Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Семенов Н.А. Техническая электродинамика учеб. пособие для электротехн. ин-тов связи

.pdf
Скачиваний:
295
Добавлен:
27.10.2023
Размер:
23.29 Mб
Скачать

ПОЛЕ ДВУХПРОВОДНОЙ л и н и и

Пусть два параллельных цилиндра радиуса а, расстояние между осями которых равно 2 d, имеют потенциалы соответственно фі и

—01. Определим поле этой системы и емкость, приходящуюся на единицу длины.

Очевидно, что заданная система имеет в пространстве вне ци­ линдров такое ж е поле, как две заряженные нити с равными раз­ ноименными зарядами, так как поверхности цилиндров могут быть совмещены с эквипотенциальными поверхностями поля нитей. Ли­ нейные плотности зарядов находятся подстановкой ф-л (5.19) в

(5.18):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~~ In [d/a +

V(d/a)2

l] _

Arch (d/a)

'

 

 

 

отсюда емкость, приходящаяся на единицу длины

системы;

 

 

 

Сг

 

 

 

Т

 

 

 

Ша

 

 

 

ЛЕ/т

 

(5.20)

 

 

U

 

1

 

In [d/a + V(d/a)2

1 ]

Arch (d/a)

 

 

 

 

 

 

 

Если

2d>l0a,

 

то пользуются

приближенной

формулой.

Пре­

небрегая

под квадратным

корнем единицей по сравнению, с

(d/a)2,

получаем

с погрешностью менее

1 %:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сх =

ln(2d/a)

 

 

 

 

(5.21)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Л

Е а

 

 

 

 

 

 

 

Напряженность

поля

определим

для

произвольной

точки

М(а,

ср) на поверхности

левого

провода: Е =

gradgb = —Щ- е г

=

 

L _ A i n I i - e r .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

от

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2леа

дг

Гх

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выразим

гі и г2 в цилиндрической

системе координат

с центром

в

точке

ОІ и

после

дифференцирования

подставим

г = а и Ь —

= У

d2—a2:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 - І Ці-5- =

дг

hi А

=

{\n[r2

+ (d + bf — 2r(d + 6)cos<p] —

 

 

дг

rt

 

r 2

 

дг

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

_ m [ r * + ( r f _ 6 ) 2 _ 2 r ( d - & ) c o s < p ] } =

2 ; ~ 2 ( d + f e ) ; o s < p

4

 

 

1

 

 

 

v

 

 

 

Y /

r2

+

(d +

b)2 2r (d + b)cos(f

 

 

 

 

2r — 2 (d — 6) cos ф

 

 

 

a — (d+b) cos <p

 

 

 

 

r2 + (d — b)2 2r (d — 6) cos ф

 

(d + 6) (d — a cos ф)

 

 

 

 

 

а — (d — 6) cos ф

_

 

—26

 

 

- 2Уй* — а*

 

 

 

 

(d — b) (d — a cos ф)

a(d —a cos ф)

a (d — a cos ф)

 

 

Теперь найдем напряженность электрического поля и соответ­ ствующую ей плотность электрического заряда [ф-ла (5.Ы)] с уче­ том того, что е г = п :

э

a a — a cos ф

'

З а р яд и поле второго

проводника симметричны

найденным.

Поверхностный заряд распределен по окружности проводящего ци­

линдра неравномерно. Вследствие эффекта близости

(электроста­

тической индукции) плотность заряда

и напряженность

поля

каж­

дого из проводов больше со стороны,

обращенной к другому

про­

воду.

 

 

 

5.4. Поле постоянных токов

Поле постоянных токов определяется величиной и направлением вектора J в каждой точке пространства. Обычно структуру токов приходится рассчитывать для среды, обладающей сравнительно небольшой проводимостью а, в которую помещены электроды про­ извольной формы из металла или другого материала с высокой проводимостью о м ^ > о . К такой задаче сводится, например, расчет заземлений антенн, электрических сетей и аппаратуры.

Поле постоянных токов неизменно, если потенциалы электро­ дов поддерживаюся постоянными за счет стороннего источника энергии; в этом случае не меняется и распределение зарядов. Фи­ зически очевидно, что такая задача -близка к электростатической. Если среда, в которой создано электрическое поле, обладает неко­ торой проводимостью, то токи протекают вдоль линий напряжен­ ности электрического поля J=crE. Их величину и направление не­ трудно определить.

Докажем, что в области, не содержащей свободных зарядов и

сторонних токов, в случае Ом^о,

существует аналогия

между по­

лем постоянных токов и электростатическим —

электростатическая

аналогия,

которая позволяет

применять

для решения

обеих

задач

одинаковые методы. Из ф-лы

(5.1) при Е с т = 0 и уравнения

непре­

рывности

(2.10)

при dp/dt = 0 получаем

уравнения

поля

токов (ле­

вый столбец). Выпишем в правый столбец уравнения

электроста­

тики (5.2)

при р = 0:

 

 

 

rotE

= 0

 

 

 

 

 

 

rotE = 0;

 

 

 

 

 

 

div J =

0;

divD =

0

 

 

 

(5.23)

 

 

J =

о E;

D =

га

E

 

 

 

 

Эти системы уравнений аналогичны при парном

соответствии

величин J X D и о ^ Є а .

 

Как электрическое поле, так и поле

токов

потенциально.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Граничные условия

для вектора D в отсутствие поверхностных

зарядов

[ф-лы

(2.22),

(2.26)]

D2n = Din;

D2JDix

= є а 2 / є 0 і в силу

установленного

соответствия

справедливы для вектора

J

с заменой

еа на о:

J*

= Jun,

Л

/ / «

=

а/ом «

1,

т. е. Л

= 0.

 

 

(5.24)

 

 

 

 

Нормальные

составляющие

плотностей тока в проводящей

сре­

де

и электроде

равны между

собой; тангенциальная

составляющая

J-t

на границе

электрода

практически отсутствует.

Полученные

траничные условия аналогичны граничным условиям электростати­

ки {ф-лы (5.11а)] для вектора

D: Dn = — а э (нормаль п

направлена

из диэлектрика в проводник)

= 0 с заменой

о э

на JMn.

Сле­

довательно, полный заряд проводника в электростатической

зада­

че Q = J D-dS

= j a:)dS заменяется для

поля токов на полный

ток,

s

s

/ В Ы т = —/ = jJ-dS = — J

JndS.

 

вытекающий

из электрода

 

 

 

 

 

s

s

 

 

Полная проводимость

среды между

двумя

электродами

G =

=—ф21. Эта формула аналогична формуле для электриче­

ской емкости С (5.12). Следовательно, ряд соответствий между

полем постоянных токов и электростатическим

можно продолжить.

Д л я

систем с одинаковой геометрией установлены следующие пра­

вила

замен:

 

 

га^а; Q?;/B b l T ; C%G.

(5.25)

Пользуясь полученными соотношениями, легко определить про­ водимость утечки Gi на единицу длины коаксиальной и двухпро­ водной линий, заменив в ф-лах (5.17) и (5.20) е а на о. Электро­ статическая аналогия позволяет также экспериментально опреде­ лять сложные электростатические поля с помощью их моделирова­ ния в ванне со слабопроводящей жидкостью.

5.5. Постоянное электромагнитное поле

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

В соответствии с полной системой ур-ний (5.1) стационарное поле содержит электрическую и магнитную составляющие. Первая из них отвечает левому столбцу ур-ний в (5Л), полностью совпадаю­

щих

с уравнениями

электростатики

(5.2).

Отсюда можно заклю­

чить,

что постоянное

электрическое

поле

потенциально.

Выясним, соблюдаются ли в данном случае граничные условия (5.11) на границе раздела диэлектрика и проводника. Обычно электрические токи создаются в проводниках, поперечные размеры которых малы по сравнению с их длиной, вследствие этого плот­ ность постоянного тока одинакова по всему сечению. Поле описы­ вается системой ур-ний (5.1) и возникает за счет поля Е с т , которое существует в ограниченной области, принадлежащей источнику (рис. 5.6):

. . Э с т = J

EC T -dl = / E - d l + f (E^ + E)-^!

 

где iRi=\Li/'(aiSi)

и #2=£2/(0252) — сопротивления

участков цепи.

"Ток J аЕ протекает вдоль оси проводника, поэтому

напряженность

электрического

поля внутри

проводника

постоянна

по

сечению

и

имеет только

касательную

к его

поверхности

составляющую.

Если внутри проводника Еп2

= 0, то

согласно ф-ле

(2.20)

у его

по­

верхности Е«п = Сэ/е0 , что'соответствует

ф-ле (5.11а).

 

 

 

Ряс 5.6

 

 

 

 

В диэлектрике у границы проводника

преобладает,

наоборот,

нормальная составляющая Еп. Пусть,

например, в сечении

mm'

цепи напряжение между проводами 0=6

В, ток 1=1 А,

диаметр

провода

2 а = 1 мм, расстояние между

осями проводов 2 d=\Q

мм;

провода

медные 0 = 5 8 М С м / м . Используем

ф-лу (5.20) для опреде­

ления т=neoU/ln(2d/a) и пренебрежем

неравномерностью распре­

деления заряда по периметру проводника вследствие эффекта бли­

зости. Тогда

£ и

= о7єо/(ео2ла) = £/Д2я1п(2с?/а)] = 2-103

В/м.

 

Каса­

тельная

составляющая

 

электрического

поля

Ех

= / / а я а 2

« 2,3 X

X Ю -

2

В/м. Отношение нормальной и тангенциальной

составляющих

En/Ех

 

« 1 0 5 .

Это позволяет пренебречь в диэлектрике

Ех

по

срав­

нению

с

Еп

и

считать

Ех =0. Таким образом, условия

 

(5.1lla), а

следовательно, и (5.116) справедливы. Поэтому постоянное

элект­

рическое

поле

идентично

электростатическому

при

 

 

одинаковом

распределении

 

зарядов

 

или

потенциалов

в системе

 

 

проводников.

Поле

 

в диэлектрике при протекании в проводниках

 

стационарных

токов практически неотличимо от электростатического

 

поля

при

том же

распределении

потенциалов в системе1 ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ПОСТОЯННЫХ ТОКОВ

 

 

 

 

 

 

 

Магнитное поле определяется правым столбцом

системы

(5.1):

 

 

 

 

 

rotH =

J;

divB =

0;

В = ц а Н .

 

 

 

 

 

(5.26)

Оно

соленоидально

(div

В=0),

и его линии

непрерывны.

Для

ряда

симметричных систем (например, прямой ток) магнитное по-

*)

 

Поле проводников с

большим падением

напряжения на

единицу

длины

(с высоким погонным сопротивлением, смотанных в катушку, многократно изо­ гнутых) может существенно отличаться от электростатического, так как усло­ вие одинакового распределения потенциалов не выполняется.

ле вычисляется

при

помощи

закона

Ампера

(2.4): ф

H-d\

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s

вектор­

= fj - dS = 7. Общий

же метод

решения

требует

введения

ов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ного потенциала

магнитного

поля

А

размерностью Т - м):

 

 

 

 

 

B = fxa H = rotA.

 

 

(5.27)

Условие

соленоидальности

 

поля

вектора

В

выполняется,

так

как всегда

div rot А =

0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дальнейшие преобразования справедливы для линейной одно­

родной и изотропной

среды. Тогда а

скалярно и постоянно1 ). Под-

стазим ф-лу (5.27)

в первое

из

равенств (5.26): rot rot A = jxaJ и

используем тождество (3.17); тогда V2 A—grad

div А = p,aJ.

 

Для

определения

любого

векторного

поля

необходимо

знать

как его

ротор,

так и дивергенцию. Если

rot А

известен [по

(5.27)],

то дивергенцию можно задать произвольно. В данном случае удоб­

но принять

div А = 0 . Этот выбор называют

кулоновой

калибров­

кой. Теперь уравнение

для

векторного потенциала

запишется

в

знакомой уже форме уравнения Пауссона:

 

 

 

 

 

v 2 A

= - f x a J .

 

(5.28)

В отличие от ф-лы

(5.8)

здесь оператор

Лапласа

применен

к

вектору А, поэтому ур-ние 1 (5.28) является уравнением

Пуассона

в

векторной

форме.

 

 

 

 

 

Разложив ур-ние (5.28) по декартовым составляющим х, у,

г,

найдем три

юкалярных

уравнения Пуассона'

V M X ,у , z =—\ia Jx,v,

z.

Их решения запишем в форме (5.10), заменив ір0 на \ijx,v,z. Объ­ единив затем координатные составляющие вектора А, получим ре­ шение ур-ния (5.28):

 

A ( M ) =

J ^

f l (

^ L

,

(5.29)

 

 

vJ

г

 

 

где

г — расстояние от точки М до

N;

V охватывает все

области,

где

плотность токов отлична

от

нуля.

 

 

 

Если ток протекает по проводнику, диаметр которого мал по срав­

нению

с расстоянием г в ф-ле (5.29),

ток

можно считать линей­

ным, протекающим по тонкой нити. Тогда в результате

интегриро­

вания

J(iN)dSdl

по поперечному

сечению

провода

получаем

IdlN, и формула для векторного потенциала

принимает

вид:

 

 

 

A ( M ) = =

^ j — •

 

 

 

<5 -3 °)

 

 

 

с

г

 

 

 

 

где d\N

— элемент контура с током.

 

магнитное

поле Н

или

По

известному векторному потенциалу

В определяется

с помощью ф-лы

(5.27). Если

выполнить это

пре-

*) В этом случае вектор А можно ввести также соотношением H = rot А.

образование в общем виде, подставив ф-лу (5.30) в (5 27), то после взятия ротора от подынтегрального выражения находим:

Н(М) = - ^ - j"-L(er XdlN),

(5.31)

с

 

где орт ег направлен из точки М в точку N на контуре с током. • Формула (5.31) выражает в общем виде закон Био-Савара.

В зависимости от характера задачи для вычисления магнитного поля, созданного постоянными токами, выбирают одно из выше­ приведенных соотношений.

И Н Д У К Т И В Н О С Т Ь и В З А И М Н А Я И Н Д У К Т И В Н О С Т Ь

Рассмотрим два контура С4 <и С 2 с токами h и 1% каждый из кон­ туров создает в окружающем пространстве магнитное поле. Отно­

шение собственного

магнитного

потока,

пронизывающего

контур,

к току в этом контуре

называется

собственной

индуктивностью

контура:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

£ a =

^

i=

J - f B 1 . d S ,

L 2 = ^ .

 

(5.32)

 

 

' I

 

' l J

 

 

'2

 

 

 

 

 

 

St

 

 

 

 

Отношение

магнитного

потока

Фіг, пронизывающего контур Сі,

к вызвавшему его току в контуре

С2 , называется взаимной

индук­

тивностью МІЧ

между

цепями /

и 2:

 

 

 

 

У И 1

2 = ^ =

J - f B a

. d S ,

М 2 1 = ^ .

 

(5.33)

 

 

 

 

s,

 

 

 

 

Можно доказать, что взаимные индуктивности равны между собой. Сосредоточенные параметры L и М определяют связь электрических цепей с созданным ими в окружающем пространстве магнитным полем и рассчитываются методами теории стационар­ ных полей.

Э Н Е Р Г И Я М А Г Н И Т Н О Г О П О Л Я

Магнитное поле системы токов J, распределенных в конечном объеме V, занимает все пространство. Плотность его энергии wM в каждой точке определена ф-лой (4.1). Поэтому полная энергия магнитного поля

WM = - і - j * Н • В dV,

(5.34)

где V<o — все пространство.

Энергию магнитного поля можно выразить также в виде интег­ рала, содержащего плотность токов, взятого по объему V, где эти

93

токи существуют; для объемных и линейных токов:

(5.35)

V

с

Формулы (5.35) получаются в результате ряда преобразований из (5.34). Из (5.35) с помощью ф-л (5.30), (5.32), (5.33) найдем соотношение для полной энергии магнитного поля двух контуров, выраженной через их сосредоточенные параметры:

(5.36)

Полная энергия складывается из энергии собственных магнит­ ных полей первого и второго контуров и энергии взаимодействия этих контуров. Формула (5.36) часто используется для расчета па­ раметров L и М.

МАГНИТОСТАТИКА

В той области, где плотность электрических токов равна нулю,

магнитное

поле описывается ур-ниями (5.26) при / = 0,

называемы­

ми в этом

случае уравнениями

магнитостатики. Эти

уравнения

идентичны уравнениям электростатического поля (5.2) для обла­

стей, где р = 0.

Если, кроме того, рассматриваемая область также и

не охватывает

токов, магнитное поле внутри такой области потен­

циально, поскольку

циркуляция вектора Н по любому замкнутому

контуру тогда равна

нулю. В этом случае удобно ввести скалярный

магнитостатический

потенциал фм,

соотношением, аналогичным

(5.3): Н = grad фм.Этот потенциал

подчиняется уравнению Лап ­

ласа V2 c#M = 0.

 

 

Аналогия магнитостатики с электростатикой становится почти полной после введения фиктивных магнитных зарядов, эквивалент­ ных кольцевым электрическим токам и постоянным магнитам. (известно, что реальных магнитных зарядов в природе не сущест­ вует). Тогда можно записать: div D = pM и доказать справедливость уравнения Пуассона для скалярного магнито статического потен­ циала V 2 0 M = —рм /|ха . Все эти допущения позволяют применить к расчету магнитных полей хорошо разработанные методы электро­ статики. Например, магнитное поле прямолинейного постоянного магнита или электромагнита во внешнем пространстве рассчиты­ вается как поле двух разноименных магнитных зарядов, помещен­ ных на его концах.

Магнитные заряды, эквивалентные замкнутым токам, вводятся следующим образом. Если размеры1 витка с током малы по срав­

нению с расстоянием до точки наблюдения, он называется

магнит­

ным диполем. Его магнитный момент р м

определяется

ф-лой

(1.11). По аналогии с электрическим диполем

представим

магнит­

ный диполь, как систему разноименных магнитных зарядов. При­ равняв оба выражения для магнитного момента, получаем р м =

= QM\/\Xa INSnl). Аналогия электростатических и машитостати-

ческих задач позволяет решать задачи маинитоетатики, заменяя следующим образом величины в известных результатах для элект­ ростатического поля:

Е - * Н ; D - * B ;

ea-+iia; Q -*• QM;

р^рм. ф^ф«.

р э ^ ц в Р м .

Таким способом, например, легко решается задача 5.11 о поле маг­ нитного диполя на основе результатов задачи 5.1 для электричес­ кого диполя.

 

ЗАДАЧИ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.1. Найти

поле Е и ф электрического диполя

с

моментом

р

э = <2Ь распо­

ложенного в начале сферической системы координат, причем рэ]|е2.

 

 

Решение.

Применим метод

суперпозиции,

представив

поле электростатичес­

кого потенциала диполя как сумму

полей

(5.7)

точечных зарядов

Q и Q:

Ф(г, 1 9')=0/(4neo)](Q/riQ/r

2 ), где r i и г2 — расстояния

от каждого

из заря­

дов до точки наблюдения М

(г, #). По определению диполя г^>1, поэтому век­

торы г, г4 и г2

можно считать

параллельными; тогда

 

их

величины

связаны

соотношениями

гі=г—і(//й)

cos

Гг=г+

(//2)cos

 

Отсюда

 

1//Ч— 1/г2 =

= /aos#/{r2—1(//2)2 cos2 •&] ml cos Ф/r2.

Окончательно,

потенциал

 

электрического,

диполя в точке М (г, #) равен

ф (г, f>) =Q / cos ^/(АпваГ2)

= р э ег /(4яєа г2 ).

Очевидно,

что потенциал

 

диполя уменьшается

с расстоянием

гораздо бы­

стрее, чем потенциал одиночного заряда, а его величина зависит

также от по­

лярного угла

0. Для определения вектора

Е используем

формулу

для

градиента

в сферических координатах [5]:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дф

 

 

1

дф

 

1

дф

 

 

 

 

 

 

grad ф = —

ег

+

—— е ф +

г

ед .

 

 

 

 

 

дг

 

rsinO

d(f

ф

д»

 

 

 

 

Подставляя

сюда выражение для ф, получаем

 

 

 

 

 

 

 

Е= ^ — (2cos»e r + s i n » e a ).

5.2.Определить емкость и электрическую энергию поля уединенного шара радиуса а— 1 см, находящегося в вакууме. Потенциал шара 0 = 2000 В. Ответ: С«1, 1 пФ; W»=2,2 мкДж.

5.3.Определить емкость и электрическую энергию поля плоского конден­ сатора с площадью пластин S=100 см2 и расстоянием между ними d=\ мм, заполненного диэлектриком с е = 3 и заряженного до напряжения (7=500 В. Искажением поля на краях конденсатора пренебречь.

Ответ: C = ea S/£( = 265 пФ; W3 = 33,l мкДж.

 

 

 

 

5.4. Построить график зависимости плотности энергии от расстояния в поле

заряженного шара и коаксиальной линии.

 

 

 

 

 

5.5. Определить силу притяжения между зарядом Q=—10 мкКл и беско­

нечной проводящей

плоскостью,

находящейся

на

расстоянии 1 м

от

заряда.

Ответ: F=0,225 Н.

 

 

 

 

 

 

 

5.6. Найти

проводимость утечки на единицу

длины коаксиального

кабеля

(рис. 5.4) при а = 2 мм; 6 = 5 мм; а=11 пОм/м.

 

 

 

 

Ответ: Gi = 6,85 пСм/м.

заземления, выполненного в виде

полусферы

5.7. Рассчитать

сопротивление

радиуса а=\\ м, центр которой находится

на уровне

поверхности Земли

с про­

водимостью а = 1 0 мСм/м.

 

 

 

 

 

 

Ответ: /?з= 15,9 Ом.

 

 

 

 

 

 

') Данное

равенство можно

доказать

способом,

аналогичным

примененно­

му в п. 7.5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.8. Рассчитать сопротивление заземления Rs,

его

потенциал

фо

и

макси­

мальное

напряжение

шага

Um

разность

потенциалов

между

 

двумя

точками

на поверхности

земли,

 

отстоящими

друг

от

друга

 

на 0,8

м

в

направлении

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

grad ф.

Заземление

выполнено

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в виде шроводящей юферы ра­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

диуса

 

а = 1

їм,

 

закопанной в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

землю

 

на

 

глубину

А=2

м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(рис. 5.7). Ток через заземле­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ние

равен

/ = 1

 

А.

 

Проводи­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

мость

почвы

 

а в =0,1

мСм/м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(сухая

почва).

 

 

Так

как

воз­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дух

практически

не

 

проводит

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

электричества,

 

«а

 

границе

с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ним

Jn\s=0.

 

 

Электростатиче­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ский

аналог

должен

удовлет­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ворять

условию

 

D n

| s = 0 ,

т. е.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

поле

 

касательно

 

поверхности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S. (Применим к решению этой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

электростатической

задачи

ме­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тод

изображений.

Из

сообра­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

жений

 

симметрии

 

очевидно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

•что

искомое

иоле

 

создается

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

системой

равных,

одноименных

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

симметричных

относительно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

зарядов;

 

предположим,

что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

заряды

могут

быть

точечными

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

расположены

 

«а

расстоянии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Я = А + б

от

S.

 

Тогда

ф(М)

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

={Q/(4ree„)] (І/Гі+И/гг).

Поле,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.рассчитанное

по

 

этой

формуле

Рис.

5.7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(рис. 6.7), .имеет вблизи заря­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дов эквипотенциальные поверх­

/ і / а ^ 2

не очень

.сильно

отличающиеся

от

 

 

 

ности каплевидной

формы, при

.сферы. Считая

приближенно

эквипо­

тенциальную поверхность фо сферической, совместим

ее с заданной сферой в

диа­

метрально противоположных точках С, и Сг. Тогда для точки

 

Сі: фо={<2/4яєа

Х(1/(а+б) +,1/(2/і+6—а)],

 

а

 

для

точки

 

С2 :

 

фо=№Н4л£а)]ЬЩа—

 

б) +

+ 1/(2/г+6+а)]. Приравнивая эти потенциалы, получаем смещение заряда-изоб­

ражения

из центра сферы:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о =

[(a* -6jj) а] / [(2h + д„)2

-

а2 ] =

0,064 м,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где бо — смещение в нулевом приближении: б0

= а3 /(4Л2 —а2 ) =0,067 м.

 

 

 

 

 

Введем

радиус

эквивалентного

сферического

заземления

в

 

безграничной

среде

 

формулой

0о =

<2/(4яеа

аэ);

 

очевидно,

аэ

=1[1/(а + 6) + 1/(2/і+о—а)]-1

=

= 0,79

м. Найдем

теперь

сопротивление

 

заземления

 

Яз = фо/1,

 

используя

соотношения

электростатической

аналогии

(5.25):

i?3

=

<^o/Q= (4лхтп

а э

) -

1

=

= 10,1 Ом. Потенциал заземления

фа = 1 R3

10,1 В.

поверхности

земли

при

Определим

теперь

распределение

потенциала

по

Ті = Гг~

]^Н2

+ х2:

ф = 2фо аэ //ч.

Касательная

 

составляющая

 

напряженности

электрического

поля:

Е%

=—йф/с1х = 2фо аэ

х/г^;

его

производная

 

dEx

 

ldx=

— 2фо аэ (#2 —х2 )/г^

равна

 

нулю при

x = #

=

2,06

м. Поместив

 

эту

 

точку

в сере­

дину

шага,

определим

 

напряжение

шага

между точками

х А

 

=

1,66

м

и

хв

= 2,46 м: иш

= фАф в = 1 , 1 5 В.

 

L (

единицы длины коаксиального

кабеля

5.9. Определить индуктивность

(рис.

5.4)

при

постоянном

 

токе. Проводники

изготовлены

из

материала

с

а п ;

пространство

между

ними

заполнено диэлектриком с параметрами

 

е а

 

и

ца-

 

 

Указание. Рекомендуется

вычислить запас магнитной энергий в проводниках

и диэлектрике и использовать ф-лу (5.36).

Ответ:

 

 

1

 

V-auV b\

2 л

а

ъх ь*

 

 

5.10. Определить индуктивность катушки, состоящей из N витков и намотан- ной на тороидальный сердечник из магнитного материала с Ці >1 . Размеры тора: а — внутренний радиус; Ь — внешний радиус; А — высота.

Ответ: L =

In-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.11. Найти магнитное поле

А и

Н магнитного

диполя (кольцевого

витка

с током), обладающего магнитным моментом

р м '(1.11) и помещенвого в

начало

сферической системы координат

(ры\\ег).

 

 

 

Ответ:

 

 

Н = •

Рм

(2 cos 9er

- f sin & е$

 

А =

 

Р м Х Є г

 

 

Г2

 

4яг*

 

 

 

4—2

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ