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
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
-概论
--video
-四个问题
--四个问题
-教学大纲
--Video
-绪论作业
--绪论作业
-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
-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
-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
--电磁相互作用的场
-1.2 真空中电磁相互作用的场方程
-1.3介质中电磁相互作用的场方程
--物质的电磁性质
--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
--动量转化与守恒
--电磁能量传输
--张量力与辐射压力
-第一章 电磁现象的普遍规律--1.5第一章作业
-2.1 静电势及其微分方程
--非极值定理
-2.2 唯一性定理及其应用
--静电唯一性定理
-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
-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
-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
-第二章 静电场和稳恒电流的电磁场--2.12第二章作业