泊松方程和拉普拉斯方程

1777年,J.L.拉格朗日研究萬有引力作用下的物體運動時指出:在引力體系中,每一質點的質量 泊松方程和拉普拉斯方程的圖1 泊松方程和拉普拉斯方程的圖2除以它們到任意觀察點P的距離 泊松方程和拉普拉斯方程的圖3 泊松方程和拉普拉斯方程的圖4,并且把這些商加在一起,其總和 泊松方程和拉普拉斯方程的圖5即P點的勢函數,勢函數對空間坐標的偏導數正比于在 P點的質點所受總引力的相應分力。1782年,P.S.M.拉普拉斯證明:引力場的勢函數滿足偏微分方程: 泊松方程和拉普拉斯方程的圖6,叫做勢方程,后來通稱拉普拉斯方程 泊松方程和拉普拉斯方程的圖71813年,S.-D.泊松撰文指出,如果觀察點P在充滿引力物質的區域內部,則拉普拉斯方程應修改為 泊松方程和拉普拉斯方程的圖8,叫做泊松方程,式中ρ為引力物質的密度。文中要求重視勢函數 V在電學理論中的應用,并指出導體表面為等熱面。
 靜電場的泊松方程和拉普拉斯方程 若空間分區充滿各向同性、線性、均勻的媒質,則從靜電場強與電勢梯度的關系E=- 泊松方程和拉普拉斯方程的圖9 泊松方程和拉普拉斯方程的圖10和高斯定理微分式[ 泊松方程和拉普拉斯方程的圖11,即可導出靜電場的泊松方程:
泊松方程和拉普拉斯方程的圖12,式中 泊松方程和拉普拉斯方程的圖13為自由電荷密度,純數 泊松方程和拉普拉斯方程的圖14 泊松方程和拉普拉斯方程的圖15為各分區媒質的相對介電常數,真空介電常數 泊松方程和拉普拉斯方程的圖16 泊松方程和拉普拉斯方程的圖17=8.854×10(法/米。在沒有自由電荷的區域里, 泊松方程和拉普拉斯方程的圖18=0,泊松方程就簡化為拉普拉斯方程
泊松方程和拉普拉斯方程的圖19。在各分區的公共界面上, 泊松方程和拉普拉斯方程的圖20滿足邊值關系
泊松方程和拉普拉斯方程的圖21
泊松方程和拉普拉斯方程的圖22式中 泊松方程和拉普拉斯方程的圖23泊松方程和拉普拉斯方程的圖24指分界面兩邊的不同分區, 泊松方程和拉普拉斯方程的圖25 為界面上的自由電荷密度, 泊松方程和拉普拉斯方程的圖26表示邊界面上的內法線方向。
 邊界條件和解的唯一性 為了在給定區域內確定滿足泊松方程以及邊值關系的解,還需給定求解區域邊界上的物理情況,此情況叫做邊界條件。有兩類基本的邊界條件:給定邊界面上各點的電勢,叫做狄利克雷邊界條件;給定邊界面上各點的自由電荷[835-04] 泊松方程和拉普拉斯方程的圖27,叫做諾埃曼邊界條件。
 邊界幾何形狀較簡單區域的靜電場可求得解析解,許多情形下它們是無窮級數,稍復雜的須用計算機求數值解,或用圖解法作等勢面或力線的場圖。
 除了靜電場之外,在電學、磁學、力學、熱學等領域還有許多服從拉普拉斯方程的勢場。各類物理本質完全不同的勢場如果具有相似的邊界條件,則因拉普拉斯方程解的唯一性,任何一個勢場的解,或該勢場模型中實驗測繪的等熱面或流線圖,經過對應物理量的換算之后,可以通用于其他的勢場。
 靜磁場的泊松方程和拉普拉斯方程 在SI制中,靜磁場滿足的方程為
泊松方程和拉普拉斯方程的圖28式中 泊松方程和拉普拉斯方程的圖29為傳導電流密度 泊松方程和拉普拉斯方程的圖30第一式表明靜磁場可引入磁矢勢A描述:
泊松方程和拉普拉斯方程的圖31
 在各向同性、線性、均勻的磁媒質中,傳導電流密度 泊松方程和拉普拉斯方程的圖32[134-1] 泊松方程和拉普拉斯方程的圖330的區域里,磁矢勢滿足的方程為
泊松方程和拉普拉斯方程的圖34選用庫侖規范, 泊松方程和拉普拉斯方程的圖35·A=0,則得磁矢勢A滿足泊松方程
泊松方程和拉普拉斯方程的圖36式中純數 泊松方程和拉普拉斯方程的圖37 泊松方程和拉普拉斯方程的圖38 為媒質的相對磁導率, 真空磁導率 泊松方程和拉普拉斯方程的圖39 泊松方程和拉普拉斯方程的圖40=1.257×10(亨/米。在傳導電流密度 泊松方程和拉普拉斯方程的圖41=0的區域里,上式簡化為拉普拉斯方程
泊松方程和拉普拉斯方程的圖42靜磁場的泊松方程和拉普拉斯方程是矢量方程,它的三個直角分量滿足的方程與靜電勢滿足的方程有相同的形式。對比靜電勢的解,可得矢勢方程的解。
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