外电场中导体球体系的电势及荷电相关问题研究

来源 :贵州大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:caojun510
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处于均匀电场中的导体球,在电场的作用下发生静电感应,其对空间电场的影响可以等效为一个电偶极矩所产生的电场与均匀电场的叠加。然而,当导体球靠近均匀电场极板时,导体球上的电荷分布又会影响电极板上的电荷分布,从而改变球与极板之间的电场。如果电场中有两个距离较小的导体球,两个球上的感应电荷也会相互作用,改变球上的感应电荷的分布,进而影响空间中的电场分布。当前,对于均匀电场中导体球体系电场计算分析的方法主要包括偶极子近似、有限元法、多极矩模型和多重镜像法。由于计算精度和运算速度的不同,不同方法各有利弊。多重镜像法能同时保证较高的运算速度和计算精度,而且其物理图像清晰。本文主要基于多重镜像法,对导体球与极板体系和两个靠近的导体球体系分别进行计算和分析。均匀电场中的孤立导体球体系,已经有较多的相关研究工作,但是对于导体球电势给定的情况,相关研究工作较少。给定电势的情况,用有限元法来分析已经非常成熟,但由于有限元法运算速度的限制,多重镜像法仍备受关注。之前相关工作一般认为,导体球上的电势值由导体所带电量决定,在解决实际问题时也是这样来处理的。但基于电动力学基本理论分析,实际上,处于外电场中的导体球的电势应该由导体所处的电场强度、导体与电极的距离以及电极电势共同决定。本文分别对均匀电场中靠近极板的导体球体系和均匀电场中两个靠近的导体球体系,在导体球电势给定的条件下,计算了两种体系中相应的镜像电荷分布。再根据电荷分布求解空间中电场强度分布和电势差,从而给出电势差与初阶镜像电荷之间的依赖关系,并给出了相应的拟合公式。通过对比所得到的拟合公式和前人给出的公式,发现在精确计算和分析均匀电场中的导体球体系时,前人的理论忽略了极板电势对给定电势导体球体系空间电场的影响,导致用镜像法来处理这种体系时,初阶镜像电荷值的偏差,从而影响最后的电场分布和电势分布等结果。研究结果表明,尤其当导体球接近电极板或者两个导体球之间距离较小时,这种差别更不能忽视。通过本文的工作,澄清了均匀电场中导体球体系影响电势和电场强度分布的关键因素,给出了反映电势差与初阶镜像电荷的依赖关系的公式。从而有助于拓展多重镜像法的应用范围。
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