泊松方程和拉普拉斯方程
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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
除以它們到任意觀察點P的距離
,并且把這些商加在一起,其總和
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:
,叫做勢方程,后來通稱拉普拉斯方程
1813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
,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=-
和高斯定理微分式[
,即可導出靜電場的泊松方程:
,式中
為自由電荷密度,純數
為各分區媒質的相對介電常數,真空介電常數
=8.854×10(法/米。在沒有自由電荷的區域里,
=0,泊松方程就簡化為拉普拉斯方程
。在各分區的公共界面上,
滿足邊值關系
式中
,
指分界面兩邊的不同分區,
為界面上的自由電荷密度,
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]
,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
式中
為傳導電流密度
第一式表明靜磁場可引入磁矢勢A描述:
在各向同性、線性、均勻的磁媒質中,傳導電流密度
[134-1]
0的區域里,磁矢勢滿足的方程為
選用庫侖規范,
·A=0,則得磁矢勢A滿足泊松方程
式中純數
為媒質的相對磁導率, 真空磁導率
=1.257×10(亨/米。在傳導電流密度
=0的區域里,上式簡化為拉普拉斯方程
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。
除以它們到任意觀察點P的距離
,并且把這些商加在一起,其總和
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:
,叫做勢方程,后來通稱拉普拉斯方程
1813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
,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=-
和高斯定理微分式[
,即可導出靜電場的泊松方程:
,式中
為自由電荷密度,純數
為各分區媒質的相對介電常數,真空介電常數
=8.854×10(法/米。在沒有自由電荷的區域里,
=0,泊松方程就簡化為拉普拉斯方程
。在各分區的公共界面上,
滿足邊值關系
式中
,
指分界面兩邊的不同分區,
為界面上的自由電荷密度,
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]
,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
式中
為傳導電流密度
第一式表明靜磁場可引入磁矢勢A描述:
在各向同性、線性、均勻的磁媒質中,傳導電流密度
[134-1]
0的區域里,磁矢勢滿足的方程為
選用庫侖規范,
·A=0,則得磁矢勢A滿足泊松方程
式中純數
為媒質的相對磁導率, 真空磁導率
=1.257×10(亨/米。在傳導電流密度
=0的區域里,上式簡化為拉普拉斯方程
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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