- •Электродинамика
- •Часть I. Основы электродинамики. Статические и квазистационарные процессы.
- •Для участка поверхности , ограниченного контуром справедлива формула Стокса
- •2. Основные законы. Уравнения электродинамики Максвелла. Основные соотношения.
- •2.7. Уравнения Максвелла для сплошных материальных сред. Процедура Лоренца для получения макроскопических усредненных полей. Четыре формы записи уравнений Максвелла.
- •3.Материальные соотношения.
- •4. Граничные условия.
- •5. Электростатика проводников. Основные закономерности электростатических полей.
- •6. Электростатика диэлектриков.
- •7. Постоянный электрический ток.
- •8. Магнитостатика.
- •9. Квазистационарные явления.
- •9.4. Теория цепей.
- •Часть II. Электродинамика быстропеременных процессов.
- •10.6. Фазовая и групповая скорости. Различные способы введения понятия групповой скорости. Скорость переноса энергии.
- •10.11. Потенциалы в электродинамике.
- •10.15. Дисперсионное уравнение для волн в анизотропной среде. Свойства плоских волн в однородной анизотропной среде.
4. Граничные условия.
4.1. Уравнения Максвелла для материальных сплошных сред в интегральной форме. Граничные условия. Дифференциальные системы уравнений Максвелла для материальных сплошных сред в четырех, приведенных выше формах, эквивалентны. Применимы они лишь для описания полей в областях, где нет разрывов (скачков) соответствующих функций. На поверхностях разрыва функций происходит обращение в бесконечность производных. Необходимо иметь граничные условия (соотношения на разрыве) для «сшивания» полей по разные стороны от поверхности разрыва. Такая ситуация возникает, в частности на фронтах ударных волн по причине проявления нелинейности. В линейных задачах разрывы полей возникают на поверхностях (контактные поверхности), разделяющих среды с различными свойствами. Конечно, такая трудность возникает из-за чрезмерной идеализации в постановке задачи. В линейной ситуации поля будут изменяться непрерывно, если заменить границу раздела сред неоднородной переходной областью. Однако это приводит к большому усложнению решения задачи. По этой причине часто используется более «грубая» идеализация резкой границы раздела сред. Боле первичными по отношению к дифференциальным уравнениям Максвелла являются уравнения Максвелла в интегральной форме. «Наиболее первичными», являются уравнения Максвелла в интегральной форме в виде законов сохранения.
Из уравнений в интегральной форме и получаются граничные условия. Отметим, что предельный переход от неоднородной переходной области к резкой границе раздела сред, дает те же граничные условия, что и уравнения в интегральной форме в виде законов сохранения. Это является дополнительным аргументом правильности граничных условий, получаемых из уравнений в интегральной форме.
Начнем с вывода граничного условия для вектора магнитной индукции . Для этого используем интегральную форму
. (4.1)
Применим
(4.1) к цилиндру высотой
(Рис. 4.1) и осью, перпендикулярной к
границе раздела двух сред (1) и (2) и
«вырезающему» из границы элемент
поверхности
Поток
индукции в (4.1 ) складывается из потока
через боковую поверхность (при
этот поток стремится к нулю) и потока
индукции через верхнее и нижнее основания
цилиндра. Выберем площадь оснований
настолько малой, чтобы компоненты
и
в пределах этих оснований в средах (1) и
(2) были бы постоянными. Направления
нормалей
на основаниях цилиндра имеют противоположные
направления, поэтому имеем
,
и формула (4.1) принимает вид
,
или
.
Это условие непрерывности нормальной к границе раздела сред компоненте вектора магнитной индукции.
Получим теперь граничное условие для вектора электрической индукции
,
входящий в третью форму уравнений Максвелла . Имеем первичную интегральную форму
,
.
Используем в качестве поверхность цилиндра, изображенного на Рис.4.1. Действуя аналогично тому, как это делалось при выводе граничного условия для вектора , получим соотношение
,
где
- плотность свободного поверхностного
заряда на границе раздела.
При получении граничных условий для векторов и будем исходить из
уравнений
,
(4.2)
.
(4.3)
С
этой целью выбрана прямоугольная
площадка
,
перпендикулярная границе раздела и
ограниченную контуром
(Рис.4.2). Направления
ортогональны друг другу.
- нормаль к границе раздела. Вектор
- лежит в плоскости границы раздела и
вектор
ортогонален площадке
.
Выбирая
величину
достаточно малой, и устремляя вертикальный
размер
к нулю (при этом площадь
стремится к нулю), будем иметь представления
,
,
,
,
,
,
,
,
получим из (4.2), (4.3) два граничных условия
, (4.4)
. (4.5)
Здесь
-плотность
поверхностного тока проводимости в
направлении
.
Так как выбор
(и соответственно выбор направления
вектора
)
произволен, граничное условие (4.4) можно
записать в виде
,
где
-
произвольное касательное к границе
раздела сред направление. Аналогичные
рассуждения, позволяют представить
граничное условие (4.5) в векторной форме
,
где
-
вектор плотности поверхностного тока
проводимости.
