第四章 恒定电流场
主 要 内 容
电流,电动势,电流连续性原理,能量损耗。
1,电流及电流强度
分类,传导电流 与 运流电流 。
传导电流 是导体中的自由电子(或空穴)或者是电解液中的离子
运动形成的电流 。
运流电流 是电子、离子或其它带电粒子在真空或气体中运动形成
的电流。
电流强度,单位时间内穿过某一截面的电量,又简称为电流,
以 I 表示。电流的单位为 A( 安培 ) 。
因此, 电流 I 与电荷 q 的关系为
t
qI
d
d?
电流密度,是一个矢量,以 J 表示。电流密度的方向为 正 电荷
的运动方向,其大小为单位时间内 垂直 穿过单位面积的电荷量。
因此,穿过任一有向面元 dS 的电流 dI 与电流密度 J 的关系为
SJ dd ??I
那么, 穿过任一截面 S 的电流 I 为
? ?? SI d SJ
此式表明,穿过某一截面的电流等于穿过该截面电流密度的 通量 。
在外源的作用下, 大多数导电媒质中某点的传导电流密度 J 与该
点的电场强度 E 成正比, 即
EJ ??
式中 ? 称为电导率,其单位为 S/m 。 ? 值愈大表明导电能力愈强,
即使在微弱的电场作用下,也可形成很强的电流。
上式又称为欧姆定律 的微分形式 。IRU ?
电导率为无限大的导体称为 理想导电体 。显然,在理想导电体
中,无需电场推动即可形成电流。由上式可见,在理想导电体中是
不可能存在恒定电场的,否则,将会产生无限大的电流,从而产生
无限大的能量。但是,任何能量总是有限的。
电导率为零的媒质,不具有导电能力,这种媒质称为 理想介质 。
71017.6 ?
71080.5 ? 310?
71010.4 ? 510?
71054.3 ? 1110?
71057.1 ? 1210?
710 1510?
媒 质 电导率 (S/m) 媒 质 电导率 (S/m)
银 海 水 4
紫 铜 淡 水
金 干 土
铝 变压器油
黄 铜 玻 璃
铁 橡 胶
运流电流 的电流密度并不与电场强度成正比,而且电流密度的
方向与电场强度的方向也可能不同 。可以证明 运流电流的电流密度
J 与运动速度 v 的关系为
vJ ??
式中 ?为电荷密度。
与介质的极化特性一样,媒质的导电性能也表现出均匀与非均
匀,线性与非线性以及各向同性与各同异性等特点,这些特性的含
义与前相同。上述公式仅适用于各向同性的线性媒质。
2,电动势
如图所示, 首先将外接的导电媒质移去, 讨论开路情况下外源内部
的作用过程 。 在外源中 非静电力 作用下,正电荷不
断地移向正极板 P,负电荷不断地移向负
极板 N。极板上的电荷在外源中形成电场
E,其方向由正极板指向负极板,而且随
着极板上电荷的增加不断增强。
E
导电媒质
??
??
?
??
??
?
P N
?
??
?
? E???
??
外 源
显然,由极板上电荷产生的电场力阻
止正电荷继续向正极板移动,同时也阻止
负电荷继续向负极板移动,一直到极板电
荷产生的电场力等于外源中的非电力时,
外源的电荷运动方才停止,极板上的电荷
也就保持恒定。
既然外源中的非静电力表现为对于电荷的作用力,因此,通常认
为这种非静电力是由外源中存在的外电场产生的,其电场强度仍然
定义为对于单位正电荷的作用力,以 E'表示。由于外电场使正电荷
移向正极板,负电荷移向负极板,因此,外电场的方向由负极板指
向正极板。可见,在外源中外电场 E' 的方向与极板电荷形成的电场
E 的方向恰好相反。当外源中的外电场与极板电荷的电场等值反向
时,外源中合成电场为零,电荷运动停止。
若外源的极板之间接上导电媒质,正极板上的正电荷通过导电媒
质移向负极板;负极板上的负电荷通过导电媒质移向正极板。因而导
致极板上电荷减少,使得外源中由极板电荷形成的电场 E 小于外电场,
外电场又使外源中的正负电荷再次移动,外源不断地向正极板补充新
的正电荷,向负极板补充新的负电荷。
由上可见,极板上的电荷通过导电媒质不断流失,外源又不
断地向极板补充新电荷,从而维持了连续不断的电流。因此,为
了在导电媒质中产生连续不断的电流,必须依靠外源。
当达到 动态平衡 时,极板上的电荷分布保持不变。这样,极
板电荷在外源中以及在导电媒质中产生 恒定电场,且在外源内部
保持,在包括外源及导电媒质的整个回路中维持恒定的电
流。
EE ???
注意,极板上的电荷分布虽然不变,但是极板上的电荷并不
是静止的。它们是在不断地更替中保持分布特性不变,因此,这
种电荷称为 驻立电荷 。驻立电荷是在外源作用下形成的,一旦外
源消失,驻立电荷也将随之逐渐消失。
外电场由负极板 N 到正极板 P 的线积分称为外源的 电动势,以
e 表示,即
lE d ??? ? PNe
达到动态平衡时,在外源内部,所以上式又可写为EE ???
lE d ??? ? PNe
考虑到导电媒质中,,那么,上式可写成EJ ??
? ??l 0d lJ?
驻立电荷产生的恒定电场与静止电荷产生的静电场一样, 也是
一种保守场 。 因此, 它沿任一闭合回路的线积分应为零, 即
? ??l 0d lE
对于均匀导电媒质,上式变为
? ??l 0d lJ
根据斯托克斯定理,求得上两式的微分形式如下:
0 ????????? ?J 0 ??? J
可见,均匀导电媒质中,恒定电流场是 无旋 的。
3,电流连续性原理
设闭合面 S 包围的体积 V 中驻立电荷的体密度为 ?,则
?? V Vq d?
VttqS V dd ? ? ????????? ?SJ那么,
已知恒定电流场中的电荷分布与时间无关, 即, 由此得0?
?
?
t
?
? ??S 0d SJ
此式表明, 在恒定电流场中, 电流密度通过任一闭合面的通量为零 。
如果以一系列的曲线描述电流场, 令曲线上各点的切线方向表示该
点电流密度的方向, 这些曲线称为 电流线 。 那么, 电流线是连续闭
合的 。 它和电场线不同, 电流线没有起点和终点, 这一结论称为 电
流连续性原理 。
根据高斯定理,求得
t?
????? ?J
上式为电荷守恒原理的微分形式 。 因此, 对于恒定电流场, 得
0??? J
此式表明,恒定电流场是无散的 。
4,恒定电流场的边界条件
已知恒定电流场方程的积分形式为
? ??l 0d lJ? ? ??S 0d SJ
0 ????????? ?J
0??? J
对应的微分形式为
由积分形式的恒定电流场方程导出边界两侧电流密度的切向
分量关系为
2
t2
1
t1 ?? JJ ?
而边界两侧电流密度的法向分量关系为
2n1n JJ ?
由此可见, 在两种导电媒质的边界上, 电流密度矢量的切向分量是
不连续的, 但其法向分量连续 。
已知,那么根据上述恒定电流场的边界条件可以导出导
电媒质中恒定电场的边界条件为
EJ ??
n221n1
2tt1
EE
EE
?? ?
?
已知理想导电体内部不可能存在电场, 那么, 理想导电体表
面不可能存在切向电场, 因而也不可能存在切向恒定电流 。 当电
流由理想导电体流出进入一般导电媒质时, 电流线总是垂直于理
想导电体表面 。
5,恒定电流场的能量损耗
在导电媒质中,自由电子移动时要与原子晶格发生碰撞,结果
产生热能,这是一种 不可逆 的能量转换。这种能量损失将由外源不
断补给,以维持恒定的电流。
设在恒定电流场中,沿电流方向取
一个长度为 dl,端面为 dS 的小圆柱体,
如图所示。
dl
U
? J dS
圆柱体的端面分别为两个等位面。若在电场力作用下,d t 时间
内有 d q电荷自圆柱的左端面移至右端面,那么电场力作的功为
lqEqW ddddd ??? lE
电场损失的功率 P 为
lSEJlEIltqEtWP dddddddd ????
那么, 单位体积中的功率损失为
??
22 JEEJp
l ???
当 J 和 E 的方向不同时,上式可以表示为下面一般形式
JE ??lp
此式称为 焦耳定律的微分形式,它表示某点的功率损耗等于该点的
电场强度与电流密度的标积。
设圆柱体两端的电位差为 U,则, 又知, 那么
单位体积中的功率损失可表示为
l
UE
d? S
IJ
d?
V
UI
lS
UIp
l ddd ??
可见, 圆柱体中的总功率损失为
UIVpP l ?? d
这就是电路中的 焦耳定律 。
例 1 已知一平板电容器由两层非理想介质串联构成,如图示。其
介电常数分别为 ?1 和 ?2,电导率分别为 ?1 和 ?2,厚度分别为 d1
和 d2 。当外加恒定电压为 V 时,试求两层介质中的电场强度,单
位体积中的电场储能及功率损耗。
? 1? 1
? 2? 2
d1
d2
U
解 由于电容器外不存在电流,可以
认为电容器中的电流线与边界垂直,
求得
2211 ?? EE ?
UdEdE ?? 2211又
由此求出两种介质中的电场强度分别为
UddE
1221
21 ?? ??? UddE
1221
12 ?? ???
两种介质中电场储能密度分别为
22222111 21,21 EwEw ee ?? ??
两种介质中单位体积的功率损耗分别为
22222111,EpEp ll ?? ??
两种特殊情况值得注意:
02 ?? 01 ?E 01 ?ew 01 ?lp
2
2 d
UE ?
当 时,,,, 。
当 时,,,, 。0
1 ??
1
1 d
UE ? 02 ?E 02 ?ew 02 ?lp
d1
d2
? 1= 0
E 2= 0
U
E 1= 0
? 2= 0
U
例 2 设一段环形导电媒质,其形状及尺寸如图示。计算两个端面
之间的电阻。
U
y
x
t
a b
?
r
0
(r,?)
0
解 显然,必须选用圆柱坐标系。设两
个端面之间的电位差为 U,且令
当角度 时,电位 。0?? 0
1 ??
当角度 时, 电位 。
2
??? U?2?
那么, 由于导电媒质中的电位 ? 仅与角度 ? 有关, 因此电位满足
的方程式为
0dd 22 ???
此式的通解为 21 CC ?? ??
利用给定的边界条件,求得
??? U2?
r
U
r ?
?
?
?????
??
2eeEJ ??
?
???????
导电媒质中的电流密度 J 为
那么由 的端面流进该导电媒质的电流 I 为
2
???
)d (π2d rtrUI S ?? ? eeSJS ???????? ???? ??
???????? ? abUtrrUt ba lnπ2dπ2 ??
因此该导电块的两个端面之间的电阻 R 为
??????
??
a
btI
VR
ln2
π
?
6,恒定电流场与静电场的比拟
已知无外源区中均匀导电媒质内的恒定电流场方程和无源区中
均匀介质内的静电场方程如下:
恒定电流场
)0( ??E
静电场
)0( ??
0d ???l lJ 0d ???l lE
0d ??? S SJ 0d ??? S SE
0??? J 0??? E
0??? J 0??? E
可见,两者非常相似,恒定电流场的电流密度 J 相当于静电场的电
场强度 E,电流线相当于电场线。
因此,当恒定电流场与静电场的边界条件相同时,电流密度的
分布与电场强度的分布特性完全相同。根据这种类似性,可以利用
已经获得的静电场的结果直接求解恒定电流场。或者由于在某些情
况下,恒定电流场容易实现且便于测量时,可用边界条件与静电场
相同的电流场来研究静电场的特性,这种方法称为 静电比拟 。
例如,两电极间的电流场与静电场对应分布如下图示:
P N?
电流场
P N?
静电场
那么,利用已经获得的静电场结果可以求解恒定电流场。
?
?
CR ? CG ???
利用两种场方程,可以求出两个电极之间的电阻及电导与电容
的关系为
若已知两电极之间的电容,根据上述两式,即可求得两电极间的 电
阻 及 电导 。
例如,已知面积为 S,间距为 d 的平板电容器的电容,
若填充的非理想介质的电导率为 ?,则平板电容器极板间的漏电导
为
d
SC ??
d
S
d
SG ??
?
? ???
又知单位长度内同轴线的电容 。 那么, 若同轴线
的填充介质具有的电导率为 ?,则单位长度内同轴线的漏电导
)/ln (
π2
1 abC
??
)/ln (π21 abG ??
主 要 内 容
电流,电动势,电流连续性原理,能量损耗。
1,电流及电流强度
分类,传导电流 与 运流电流 。
传导电流 是导体中的自由电子(或空穴)或者是电解液中的离子
运动形成的电流 。
运流电流 是电子、离子或其它带电粒子在真空或气体中运动形成
的电流。
电流强度,单位时间内穿过某一截面的电量,又简称为电流,
以 I 表示。电流的单位为 A( 安培 ) 。
因此, 电流 I 与电荷 q 的关系为
t
qI
d
d?
电流密度,是一个矢量,以 J 表示。电流密度的方向为 正 电荷
的运动方向,其大小为单位时间内 垂直 穿过单位面积的电荷量。
因此,穿过任一有向面元 dS 的电流 dI 与电流密度 J 的关系为
SJ dd ??I
那么, 穿过任一截面 S 的电流 I 为
? ?? SI d SJ
此式表明,穿过某一截面的电流等于穿过该截面电流密度的 通量 。
在外源的作用下, 大多数导电媒质中某点的传导电流密度 J 与该
点的电场强度 E 成正比, 即
EJ ??
式中 ? 称为电导率,其单位为 S/m 。 ? 值愈大表明导电能力愈强,
即使在微弱的电场作用下,也可形成很强的电流。
上式又称为欧姆定律 的微分形式 。IRU ?
电导率为无限大的导体称为 理想导电体 。显然,在理想导电体
中,无需电场推动即可形成电流。由上式可见,在理想导电体中是
不可能存在恒定电场的,否则,将会产生无限大的电流,从而产生
无限大的能量。但是,任何能量总是有限的。
电导率为零的媒质,不具有导电能力,这种媒质称为 理想介质 。
71017.6 ?
71080.5 ? 310?
71010.4 ? 510?
71054.3 ? 1110?
71057.1 ? 1210?
710 1510?
媒 质 电导率 (S/m) 媒 质 电导率 (S/m)
银 海 水 4
紫 铜 淡 水
金 干 土
铝 变压器油
黄 铜 玻 璃
铁 橡 胶
运流电流 的电流密度并不与电场强度成正比,而且电流密度的
方向与电场强度的方向也可能不同 。可以证明 运流电流的电流密度
J 与运动速度 v 的关系为
vJ ??
式中 ?为电荷密度。
与介质的极化特性一样,媒质的导电性能也表现出均匀与非均
匀,线性与非线性以及各向同性与各同异性等特点,这些特性的含
义与前相同。上述公式仅适用于各向同性的线性媒质。
2,电动势
如图所示, 首先将外接的导电媒质移去, 讨论开路情况下外源内部
的作用过程 。 在外源中 非静电力 作用下,正电荷不
断地移向正极板 P,负电荷不断地移向负
极板 N。极板上的电荷在外源中形成电场
E,其方向由正极板指向负极板,而且随
着极板上电荷的增加不断增强。
E
导电媒质
??
??
?
??
??
?
P N
?
??
?
? E???
??
外 源
显然,由极板上电荷产生的电场力阻
止正电荷继续向正极板移动,同时也阻止
负电荷继续向负极板移动,一直到极板电
荷产生的电场力等于外源中的非电力时,
外源的电荷运动方才停止,极板上的电荷
也就保持恒定。
既然外源中的非静电力表现为对于电荷的作用力,因此,通常认
为这种非静电力是由外源中存在的外电场产生的,其电场强度仍然
定义为对于单位正电荷的作用力,以 E'表示。由于外电场使正电荷
移向正极板,负电荷移向负极板,因此,外电场的方向由负极板指
向正极板。可见,在外源中外电场 E' 的方向与极板电荷形成的电场
E 的方向恰好相反。当外源中的外电场与极板电荷的电场等值反向
时,外源中合成电场为零,电荷运动停止。
若外源的极板之间接上导电媒质,正极板上的正电荷通过导电媒
质移向负极板;负极板上的负电荷通过导电媒质移向正极板。因而导
致极板上电荷减少,使得外源中由极板电荷形成的电场 E 小于外电场,
外电场又使外源中的正负电荷再次移动,外源不断地向正极板补充新
的正电荷,向负极板补充新的负电荷。
由上可见,极板上的电荷通过导电媒质不断流失,外源又不
断地向极板补充新电荷,从而维持了连续不断的电流。因此,为
了在导电媒质中产生连续不断的电流,必须依靠外源。
当达到 动态平衡 时,极板上的电荷分布保持不变。这样,极
板电荷在外源中以及在导电媒质中产生 恒定电场,且在外源内部
保持,在包括外源及导电媒质的整个回路中维持恒定的电
流。
EE ???
注意,极板上的电荷分布虽然不变,但是极板上的电荷并不
是静止的。它们是在不断地更替中保持分布特性不变,因此,这
种电荷称为 驻立电荷 。驻立电荷是在外源作用下形成的,一旦外
源消失,驻立电荷也将随之逐渐消失。
外电场由负极板 N 到正极板 P 的线积分称为外源的 电动势,以
e 表示,即
lE d ??? ? PNe
达到动态平衡时,在外源内部,所以上式又可写为EE ???
lE d ??? ? PNe
考虑到导电媒质中,,那么,上式可写成EJ ??
? ??l 0d lJ?
驻立电荷产生的恒定电场与静止电荷产生的静电场一样, 也是
一种保守场 。 因此, 它沿任一闭合回路的线积分应为零, 即
? ??l 0d lE
对于均匀导电媒质,上式变为
? ??l 0d lJ
根据斯托克斯定理,求得上两式的微分形式如下:
0 ????????? ?J 0 ??? J
可见,均匀导电媒质中,恒定电流场是 无旋 的。
3,电流连续性原理
设闭合面 S 包围的体积 V 中驻立电荷的体密度为 ?,则
?? V Vq d?
VttqS V dd ? ? ????????? ?SJ那么,
已知恒定电流场中的电荷分布与时间无关, 即, 由此得0?
?
?
t
?
? ??S 0d SJ
此式表明, 在恒定电流场中, 电流密度通过任一闭合面的通量为零 。
如果以一系列的曲线描述电流场, 令曲线上各点的切线方向表示该
点电流密度的方向, 这些曲线称为 电流线 。 那么, 电流线是连续闭
合的 。 它和电场线不同, 电流线没有起点和终点, 这一结论称为 电
流连续性原理 。
根据高斯定理,求得
t?
????? ?J
上式为电荷守恒原理的微分形式 。 因此, 对于恒定电流场, 得
0??? J
此式表明,恒定电流场是无散的 。
4,恒定电流场的边界条件
已知恒定电流场方程的积分形式为
? ??l 0d lJ? ? ??S 0d SJ
0 ????????? ?J
0??? J
对应的微分形式为
由积分形式的恒定电流场方程导出边界两侧电流密度的切向
分量关系为
2
t2
1
t1 ?? JJ ?
而边界两侧电流密度的法向分量关系为
2n1n JJ ?
由此可见, 在两种导电媒质的边界上, 电流密度矢量的切向分量是
不连续的, 但其法向分量连续 。
已知,那么根据上述恒定电流场的边界条件可以导出导
电媒质中恒定电场的边界条件为
EJ ??
n221n1
2tt1
EE
EE
?? ?
?
已知理想导电体内部不可能存在电场, 那么, 理想导电体表
面不可能存在切向电场, 因而也不可能存在切向恒定电流 。 当电
流由理想导电体流出进入一般导电媒质时, 电流线总是垂直于理
想导电体表面 。
5,恒定电流场的能量损耗
在导电媒质中,自由电子移动时要与原子晶格发生碰撞,结果
产生热能,这是一种 不可逆 的能量转换。这种能量损失将由外源不
断补给,以维持恒定的电流。
设在恒定电流场中,沿电流方向取
一个长度为 dl,端面为 dS 的小圆柱体,
如图所示。
dl
U
? J dS
圆柱体的端面分别为两个等位面。若在电场力作用下,d t 时间
内有 d q电荷自圆柱的左端面移至右端面,那么电场力作的功为
lqEqW ddddd ??? lE
电场损失的功率 P 为
lSEJlEIltqEtWP dddddddd ????
那么, 单位体积中的功率损失为
??
22 JEEJp
l ???
当 J 和 E 的方向不同时,上式可以表示为下面一般形式
JE ??lp
此式称为 焦耳定律的微分形式,它表示某点的功率损耗等于该点的
电场强度与电流密度的标积。
设圆柱体两端的电位差为 U,则, 又知, 那么
单位体积中的功率损失可表示为
l
UE
d? S
IJ
d?
V
UI
lS
UIp
l ddd ??
可见, 圆柱体中的总功率损失为
UIVpP l ?? d
这就是电路中的 焦耳定律 。
例 1 已知一平板电容器由两层非理想介质串联构成,如图示。其
介电常数分别为 ?1 和 ?2,电导率分别为 ?1 和 ?2,厚度分别为 d1
和 d2 。当外加恒定电压为 V 时,试求两层介质中的电场强度,单
位体积中的电场储能及功率损耗。
? 1? 1
? 2? 2
d1
d2
U
解 由于电容器外不存在电流,可以
认为电容器中的电流线与边界垂直,
求得
2211 ?? EE ?
UdEdE ?? 2211又
由此求出两种介质中的电场强度分别为
UddE
1221
21 ?? ??? UddE
1221
12 ?? ???
两种介质中电场储能密度分别为
22222111 21,21 EwEw ee ?? ??
两种介质中单位体积的功率损耗分别为
22222111,EpEp ll ?? ??
两种特殊情况值得注意:
02 ?? 01 ?E 01 ?ew 01 ?lp
2
2 d
UE ?
当 时,,,, 。
当 时,,,, 。0
1 ??
1
1 d
UE ? 02 ?E 02 ?ew 02 ?lp
d1
d2
? 1= 0
E 2= 0
U
E 1= 0
? 2= 0
U
例 2 设一段环形导电媒质,其形状及尺寸如图示。计算两个端面
之间的电阻。
U
y
x
t
a b
?
r
0
(r,?)
0
解 显然,必须选用圆柱坐标系。设两
个端面之间的电位差为 U,且令
当角度 时,电位 。0?? 0
1 ??
当角度 时, 电位 。
2
??? U?2?
那么, 由于导电媒质中的电位 ? 仅与角度 ? 有关, 因此电位满足
的方程式为
0dd 22 ???
此式的通解为 21 CC ?? ??
利用给定的边界条件,求得
??? U2?
r
U
r ?
?
?
?????
??
2eeEJ ??
?
???????
导电媒质中的电流密度 J 为
那么由 的端面流进该导电媒质的电流 I 为
2
???
)d (π2d rtrUI S ?? ? eeSJS ???????? ???? ??
???????? ? abUtrrUt ba lnπ2dπ2 ??
因此该导电块的两个端面之间的电阻 R 为
??????
??
a
btI
VR
ln2
π
?
6,恒定电流场与静电场的比拟
已知无外源区中均匀导电媒质内的恒定电流场方程和无源区中
均匀介质内的静电场方程如下:
恒定电流场
)0( ??E
静电场
)0( ??
0d ???l lJ 0d ???l lE
0d ??? S SJ 0d ??? S SE
0??? J 0??? E
0??? J 0??? E
可见,两者非常相似,恒定电流场的电流密度 J 相当于静电场的电
场强度 E,电流线相当于电场线。
因此,当恒定电流场与静电场的边界条件相同时,电流密度的
分布与电场强度的分布特性完全相同。根据这种类似性,可以利用
已经获得的静电场的结果直接求解恒定电流场。或者由于在某些情
况下,恒定电流场容易实现且便于测量时,可用边界条件与静电场
相同的电流场来研究静电场的特性,这种方法称为 静电比拟 。
例如,两电极间的电流场与静电场对应分布如下图示:
P N?
电流场
P N?
静电场
那么,利用已经获得的静电场结果可以求解恒定电流场。
?
?
CR ? CG ???
利用两种场方程,可以求出两个电极之间的电阻及电导与电容
的关系为
若已知两电极之间的电容,根据上述两式,即可求得两电极间的 电
阻 及 电导 。
例如,已知面积为 S,间距为 d 的平板电容器的电容,
若填充的非理想介质的电导率为 ?,则平板电容器极板间的漏电导
为
d
SC ??
d
S
d
SG ??
?
? ???
又知单位长度内同轴线的电容 。 那么, 若同轴线
的填充介质具有的电导率为 ?,则单位长度内同轴线的漏电导
)/ln (
π2
1 abC
??
)/ln (π21 abG ??