电荷
- 分为+,-两种属性
- 量子化,元电荷e≈1.6×10−19C
- 电荷量守恒
电荷的形态
点电荷:电荷大小q
线电荷:电荷线密度ρl=limΔl→0ΔlΔq
面电荷:电荷面密度ρs=limΔS→0ΔSΔq
体电荷:电荷体密度ρv=limΔV→0ΔVΔq
ΔV:“宏观小,微观大”
点电荷的密度
ρ(r)=qδ(r−r0)={∞0r=r0r=r0
考虑均匀的带电小球
ρ(r)={4/3⋅πR3q0r∈Vr∈/V
那么点电荷密度就等于
ρ(r)=R→0limρR(x)=qδ(x−x0)
δ函数具有下面的性质
∫Vδ(x−x0)dx={10x0∈Vx0∈/V∫Vf(x)δ(x−x0)dx=f(x0) x0∈V
电流
线电流:
∣I∣=Δt→0limΔtΔQ
(经过某一点的电流)
面电流:
∣JS∣=Δl→0limΔL1Δt→0limΔtΔQ
(面的电流密度)
体电流:
∣JV∣=ΔS→0limΔS1Δt→0limΔtΔQ
电荷与电流的关系
- J=ρv(v是电荷的运动速度)
- ∇⋅J+∂t∂ρ=0(电荷守恒)(电流连续性方程)
静电场Coulomb定律
静电力:
F=4πϵ01r3q1q2r
Q在x处产生的电场:
E(x)=4πϵ01r3qr
叠加原理:
E=i∑Ei
推广到连续分布电荷:
E(r)=4πϵ01∫V∣r−r′∣3ρ(r′)(r−r′)dV′
Biot-Savart定律
稳恒电流场:
∂t∂J=0,∇⋅J=0
磁感应强度:
B(r)=4πμ0∫∣r−r′∣3J(r′)×(r−r′)dV′
磁场力:
F=qv×B
线电流源:
dF=I×Bdl
体电流源:
dF=J×BdV
Lorentz力:电场力+磁场力
点电荷
F=qE+qv×B
体元:
dF=ρEdV+J×BdV
Maxwell方程组
静电场的散度
∇⋅E=4πϵ01∇⋅∫V∣r∣3ρ(r′)rdV′=4πϵ01∫V∇⋅∣r∣3ρ(r′)rdV′=4πϵ01∫Vρ(r′)∇⋅∣r∣3rdV′
根据 Gauss 定理
∫V∇⋅dV=∮SE⋅dS=4πϵ01∫S[∫Vρ(r′)∣r∣3rdV′]dS
考虑一个点电荷的情况
E=4πϵ01r3qr
∮SE⋅dS=4πϵ0q∮Sr3r⋅dS=4πϵ0q∮Sr2r^dS=4πϵ0q∮sdΩ=4πϵ0q4π=ϵ0q
q位于S外的时候
∮SE⋅dS=0
多个电荷的情况
∮SE⋅dS=i∑ϵ0qi
这里要求qi在积分面内
对于连续分布电荷
∮SE⋅dS=ϵ01∫Vρ(r′)dV′∫V∇⋅EdV=ϵ01∫Vρ(r′)dV′∇⋅E=ϵ0ρ
对于点电荷:
E=4πϵ01r3qr,ρ(x)=qδ(x−x′)4πϵ0q∇⋅r3r=qδ(x−x′)∇⋅r3r=4πδ(r)
∇⋅E=4πϵ01∇⋅∫V∣r∣3ρ(r′)rdV′=4πϵ01∫V∇⋅∣r∣3ρ(r′)rdV′=4πϵ04π∫Vρ(r′)δ(x−x′)dV′=ϵ0ρ(x)
静电场的旋度
考虑点电荷
E=4πϵ01r3qr
∮lE⋅dl=4πϵ0q∮lr3r⋅dl=4πϵ0q∮lr2r^dl=4πϵ0q∮lr2dr=0
由Stokes定理
∮lE⋅dl=∫S(∇×E)⋅dS∇×E=0
静电场是无旋场,所以存在电势(静电场是势场的梯度场)
∇×E=0⇒E=−∇φ
静电势 φ
定义:把单位电荷从规定的零电势点移到某一点克服电场力所做的功
φ(x)=−∫x0xE⋅dl
计算φ沿着l^方向的导数
Δl→0lim=−E^⋅l^=∇φ⋅l^
E=−∇φ∇⋅E=−∇2φ=ϵ0ρ
∇2φ=−ϵ0ρ
此为Poisson方程
点电荷电势
φ=4πϵ01rq
连续分布电荷电势
φ(r)=4πϵ01∫V∣r−r′∣ρ(r′)dV′
∇r1=−r3r∇2r1=0
静磁场的散度
B(x)=4πμ0∫r3J(x′)×rdV′=−4πμ0∫J(x′)×∇r1dV′=4πμ0∫∇×rJ(x′)dV′=4πμ0∇×∫rJ(x′)dV′=4πμ0∇×A
其中A是磁矢势
A=4πμ0∫rJ(x′)dV′
∇⋅B=∇⋅(∇×A)=0
磁场是无源场
静磁场的旋度
∇×B=∇×(∇×A)=∇(∇⋅A)−∇2A
先考虑分解式的第一项
∇⋅A=4πμ0∇⋅∫rJ(x′)dV′=4πμ0∫J(x′)⋅∇r1dV′=−4πμ0∫∇′r1⋅J(x′)dV′=4πμ0∫r1∇′⋅J(x′)dV′−4πμ0∫∇′⋅rJ(x′)dV′=−4πμ0∫∇′⋅rJ(x′)dV′=−4πμ0∮rJ(x′)⋅dS=0
最后一步考虑到S内部是包含所有的电流的,所以积分为0
接下来考虑分解式的第二项
∇2A=4πμ0∇2∫rJ(x′)dV′=4πμ0∫∇2rJ(x′)dV′=4πμ0∫J(x′)⋅∇2r1dV′=−4π4πμ0∫J(x′)⋅δ(x−x′)dV′=−μ0J
所以
∇×B=μ0J
并且有
∮lB⋅dl=∫S(∇×B)⋅dS=μ0∫SJ⋅dS
这是经典的Ampere环路定理
磁矢势有
∇2A=−μ0J
这是矢量Poisson方程