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為什么理想導(dǎo)體內(nèi)部的電場,磁場,以及電流在任何情況下都恒等于0?

2023-01-12 13:44 作者:1328154974  | 我要投稿

之前在理解理想導(dǎo)體內(nèi)部電場為0時一直存在誤區(qū),這誤區(qū)就是在靜電場建立過程中誤以為理想導(dǎo)體內(nèi)部電場不為0,理想導(dǎo)體內(nèi)部電場為0是指靜電場建立之后,理想導(dǎo)體內(nèi)部電場才為0,我們知道在從一種靜電平衡到達另外一種靜電平衡時,理想導(dǎo)體表面會積累出不同的電荷密度分布,從而導(dǎo)致導(dǎo)體內(nèi)部在外電場和表面電荷產(chǎn)生的電場作用下,內(nèi)部的合成電場為0,以前一直誤以為在不同靜電平衡狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時理想導(dǎo)體內(nèi)部有電流和電場,所謂的理想導(dǎo)體內(nèi)部電場為0只是在靜電平衡已經(jīng)完成之后出現(xiàn)的情況,但這種理解在時變電磁場中根本無法進行,因為時變電磁場可以看成不同的靜電平衡以非常快速的轉(zhuǎn)換在進行,那這時候時變電磁場中導(dǎo)體內(nèi)部的電場和電流總不為0了吧?但是,時變電磁場中的理想導(dǎo)體內(nèi)部電場和電流也一直為0!??!理想導(dǎo)體內(nèi)部總電場為0可以用類似反證法的方法證明,因為若是電場不為0,則J=σE(其中σ為電導(dǎo)率,在理想導(dǎo)體中為無窮大)中的J為無窮大,誰也沒有見過無窮大的電流,所以電場必須時刻為0,這個時候還不能直接說導(dǎo)體內(nèi)部的電流也為0,因為趨于無窮大的導(dǎo)電率乘以等于0的電場可能會出現(xiàn)有限值的電流,理想導(dǎo)電體內(nèi)部體電流一定為0我們可以分成靜電場和時變電磁場兩種情況討論,在靜電場下毫無疑問理想導(dǎo)體內(nèi)部電流或電流密度一定為0,否則它就不會是靜電場,而是一個時變電場問題。在時變電磁場中為什么理想導(dǎo)體內(nèi)部的體電流一定為0呢?這里可以通過導(dǎo)體的集膚效應(yīng)來說明,

下圖介紹一下導(dǎo)體的集膚效應(yīng),還有集膚深度的表達式,(參考馮慈璋,馬西奎的《工程電磁場導(dǎo)論》)

從集膚深度的表達式可以看出,肌膚深度與電導(dǎo)率的1/2次方成反比,而理想導(dǎo)體中電導(dǎo)率是無窮,集膚深度為0,所以場量只能存在于導(dǎo)體表面上,理想導(dǎo)體上自然也不存在內(nèi)部電流密度而只存在表面電荷或表面電流密度。

總結(jié)來說,其實電流和電場從來沒有在理想導(dǎo)體內(nèi)部出現(xiàn)過,電場和電流一直只存在于理想導(dǎo)體的表面并且隨著外電場變化,會出現(xiàn)表面電流或表面電荷的移動。

那么理想導(dǎo)體中磁場為什么也為0呢?

同樣我們分成恒定磁場和時變電磁場兩種情況進行分析,

恒定磁場時:

有這樣的公式,

處于恒定磁場下的理想導(dǎo)體內(nèi)部的電流恒為0,但是通過上式并不能說明恒定磁場時H或者B為0,只能說明。我無法證明恒定磁場下理想導(dǎo)體內(nèi)部的磁場為0.

時變電磁場時:

因為理想導(dǎo)體內(nèi)部電場為0,根據(jù)上式,磁場B隨時間不變化,B必定為一個常數(shù),而時變電磁場的特點是電場和磁場都在變化,那么導(dǎo)體中不變化的磁場一定是0,如果不是0,那么B會變化,與磁場B不隨時間變化有矛盾。



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