 4.2. Điệnäää môiâââ trong TĐt lk divPρ = − ª Điện tích liên kết 1 2lk n nP Pσ = − + ª Ví dụ 0 0 1 1 1 1 4 4 4 4 lk lk V S V S dV dS dV dS r r r r piε piε piε piε ρ ρ σ σρ σϕ + += + = +∫ ∫ ∫ ∫ 0( )lk div Eρ ρ ε+ = 0( )div E Pρ ε= + 10 19 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n ÔnÂÂÂ tậpäää ª môâââ hình thếááá : 1 2 1 2 1 2 1 2, ,n n ϕ ϕ ϕ ϕ τ τ ϕ ρ ε ϕ ϕ ε ε σ∂ ∂ ∂ ∂∂ ∂ ∂ ∂ ∆ = − = − + = = 0, 0, ,E const E nσερ ϕ= = = = ª vậtäää dẫnããã : ª điệnäää môiâââ : 1 2 lk lk n n divP P P ρ σ = − = − + C q U= 20 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n 4.3. Phânâââ bốááá đ.tích & thếááá điệnäää củảûû htvd (tựïïï đọcïïï ) ' ' ' ' 1 1 1 1... ...n n n nq q q qϕ ϕ ϕ ϕ+ + = + +ª Định lý tương hỗ : ª Hệ số thế : ª Hệ số điện dung : ª Điện dung bộ phận : 1 1 ...k k kn nB q B qϕ = + + 1 1 ...k k kn nq A Aϕ ϕ= + + 1 1 0... ...k k k kk k kn knq C u C u C u= + + + + 1 1,..., , ,...,n nq q ϕ ϕtrạng thái 1 : 1 1,..., , ,...,n nq q ϕ ϕ′ ′ ′ ′trạng thái 2 : 11 21 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n Chương 2 : Trườngøøø điệnäää tĩnh 1. Kháiùùù niệmäää chung 2. Tính chấtááá thếááá củảûû trườngøøø điệnäää tĩnh 3. Phương trình Poisson-Laplace & ĐKB 4. Vậtäää liệuäää trong TĐt 5. Năngêêê lượngïïï trườngøøø điệnäää 5.1. theo vtơ cđộ TĐ & vtơ c.ứng điện 5.2. theo thế điện & mật độ điện tích 5.3. của hệ thống vật dẫn 21 1 2 2e V V W EDdV E dVε ∞ ∞ = =∫ ∫ 22 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n 1 2S S S′ = + 5.2. tính theo thếááá điệnäää & mậtäää độäää điệnäää tích 1 1 2 2 ' ... ( & )e S S VW DdS dV Divergence IIIϕ ϕρ ∞ ∞ + = − +∫ ∫ ... 0 S DdSϕ ∞ =∫ ' ... S S DdS dSϕ ϕσ= −∫ ∫ 1 1 2 2... e V S W dV dSρϕ σϕ= +∫ ∫ 1 1 2 2 .e V V W EDdV grad DdVϕ ∞ ∞ = = −∫ ∫ 12 23 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n 5.3. củảûû hệäää thốngááá vậtäää dẫnããã ª Hệ n vật dẫn : ρ = 0 1 1 1 2 2 2e V S S W dV dS dSρϕ σϕ σϕ= + =∫ ∫ ∫ 1 1 1 12 2... ...e n nW q qϕ ϕ= + + ª n = 1 : 2 21 1 12 2 2e Cq C W q C qϕ ϕ ϕ= ⇒ = = = ª n = 2 (cảm ứng điện toàn phần) : tụ 2 21 1 2 2... e CW CU Q= = 24 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n Chương 2 : Trườngøøø điệnäää tĩnh 1. Kháiùùù niệmäää chung 2. Tính chấtááá thếááá củảûû trườngøøø điệnäää tĩnh 3. Phương trình Poisson-Laplace & ĐKB 4. Vậtäää liệuäää trong TĐt 5. Năngêêê lượngïïï trườngøøø điệnäää 6. Lựcïïï điệnäää 6.1. Lực Coulomb 6.2. tính theo biểu thức năng lượng 13 25 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n 6.1. Lựcïïï Coulomb F qE= ª điện tích điểm F Edq= ∫ ª điện tích phân bố 26 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n 6.2. Lựcïïï tính theo biểuååå thứcùùù năngêêê lượngïïï (1) 1 n ng k k k dA dqϕ = =∑ ª Hệ n vật dẫn ª Phương pháp dịch chuyển ảo ... ng me edA dA dW= + Công do nguồn cung cấp : Đl. btoàn & ch.hóa nlượng : 1 n k k e k dq FdX dWϕ = = +∑ F : lực suy rộng (lực, momen, áp suất, ) X : tọa độ suy rộng (cdài, góc, thể tích, ) (pt cân bằng động) 14 27 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n ÔnÂÂÂ tậpäää ª năngêêê lượngïïï : ª lựcïïï : (htvd, dịch chuyển ảo) 21 1 1 1 2 2 2 2 1 n e k kV V S k W E dV dV dS qε ρϕ σϕ ϕ ∞ = = = + = ∑∫ ∫ ∫ 1 n k k e k dq FdX dWϕ = = +∑ F qE= 28 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n 6.2. Lựcïïï tính theo biểuååå thứcùùù năngêêê lượngïïï (2) 1 2... e ngFdX dW dA= = ª Các trường hợp đặc biệt : ° Quá trình đẳng thế ... eFdX dW= − Nhận xét : ° Quá trình đẳng tích ( )eW constXF ϕ∂ =∂= ° Nhận xét chung ( )eW q constXF ∂ =∂= − Nhận xét : 1 n k k e k dq FdX dWϕ = = +∑ (ptcbđ) (ptcbđ) 15 29 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n 6.2. Lựcïïï tính theo biểuååå thứcùùù năngêêê lượngïïï (3) S 2 0 0 21 2 edW SU dx dx d F ε = = = − ª Ví dụ (3.54) 1. đẳngúúú thếááá (ε0) 2. đẳngúúú tích (ε) 2 21 1 0 0 02 2 S e x W CU Uε= = 2 2 0 0 22 2 edW SU dx dx d F ε ε= = − = − 2 2 2 2 21 0 02 2 x S e C S d W q Uε ε= = dịch chuyển ảo : dịch chuyển ảo : 0 0 0 0 S dq C U Uε= = o 30 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n Chương 2 : Trườngøøø điệnäää tĩnh 3. Phương trình Poisson-Laplace & ĐKB 4. Vậtäää liệuäää trong TĐt 5. Năngêêê lượngïïï trườngøøø điệnäää 6. Lựcïïï điệnäää 7. Phương phápùùù tính TĐt 7.1. Tổng quan 7.2. Phương pháp xếp chồng 7.3. Phương pháp dùng định luật Gauss về điện 7.4. Phương pháp ảnh điện 7.5. Phương pháp giải trực tiếp phương trình thế 16 31 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n 7.1. Tổngååå quan ª phương pháp xếp chồng ª phương pháp dùng định luật Gauss về điện ª phương pháp ảnh điện ª phương pháp giải trực tiếp phương trình Poisson ª phương pháp biến hình bảo giác ª phương pháp lưới đường sức điện - mặt đẳng thế ª phương pháp số 32 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n 7.2. Phương phápùùù xếpááá chồngààà (1) 2 2 ( ) .2 4 4 4C dl QP a R R a z λ λϕ pi piε piε piε = = = + ∫ ª ví dụ 1 2 2 34 ( )z z z d QzE Ei i i dz a z ϕ piε = = − = + Do đối xứng : : ? ?P Eϕ P đều 17 33 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n 7.2. Phương phápùùù xếpááá chồngààà (2) 2 ( ) 4 4 4 Q Q Q r r r r rpiε piε piε ϕ − ++ −− −= + cosr r MN s θ− +− 2 cos 4 Qs r θ piε ϕ = 34 ... (2cos sin )Qs rr E i iθpiε θ θ= + ª ví dụ 2 r+ r− r O P M N r >> s (C) 34 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n 7.2. Phương phápùùù xếpááá chồngààà (3) 18 35 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n 7.3. Phương phápùùù dùngøøø đ.luậtäää Gauss vềààà điệnäää ª Tổngååå quan ª Ví dụïïï vềààà đốiááá xứngùùù cầuààà ª Ví dụïïï vềààà đốiááá xứngùùù trụïïï 36 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n ª Tổngååå quan * S DdS q=∫ ª Phạmïïï vi sửûûû dụngïïï : đối xứng cầu, trụ hoặc phẳng ª Kếtááá quảûûû : ° đối xứng cầu ° đối xứng trụ ° đối xứng phẳng * .D S q= * . tD S q= ,D dS D const= ,D dS D const= D dS⊥ ,D dS D const= D dS⊥ S : St : Sđ : Sb : Sđ : D.Sđ = q* S = 4pir2 St = 2pir.L Sđ = Sđ1 + Sđ2 = 2S0 19 37 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n ª Ví dụïïï vềààà đốiááá xứngùùù cầuààà * .D S q= 0 , ?constρ ϕ= ° miền ngoài (r > a) : 2 34 1 0 34E r aε pi ρ pi= 3 0 21 3 a rr E iρ ε = 3 0 1 1 3 a r r r Edr E dr ρ εϕ ∞ ∞ = = =∫ ∫ ° miền trong (r < a) : 2 34 2 0 34E r rε pi ρ pi= 0 2 3 r r E iρε= 2 2 1 a r r a Edr E dr E drϕ ∞ ∞= = +∫ ∫ ∫ ρ0 2 2 0 0 2 2 6 a rρ ρ ε εϕ = − C : do đối xứng ( ). rE E r i= (đối xứng cầu) 38 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n ª Ví dụïïï vềààà đốiááá xứngùùù trụïïï * . tD S q= .2 . .E r L Lε pi λ= 2 r E i r λ piε = ° trục mang điện : ° 2 trục mang điện ± λ (gốc thế ở mặt trung trực) : 2 ln Arλpiεϕ = ... ln 2 r r λϕ piε − + = T : do đối xứng ( ). rE E r i= (đối xứng trụ) 20 39 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n 7.4. Phương phápùùù ảnhûûû điệnäää ª Nguyênâââ tắcééé ª Phânâââ cáchùùù phẳngúúú điệnäää môiâââ - vậtäää dẫnããã ª Phânâââ cáchùùù cầuààà điệnäää môiâââ - vậtäää dẫnããã ª Phânâââ cáchùùù phẳngúúú điệnäää môiâââ - điệnäää môiâââ 40 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n ª Nguyênâââ tắcééé ª Loại trừ ảnh hưởng của điện tích cảm ứng, điện tích liên kết ª Nguyên tắc : ° Bước 1 : đồng nhất toàn bộ không gian ° Bước 2 : duy trì điều kiện biên Định lý duy nhất nghiệm : nghiệm không thay đổi 21 41 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n ª Phânâââ cáchùùù phẳngúúú điệnäää môiâââ - vậtäää dẫnããã (1) 42 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n ª Phânâââ cáchùùù phẳngúúú điệnäää môiâââ - vậtäää dẫnããã (2) 22 43 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n ª Phânâââ cáchùùù cầuààà điệnäää môiâââ - vậtäää dẫnããã (1) 3 1 2 '0 ( ) 4 4 Q QP r r ϕ piε piε − = = + 2 2 1 2 2 2 2 cos ' 2 cos rQ D a Da Q r b a ba θ θ θ + + = = ∀ + + 2 ... , ' a Qab Q D D = = 2 2 2 2D a b a Da ba + + = 44 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n ª Phânâââ cáchùùù cầuààà điệnäää môiâââ - vậtäää dẫnããã (2) 23 45 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n ª Phânâââ cáchùùù phẳngúúú điệnäää môiâââ - điệnäää môiâââ (1) 1 2 1 2 0(1) 0 n n t t D D E E σ− = = − = 1 2 21 4 4 .sin .sinqqn r rD pi piα α= − + 2 22 4 .sinqn rD pi α= − 1 2 2 1 1 1 4 4 .cos .cos qq t r r E piε piε α α= − − 2 2 2 2 4 .cos q t r E piε α= − 1 2 2 1 2 1 2 2 1 2(1) ... ,q q q qε ε εε ε ε ε−+ +⇒ = = 46 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n ª Phânâââ cáchùùù phẳngúúú điệnäää môiâââ - điệnäää môiâââ (2) 24 47 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n 7.5. Phương phápùùù giảiûûû trựcïïï tiếpááá phtrình thếááá (1) ª Thế là hàm một biến ª Thế là hàm đa biến : phương pháp phân ly biến số ° Bước 1 : tách biến ° Bước 2 : tách phương trình ° Bước 3 : tính các thông số dựa vào ĐKB & t.chất b.toán 48 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n 7.5. Phương phápùùù giảiûûû trựcïïï tiếpááá phtrình thếááá (2) ª Táchùùù biếnááá : ª Tính chấtááá củảûû bàiøøø toánùùù ª Táchùùù phương trình : ( , ) ( ). ( )r R rϕ ϕ φ φ= = Φ 2 2 2 1 10 ( ) r r r r r ϕ ϕ φϕ ∂ ∂∂ ∂ ∂ ∂= ∆ = + 2 2 10 ( )d dR drR dr dr dr φΦΦ= + 0 2 2 2 0 21 ( ) cos sin d dRr N R dr dr r d d r n R M r n A n B nφ φ φΦΦ = = + ⇒ = − Φ = + 1 2 1 1 2 2 2 ( , ) ( , ) 0 ( ) cos ( , ) 0 1 ( )cos N r N r r r B M r r n M rpi ϕ φ ϕ φ ϕ φ ϕ ϕ φ = − = = + ⇒ ⇒ ± = = = + Nhân cho r2/RΦ : 25 49 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n 7.5. Phương phápùùù giảiûûû trựcïïï tiếpááá phtrình thếááá (3) ª Đkb 1 2 1 1 2 2 ( )cos ( ) cos N r N r M r M r ϕ φ ϕ φ = + = + 1 1 2 0 2 0 ( 0) 0 0 ...( ) x r N E r E i M E ϕ → = = ⇒ → ∞ = = − 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 1 2 1 0 2 1 2 2 0 ( , ) ( , ) ... r r r a r a a a M E N E a ε ε ε ϕ ϕ ε ε ε ε ϕ φ ϕ φ ε ε + ∂ ∂ − ∂ ∂ + = = = = − ⇒ = = 2 2 1 2 1 2 21 2 21 2 2 2 1 0 0 2 0 cos ( 1 ) cosa r E r E x E r ε ε ε ε ε ε ε ε ε ε ϕ φ ϕ φ + + − + = − = − = − + 21 2 21 2 21 2 21 2 2 0 2 0 (1 ) cos ( 1 ) sin a r r a r E E E E ε ε ε ε ε ε φ ε ε φ φ − + − + = + = − + 2 1 2 2 1 0 2 2 2 x r r E E i E E i E i ε ε ε φ φ + = = + ª Kquảûûû 50 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n 7.5. Phương phápùùù giảiûûû trựcïïï tiếpááá phtrình thếááá (4) 26 51 © TS . Lư ơ n g H ữ u Tu ấ n Tómùùù tắtééé chương 2 1. Kháiùùù niệmäää chung 2. Tính chấtááá thếááá củảûû trườngøøø điệnäää tĩnh 3. Phương trình Poisson-Laplace & ĐKB 4. Vậtäää liệuäää trong TĐ tĩnh 5. Năngêêê lượngïïï trườngøøø điệnäää 6. Lựcïïï điệnäää 7. Phương phápùùù tính TĐ tĩnh
File đính kèm:
- bai_giang_truong_dien_tu_chuong_2_truong_dien_tinh_luong_huu.pdf