1.4. Полная система уравнений электродинамики

Уравнения Максвелла (1.6)и материальные уравнения (1.14) образуют полную систему уравнений электродинамики. В этой системе под векторной функцией понимается плотность тока проводимости, возникающего в проводящей среде под действием электрического поля. Однако при решении электродинамических задач обычно выделяют некоторую область пространства , в каждой точке которой плотность тока можно считать не зависящей от поля и являющейся заданной функцией координат и времени. При этом электрический ток в области рассматривают как первопричину возникновения поля. Этот ток называют сторонним током, создающим или возбуждающим электромагнитное поле.

Распределение стороннего тока в области характеризуется объемной плотностью стороннего тока . При этом плотность тока проводимости во всей рассматриваемой области предста­вляется в виде:

или . (1.17)

С введением сторонних токов полную систему уравнений электродинамики для линейной изотропной среды можно записать в следующем виде:

1.5. Граничные условия электродинамики

Уравнения электродинамики (1.18) являются дифференциаль­ными уравнениями в частных производных, которые имеют беско­нечное множество решений.

Любая физически реализуемая электродинамическая задача имеет единственное решение, которое получается из решения сис­темы (1.18) при наложении некоторых дополнительных условий. Эти условия называются граничными условиями электродинамики.

Если параметры среды являются непрерывными функ­циями координат во всем бесконечном пространстве, то для единственности решения уравнений электродинамики необходимо наложить только граничное условие на бесконечности.

Если же параметры среды терпят разрыв на некоторых поверхностях, например, на границе раздела двух разнородных сред, то уравнения электродинамики нужно рассматривать в каж­дой среде, параметры которой непрерывны, а на границе раздела задавать граничные условия, определяющие поведение векторов поля на границах раздела сред.

Таким образом, граничные условия электродинамики это не­которые математические соотношения связи для векторов поля на границе раздела двух сред.

Представим векторы поля на границе раздела сред в виде разложения на нормальную и тангенциальную составляющие:

,где - любой из векторов, характеризующих поле;

- единичный вектор нормали к касательной плоскости в произвольной точке 0 граничной поверхности S , направленный из области II в область I (рис. 1.1).

Рис. 1.1

Представление вектора поля на границе раздела сред

Скалярное произведение вектора на единичную нормаль определяет нормальную составляющую вектора : .

Векторное произведение вектора на единичную нормаль определяет тангенциальную составляющую вектора :

, где ; .

Векторную функцию на границе раздела сред при подходе к границе со стороны области I обозначим через , а при подходе со стороны области II через .

Используя уравнения Максвелла в интегральной форме (1.9) и (1.10), можно получить следующие соотношения связи для век­торов поля в произвольной точке O граничной поверхности S:

Из третьего уравнения Максвелла (1.10) –

1. , (1.19)

где - поверхностная плотность электрического заряда в точке O;

- площадка, содержащая точку O;

-величина заряда на площадке .

Из четвертого уравнения Максвелла (1.10) -

2. , (1.20)

Из второго уравнения Максвелла (1.9) -

3. (1.21)

Из первого уравнения Максвелла (1.9) -

4. , (1.22)

где поверхностная плотность электрического тока;

- единичный вектор, указывающий направление движения электрических зарядов в точке O;

- отрезок, перпендикулярный вектору ;

- величина тока, пересекающего отрезок .

Подробный вывод граничных условий может быть вынесен на практическое занятие.