Методы расчета электрических полей

Методическое пособие - Математика и статистика

Другие методички по предмету Математика и статистика

ределяются из условия эквипотенциальности поверхностей проводников (1.10) , а также из условий неразрывности тангенциальной составляющей вектора напряженности электрического поля (1.3) и нормальной составляющей вектора электрического смещения (1.4) на границах раздела диэлектриков.

Простой слой заряда обладает следующими основными свойствами.

Во-первых, потенциал простого слоя заряда является непрерывной и ограниченной функцией координат во всём пространстве, включая точки поверхности, на которой расположен этот слой. Отсюда непосредственно вытекает равенство тангенциальных составляющих напряженности электрического поля по обе стороны поля.

Во-вторых, в соответствии с (1.4) нормальная составляющая напряженности электрического поля при переходе через простой слой зарядов испытывает скачёк равный

 

,

 

где и значения нормальной составляющей электрического поля по обе стороны слоя, поверхностная плотность заряда в рассматриваемой точке слоя.

Отсюда следует, что если внутри замкнутой поверхности , покрытой простым слоем зарядов, нормальная к поверхности составляющая напряженности электрического поля равна нулю, то по внешней поверхности

 

.

 

Можно также показать, что в этом случае потенциал на самой поверхности и внутри неё будет постоянным, а также будет равна нулю тангенциальная составляющая напряженности электрического поля на поверхности . Отсюда вытекает, что будет эквипотенциальной поверхностью, а поле будет совпадать с полем проводника такой же формы. Следовательно, с помощью простых слоёв зарядов можно создавать поля, идентичные полям реальных проводников.

3.3.2. Расчет электростатического поля проводников методом интегральных уравнений.

Рассмотрим некоторое тело, ограниченное поверхностью , к которому приложен потенциал (рис. 3.4). Задача состоит в том, чтобы определить такое распределение поверхностной плотности заряда на поверхности , которое обеспечило бы равенство потенциала на ней значению .

 

Рис. 3.4. К расчету электростатического поля методом интегральных уравнений.

 

Пусть точки A и B произвольные точки поверхности , тогда для точки B согласно принципу суперпозиции имеем

 

,(3.10)

 

где расстояние между точками A и B.

Уравнение (3.10) представляет собой интегральное уравнение Фредгольма I рода относительно неизвестной функции . В результате его решения определяется распределение поверхностной плотности заряда по поверхности . Если оно известно, то любые параметры электрического поля определяются по принципу суперпозиции. Так значения потенциала и проекций вектора напряженности электрического поля на координатные оси в произвольной точке M, лежащей вне поверхности определяются как

 

(3.11)

 

где косинусы углов между вектором и направляющими углами координатных осей.

3.3.3. Численная реализация метода интегральных уравнений.

Простейшим вариантом численного решения уравнения (3.10) является следующий метод. Нанесём на поверхность (рис. 3.5) некоторую сетку и в каждой её ячейке выберем расчётную точку (на рис. 3.5 расчетные точки обозначены квадратиками). Примем, что внутри каждой ячейки поверхностная плотность заряда постоянна. Тогда уравнение (3.10) можно переписать в следующем виде:

 

.(3.12)

 

Рис. 3.5. К численному расчету электростатического поля методом интегральных уравнений.

 

Замена интеграла по поверхности в уравнении (3.10) на сумму интегралов по элементам поверхности в (3.12) приводит к замене интегрального уравнения системой линейных алгебраических уравнений с неизвестными . В (3.12) через n обозначено число ячеек сетки на поверхности . Коэффициенты системы уравнений (3.12) определяются выражением

 

.(3.13)

 

При и подынтегральное выражение в (3.13) конечно. Если , то выражение имеет особенность Однако это выражение является интегрируемым. Выделим вблизи расчетной точки диск малого радиуса . Тогда, учитывая, что в данном случае , соответствующий интеграл по этому диску записывается в виде

.

 

Таким образом, определяемые выражением (3.13) коэффициенты конечны как при , так и при .