当前课程知识点:电动力学(上) >  第二章 静电场和稳恒电流的电磁场 >  2.3 拉普拉斯方程-分离变量法 >  柱坐标例2,球坐标例3

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柱坐标例2,球坐标例3

下一节:基本思想

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柱坐标例2,球坐标例3课程教案、知识点、字幕

然后再讨论两个

比较奇怪一点的例子

一个是二维情况下

两个大的导体

然后中间有一块空档

这空档是一个楔子型

这是空的

这上头导体有电荷 中间这个

这一面都是导体

这一面是导体

中间是一个β这个角

要算中间的这电场

相当于是两个导体墙

这一个导体墙

这一个导体墙倒下来

但是没全倒下来

中间支了一个β这个角

是空的

这个导体上有电荷

然后求中间的这个电势

那么这是一个二维的情况

二维的情况

这个通解是这个样子

和这个无穷长

这一面是无穷长和Z没关

就是通解是这样

这时候求解的区域

没包含这个θ等于2π

所以它这个

里面的这个量是可以求

可以是实数

不一定是要整数的

那么我们现在要求呢

因为这是导体

是连着无穷远

无穷远电势为0

所以呢是这个θ角等于0

和θ角等于β

就是这条线上和这条线上

电势是为0

就是θ等于0和θ等于β

那么θ等于0

要求电势为0就是

就是这个项

就cos sinαν

这个是等于0

θ等于β呢

就是cos sinν乘上β乘上αν

这个是等于0

这个要求等于0呢从这个看呢

这个α是二分之π

就是二分之π的奇数倍

就是实际上是sinnπ

这一边呢就是

最后就化成这个项

这个是二分之π的奇数倍

实际上就可以把这个拿掉

这变成sinν乘上θ

如果要求在β等于0呢

就要求这个ν

是等于nπ除上β

为什么呢

因为nπ除上β

你θ等于β呢这一拿掉

这个sinnπ就等于0了

所以这个的通解

实际上这个式子

要换成是这个样子

然后这时候就把这ν定下来

ν是等于nπ除上β

所以代进去

这个项应该没有什么

因为什么

包含这个r等于0的时候

这个是要出现奇异就没有

只有是正的

正的这个是等于nπ除上β

你看它不是正整数

是一个怪里怪气的数

所以这个就是它的现在的通解

那你说这还有这系数呢

这个是由这的边界条件

和这个边界来

实际上这个系数是要由

远处的这个开放的

这一部分的边界条件

现在我们不知道

所以这个是定不下来

但是这知道了它的解

大概形式是这个样子

如果这个里面的最低阶

就是n是等于1的

要是n等于0

就是什么都没有了

n等于1是最低阶

如果是这个

一般的情况下这边的边界

不是很特殊的情况

是没有把这个a1是取

弄成0的

所以一般的情况下

最低阶的这个项

就是a1的那一项

那你如果讨论这个

当离这个原点

比较靠近的这个区域

因为这个越往后这个n越大

这个r很小的时候

贡献就越小

所以呢当靠近

这个原点附近的时候

只有这个最低阶的

贡献是最大的

所以当靠近这个原点呢

你可以高阶都不要

只要它的1阶项

就是这个项

实际上这系数是不知道

但是你能够知道

它和r的依赖和θ的依赖

你可以然后对

就可以算出它的电场的

r分量

沿这个方向和θ方向的分量

就是这个表达式

这个表达式很重要

对θ是这样的依赖

对r的依赖是

上面是π比β减1

是这么一个依赖

这是告诉你什么

它在这块

随着离这距离有多远

它这个电场的依赖关系

那么你还可以知道了这块电场

你可以通过那个

贴近这个表面就可以算出

它这个表面的的这个电荷

因为里面的电场是没有

两个电场法线电场一做差

就可以知道它面电荷密度

电荷密度是这样

这个很重要的告诉你

它对r的依赖

就看这个对r的依赖

和这个中间这个

β角是有关系的

所以如果这个夹角是45度

就是这样的 45度

你看45度是

这个β是四分之π

四分之π

这一翻过来π约掉就是4减1

就是对r是三次方依赖

所以这是三次方

然后这是二分之π依赖

这个你自己算一算

这就是r的一次方

如果是平面 就是平面的

这个就是π的依赖

这就是跟r不依赖

如果是

这是二分之π三依赖

就是r的负三分之一

如果是2π的

就是负二分之一

就是直接就套这个

这个依赖就是了

这个告诉你什么呢

就是如果是锐角或者是这种

它都是r的正幂次

r的正幂次什么意思

就随着r趋近于这个

楔的这个尖这一块

它电荷越来越少

到尖这块没电荷了

就r趋于0的时候它趋于0

这些都趋于0

如果是这种凸的这种尖

凸出来的

不是中间是空的

是外面是空的

是一个尖的这样的

那么这块就是奇异的

就r趋于0

这是趋于无穷大

电荷集中在尖锐的那个地方

而且越这个尖

这个尖锐的越厉害

基本上是这么

这说是二维的

两个大平板这么一个角

如果你换成三维的

就是这样

一个旋转一个锥形

锥形这从中间这个

实际上这个整个张开的

是2β角

这是一个β角

那么三维的呢

这里面的解就是这个

这也是一个轴对称这样

那么通解是这个样子

然后这个在中间

包括r等于0

所以这是b的这一项都没有

然后只有这个项

这个项呢要保证这个

θ等于β的时候是导体上

所以就要求这个条件

这个条件倒过来定

这个ν满足 这个ν是实数

满足这给定一个cosβ

要求这个东西等于0反解出

这实际上是有无穷多个解

根据这个来去确定

我们最后的这个解

就是这个样子

这个里面的第n个解

按这个大小来去写

这是这个通解实际上

这是真正的是一个锥的这个情况

那么在领头的那个项

就是这个ν最小的一个

就是它的这个方程的第一个解

ν最小的那个解代进去就是

然后你可以算它的电场

也可以算它的这个面电荷密度

就是这个面上

然后呢定性的你可以知道

当这个β是小于二分之π时候

就是这么一个尖的一个

一个漏斗似的

这样的情况下

这个ν1是大于1的

大于1这就是正

也就是说这个

中间是这么凹在里面的

这么一个空的那个锥形的

那里面的尖上呢

电荷是趋于0的是这样

如果是β是大于二分之π

就是凸的 这么着的

就是像一个红缨枪

那个枪头似的

那样的话这个是小于1

小于1这个就是负的

所以在趋于0

那个通常我们说尖端的地方

集聚电荷

就是这是解析给出来的

这可以给出它们一个

当这个β非常小

趋于0的时候一个近似的

这个β非常趋于π的时候

是给出一个近似的

这样的这个结果

好 第二章第三节

求解拉普拉斯方程

来去计算静电势分布讨论

就介绍到这里

电动力学(上)课程列表:

绪论

-概论

--video

-四个问题

--四个问题

-教学大纲

--Video

-绪论作业

--绪论作业

第零章 数学准备

-0.1 矢量分析

--矢量的直观定义

--矢量间的点乘

--矢量间的叉乘

--三角形的边与角

--空间转动与矢量

--张量的推广与各向同性张量

-0.2 场论

--场的定义

--场的微分性质

--梯度的线积分

--散度的体积分

--旋度的面积分

-0.3 δ函数

--一维空间δ函数

--三维空间δ函数

-0.4 曲线坐标

--柱坐标

--球坐标

-0.5 亥姆霍兹定理

--亥姆霍兹定理

-第零章 数学准备--0.6第零章作业

第一章 电磁现象的普遍规律

-1.1 电磁相互作用的源和场与真空中的基本实验定律

--电磁相互作用的源

--真空中的基本实验定律

--电磁相互作用的场

-1.2 真空中电磁相互作用的场方程

--麦克斯韦方程组的积分形式

--麦克斯韦方程组的微分形式

-1.3介质中电磁相互作用的场方程

--物质的电磁性质

--极化电荷与磁化电荷

--物质中的电磁场方程

--电磁场的边值关系

-1.4电磁相互作用能量动量的转化与守恒

--场和电荷系统的能量转化与守恒定律的一般形式

--能量转化与守恒-能量密度、能流密度与洛伦兹力

--动量转化与守恒

--电磁能量传输

--张量力与辐射压力

--角动量守恒与磁单极、电荷量子化

-第一章 电磁现象的普遍规律--1.5第一章作业

第二章 静电场和稳恒电流的电磁场

-2.1 静电势及其微分方程

--电势及其满足的微分方程

--非极值定理

-2.2 唯一性定理及其应用

--静电唯一性定理

--有导体存在时的唯一性定理

--有导体存在时唯一性定理举例

-2.3 拉普拉斯方程-分离变量法

--齐次与非齐次方程

--球坐标,柱坐标

--球坐标例1

--柱坐标例1

--球坐标例2

--柱坐标例2,球坐标例3

-2.4 镜像法

--基本思想

--例1、2、3

--例4

--例5

-2.5 保角变换

--二维场论

--二维拉普拉斯方程

--例子

-2.6 格林函数

--一般情况

--边值问题

--例子

-2.7 静电场的能量

--静电场的能量

--相互作用能

--汤姆森定理

-2.8 稳恒电流的电场

--恒定电流的电场

--例1

--例2

-2.9 稳恒电流的磁场

--矢量势及其方程

--稳恒电流磁场的能量

-2.10 磁场问题的一般解法

--无传导电流无剩磁

--无传导电流有剩磁

--有传导电流

--磁镜像法

-2.11 多极展开

--一般讨论

--电势的多极展开,电多极矩

--带电体在外场中的能量,受力和力矩

--矢量势的多极展开,磁多极矩

-第二章 静电场和稳恒电流的电磁场--2.12第二章作业

柱坐标例2,球坐标例3笔记与讨论

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