Материальные уравнения и границы раздела сред
Записать материальные уравнения для диэлектриков, проводников, магнетиков и теплопроводящих сред. Различать однородность, изотропию и линейность. Выводить условия на границе раздела из интегральных законов. Применять условия преломления линий поля
Предварительные понятия
Среда замыкает систему
В предыдущем уроке мы убедились, что уравнений Максвелла меньше, чем неизвестных: они описывают структуру поля, но не отклик вещества. Недостающие связи между «силовыми» векторами , и «потоковыми» , , даёт среда. Эти связи называют материальными уравнениями; они феноменологические — получены из опыта, а не выведены из первых принципов, — и именно в них сосредоточена вся «инженерия»: марка стали, сорт изоляции, температура проводника.
Вторая тема урока — границы раздела. Внутри однородной среды поле гладкое, и дифференциальные уравнения справедливы. На поверхности, где , , или меняются скачком, производные теряют смысл, и поле тоже испытывает скачок. Какие именно составляющие поля непрерывны, а какие — нет, определяют не новые законы, а те же уравнения Максвелла в интегральной форме, применённые к бесконечно тонкому слою у границы. Тепловое поле подчиняется тем же правилам, что делает его естественной частью этого урока.
Материальные уравнения
Материальные уравнения линейных изотропных сред
Здесь — диэлектрическая проницаемость (Ф/м), — удельная электрическая проводимость (См/м), — магнитная проницаемость (Гн/м), — коэффициент теплопроводности (Вт/(м·К)); и — безразмерные относительные проницаемости. Последнее соотношение — закон Фурье; — плотность теплового потока (Вт/м²), — температура (К).
Первые три уравнения можно записать и через отклик вещества: , где — поляризованность (дипольный момент единицы объёма, Кл/м²), и , где — намагниченность (А/м). В линейной среде и , так что обе формы равносильны. Форма с незаменима для постоянных магнитов, где при (урок о магнитных цепях).
Второе уравнение — закон Ома в локальной (дифференциальной) форме: плотность тока пропорциональна напряжённости в той же точке. Величина — удельное сопротивление (Ом·м). Закон Фурье формально устроен так же, как : поток пропорционален минус градиенту «потенциала», и это сходство позволит в модуле M8 переносить электрические методы на тепловые задачи.
| Среда | , См/м | , Вт/(м·К) | ||
|---|---|---|---|---|
| Воздух | 1,001 | 1 | 0,026 | |
| Полиэтилен | 2,3 | 1 | 0,4 | |
| Трансформаторное масло | 2,2 | 1 | 0,13 | |
| Медь | — | 1 | 400 | |
| Электротехническая сталь | — | … (ненасыщ.) | 30…50 |
Значения ориентировочные; для расчётов следует брать данные конкретной марки материала при рабочей температуре.
Классификация сред
Три независимых признака описывают, насколько «простой» является среда.
Однородные и неоднородные
Среда однородна, если её параметры не зависят от координат: и т. д. Тогда , и уравнение Пуассона принимает простейший вид. В неоднородной среде остаётся под знаком дивергенции. Кусочно-однородная среда — набор однородных областей с границами раздела — важнейший практический случай, и к нему относится вторая половина урока.
Изотропные и анизотропные
Среда изотропна, если её свойства одинаковы по всем направлениям: вектор параллелен , параллелен . В анизотропной среде коэффициент пропорциональности — тензор второго ранга: Тензоры , симметричны, и в главных осях матрица диагональна. Типичный инженерный источник анизотропии — слоистость.
Эффективные свойства слоистой среды
Пакет чередующихся пластин (шихтованный сердечник, слоистая изоляция «бумага–масло») с толщинами , и теплопроводностями , ведёт себя в масштабе, большем периода, как однородная анизотропная среда. Вдоль слоёв потоки складываются (параллельное соединение), поперёк — складываются перепады (последовательное): Для стали ( Вт/(м·К), мм) с лаковой изоляцией ( Вт/(м·К), мм): Поперёк пакета теплопроводность в пять раз хуже, чем вдоль, хотя лак занимает лишь 2 % толщины: тонкий слой с плохой проводимостью «запирает» последовательный путь. Те же формулы с заменой или дают эффективные проницаемости слоистых диэлектриков и шихтованных сердечников [Ландау].
Линейные и нелинейные
Среда линейна, если коэффициенты не зависят от самого поля. Для большинства диэлектриков и проводников это выполняется с высокой точностью вплоть до пробивных напряжённостей. Ферромагнетики — главное исключение: кривая при малых крутая (…), а при насыщении (… Тл) выходит на наклон . Говорить о «проницаемости стали» без указания рабочей точки бессмысленно; различают секущую и дифференциальную проницаемости. Нелинейность другого рода — зависимость свойств от температуры: и особенно . Для металлов где для меди 1/К: нагрев на 100 К увеличивает сопротивление на 39 %. Это связывает электрическую задачу с тепловой (урок о связанных задачах). Формально при нелинейности уравнения поля остаются теми же, но коэффициенты зависят от решения, что требует итерационных методов.
Условия на границе раздела
Пусть поверхность разделяет среды 1 и 2, а единичная нормаль направлена из среды 1 в среду 2 (то же соглашение принято в лаборатории). Индексом обозначим составляющую вектора вдоль , индексом — касательную к поверхности. Дифференциальные уравнения на неприменимы, но интегральные законы справедливы для любой области, в том числе пересекающей границу.
Нормальные составляющие: цилиндр
Возьмём малый цилиндр («таблетку») с основаниями площадью , параллельными , по одному в каждой среде, и высотой . Поток через боковую поверхность исчезает вместе с , остаются потоки через основания: для любого вектора (внешняя нормаль основания в среде 2 совпадает с , в среде 1 противоположна ей).
Условия для нормальных составляющих
Из теоремы Гаусса , где при внутри остаётся только заряд на поверхности : Из : Из закона сохранения заряда : Из баланса энергии для теплового потока (без поверхностных источников тепла):
Касательные составляющие: контур
Возьмём прямоугольный контур со сторонами , параллельными (по одной в каждой среде), и высотой . Площадь контура стремится к нулю, поэтому поток любой конечной величины через него исчезает. Циркуляция вектора сводится к , где — направление длинной стороны, а обход выбран так, что сторона в среде 2 проходится вдоль .
Условия для касательных составляющих
Из закона индукции , где при конечном : Из закона полного тока: ток проводимости через площадку конечной плотности исчезает, ток смещения — тоже, но поверхностный ток с линейной плотностью (А/м), текущий по самой границе, даёт конечный вклад : где — составляющая вдоль (перпендикулярная в плоскости границы). При (нет поверхностного тока) . Температура непрерывна, : скачок на нулевой толщине означал бы бесконечный градиент и бесконечный поток. Исключение — тонкий слой плохого контакта (оксидная плёнка, шероховатость), который моделируют контактным тепловым сопротивлением (м²·К/Вт): где — плотность теплового потока, проходящего из среды 1 в среду 2 (вдоль ); сам поток при этом непрерывен.
Сведём результаты в таблицу. Непрерывны ровно те составляющие, для которых соответствующий интегральный закон не имеет поверхностного источника.
| Поле | Непрерывно | Скачок | Поверхностный источник |
|---|---|---|---|
| Электрическое | заряд | ||
| Магнитное | ток | ||
| Стационарный ток | , | при | — |
| Тепловое | , | контактное сопротивление |
Закон преломления линий поля
Пусть на границе нет поверхностных источников (, ). Обозначим , углы между линией поля и нормалью в средах 1 и 2. Для электрического поля . Из и :
Закон преломления
Аналогично для магнитного поля ( непрерывна, непрерывна): ; для стационарного тока (, ): ; для теплового потока ( непрерывна, касательная составляющая градиента непрерывна в силу непрерывности вдоль границы): .
Линии поля отклоняются от нормали в среде с большим коэффициентом: там, где (или , , ) больше, поле «ложится» вдоль границы, а в среде с малым коэффициентом подходит к границе почти перпендикулярно. Предельный случай объясняет, почему линии выходят из поверхности стали в воздух практически по нормали — этим пользуются при построении картин поля магнитных цепей.
Граница проводников при стационарном токе
Пусть ток течёт поперёк границы двух проводников с разными и . Непрерывность даёт , , откуда Если , на границе обязательно накапливается поверхностный заряд. Он не задаётся извне, а устанавливается сам в течение времени релаксации (для металлов с, для масла — секунды) ровно таким, чтобы обеспечить непрерывность тока. Это ключевое отличие от электростатики, где — независимый источник. Пусть среда 1 — медь, среда 2 — сталь, ток течёт из меди в сталь (вдоль , А/м²), : Заряд ничтожен, но создаваемый им скачок В/м — это и есть то, что гонит ток в менее проводящей стали. Знак подчиняется простому правилу: вдоль направления тока возрастает при входе в худший проводник, и по теореме Гаусса заряд на границе положителен; при переходе из худшего проводника в лучший убывает и заряд отрицателен.
Если же среда 2 — идеальный диэлектрик (), то , значит и : в проводнике у границы ток течёт строго вдоль поверхности, . В диэлектрике при этом может быть каким угодно — он определяется зарядом, накопившимся на поверхности, а не током. Поэтому в задачах о стационарном токе границу проводник–изоляция моделируют условием и не заботятся о внешнем электрическом поле.
Лаборатория
Лаборатория показывает плоскую границу раздела и линию поля, пересекающую её под заданным углом. Четыре вкладки соответствуют четырём строкам таблицы выше: электрическое поле (, ; параметры , и поверхностный заряд ), магнитное поле (, ; , и поверхностный ток ), стационарный ток (, ; , , , — показана накапливающаяся на границе поверхностная плотность заряда) и тепловое поле (, ; , и контактное сопротивление ). Управление: угол падения (от нормали), модуль вектора в среде 1, свойства обеих сред и источник на границе; предустановки соответствуют разобранным в уроке случаям (воздух → диэлектрик, сталь → воздух, медь → сталь). Показания: угол , нормальные и касательные составляющие обоих векторов по обе стороны, скачок, обусловленный источником на границе, и отношение .
Открыть опыт: Границы раздела сред
На какие вопросы отвечает лаборатория:
- Как при линия поля в среде 2 ложится вдоль границы при любом , а при выходит из границы почти по нормали?
- Почему при скачок испытывает только , а по-прежнему непрерывна? Что меняется, если на магнитной вкладке задать ?
- На вкладке тока: как знак накапливающегося заряда зависит от того, течёт ли ток из хорошего проводника в плохой или наоборот?
- На тепловой вкладке: как создаёт скачок при непрерывном ?
Электрическое поле входит из воздуха в диэлектрик
Линия подходит к границе воздух () — диэлектрик () под углом к нормали, кВ/м, поверхностного заряда нет (предустановка «Воздух → диэлектрик» в лаборатории). Тогда В/м. Касательная составляющая сохраняется: В/м. Нормальная уменьшается в раза: В/м. Модуль В/м, угол , . Проверка по закону преломления: . Смещение: нКл/м², нКл/м² — непрерывно, как и должно быть при .
Магнитное поле на границе стали и воздуха
В стали () линия индукции идёт под углом к нормали поверхности. В воздухе () Даже при (линия в стали почти скользит вдоль поверхности) , . Поле в воздухе у поверхности ненасыщенной стали практически нормально к ней — независимо от того, что происходит внутри. При этом непрерывна, а непрерывна, так что : касательная составляющая индукции в воздухе ничтожна.
Распространённые заблуждения
- «Индукция непрерывна на границе». Непрерывна только нормальная составляющая . Касательная при непрерывной скачет в раз — на границе стали и воздуха в тысячу раз.
- «Раз непрерывна, то и непрерывен». Вектор меняет и модуль, и направление: скачет в раз. Непрерывность одной составляющей не означает непрерывности вектора.
- «Поверхностный заряд на границе проводников задаётся внешне». При стационарном токе — не источник, а следствие: он устанавливается сам так, чтобы была непрерывна. Задавать его независимо нельзя.
- Углы измеряются от нормали, а не от поверхности. Закон при отсчёте от поверхности превращается в и даёт обратное отношение.
- « стали равно 1000». Это значение зависит от рабочей точки на кривой ; в насыщении падает до единиц, и условия преломления меняются качественно.
Вопросы и упражнения
- Докажите закон преломления для теплового потока , исходя из непрерывности вдоль границы и непрерывности .
- Линия выходит из диэлектрика с в воздух под углом к нормали; нКл/м². Найдите , , и отношение .
- По границе двух сред течёт поверхностный ток А/м (тонкая листовая обмотка). В среде 1 А/м. Чему равна при двух возможных направлениях относительно ?
- Вычислите и для пакета из стеклоткани ( Вт/(м·К), мм) и эпоксидной смолы ( Вт/(м·К), мм). Насколько велика анизотропия? Почему она гораздо слабее, чем в примере со сталью и лаком?
- Ток плотностью А/м² переходит из алюминия ( См/м) в графитовую щётку ( См/м). Найдите , и знак поверхностного заряда на границе. В каком случае он положителен?
- Контактное сопротивление м²·К/Вт (предельное значение ползунка на тепловой вкладке лаборатории) при Вт/м². Каков скачок температуры? Сравните с перепадом на слое стали толщиной 1 мм ( Вт/(м·К)) при том же потоке.
2. нКл/м², нКл/м². нКл/м². Из : нКл/м². , (проверка: ). , ; отношение — поле в воздухе сильнее. 5. Нормаль направлена из среды 1 (алюминий) в среду 2 (щётка), ток течёт вдоль неё: А/м². Тогда В/м, В/м. С : Кл/м². Заряд положителен, когда ток идёт из лучшего проводника в худший (поле вдоль тока нарастает); при обратном направлении тока — отрицателен.Ответы к пунктам 2 и 5
Итоги
- Материальные уравнения , , , замыкают систему уравнений поля; среда может быть неоднородной (), анизотропной (тензор) и нелинейной (, ).
- Слоистые структуры в крупном масштабе ведут себя как анизотропные среды с разными эффективными коэффициентами вдоль и поперёк слоёв.
- Условия на границе следуют из интегральных законов для исчезающе тонкого цилиндра и контура: непрерывны (при ), , , и , (при ), (при ).
- Закон преломления (и аналоги с , , ): линии поля прижимаются к границе в среде с большим коэффициентом и выходят почти по нормали в среде с малым.
- На границе проводников при стационарном токе поверхностный заряд устанавливается сам — так, чтобы была непрерывна.
Граничные условия на поверхностях раздела — лишь часть постановки задачи. Далее — краевые задачи: какие условия надо задать на внешней границе области, чтобы решение существовало и было единственным.