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 > 2.4 镜像法 > 基本思想
大家好 我们现在开始介绍
第二章静电场和稳恒电流的
电磁场的第一部分的
第四节镜像法
我们在前面几节里面已经介绍了
用唯一性定理来讨论静电场
还有直接解拉普拉斯方程
来计算静电场
那么在这一节里面
我们讨论第三种方法
也就是镜像法
这节里面我们分两部分
一个是把镜像法的基本的想法
是怎么一个考虑
给大家交待一下
然后通过具体的5个例子
来告诉大家
怎么应用镜像法来计算静电场
首先我们考虑这么一个
真空中的相当于是
麦克斯方程组静电势
假定真空中的电荷
密度分布是用ρ来描述
我们知道
电势就满足这样的非齐次的
拉普拉斯方程
我们镜像法的考虑实际上就是
设法要去求解这个方程
来去解出电势
镜像法原始的想法是
从这里开始的
首先我们在电势电荷分布上
叠加一个点电荷的电势
这个点电荷的电量是q
然后它的位置是在r0这块
那么叠加了点电荷
以后的电势叫Φ'
也就是原来没有点电荷
光有ρ的分布的电势是Φ
然后加上点电荷的电势
就是库仑定律给出来的电势分布
我们看一下Φ'
所满足的方程
用拉普拉斯算符作用到Φ'上
然后是作用到Φ上
然后作用到后面这个上
作用到后面这个
因为是点电荷的
就是点电荷贡献的
实际上就是把ρ
换成点电荷的电荷密度
就是q乘上δ函数
所以前面这一项
就是用这个结果
后面的直接是用把ρ换成
点电荷的电荷密度就是了
就是q乘上这个δ函数
因此Φ'满足的拉普拉斯方程
是这个样子
它跟原来的这个拉普拉斯方程
多了一个点电荷
对电荷密度的贡献
我们发觉这个δ函数
如果点电荷的位置这个r0
不在你要考虑研究的讨论的
那个求解的区域里面
那么也就说在求解区
这个r永远等于不了r0
r0在这个求解区外面
那么这项就恒等于0
因此不在这时候
这个恒等于0
这项没有
那么Φ'的方程
和Φ的方程就完全一样
但是如果这个点电荷在求解区
这个r就有可能等于r0
所以这一项就不能忽略
在求解区里面
这一项就
可能会有对非0的贡献
这时候含了点电荷的体系的方程
Φ'的方程
和Φ的方程就不一样
那么把这个性质考虑进来
我们就知道
如果你在一个求解的区域
求静电势
那么在求解区域之外
加一个点电荷
对于这个求解区的电势的分布
实际上是没影响的
就是因为这个性质
也就是在求解区
这个点电荷的贡献是等于0的
这个就是镜像法最基本的一个
物理的依据
有了这个结果
我们看这个镜像法是怎么考虑的
因为这是方程
刚才说了在非求解区加点电荷
是不影响这个方程的
因为方程还是一样的
都是这个样子的
所以我就可以在
非求解区加任意
加一个不影响
再加两个加三个都不影响
因为有叠加原理
我们就可以通过
在非求解区不断的加点电荷
让你的解会有变化
方程都是一样的
但是边界条件可能就不一样了
就是我通过在非求解区
加一些点电荷来修改这个解
让这个解满足边界条件
因为我们最后
通过上面一节解拉普拉斯方程
我们知道是偏微分方程
是方程和边界条件联合起来
来把这个解固定下来的
现在方程都是一样的
那么我们通过在非求解区
加点电荷让它满足那些
你这个物理问题所需要的边界条件
那么在非求解区加的电荷
我们叫镜像法里面的像电荷
它一般不是我们真正
这个物理体系实际存在的电荷
它只是说它的效果
它在求解区产生的电势的效果
和你物理的那些电荷
产生的效果是一样的
是这么一个效果
那么我们最后说一下
整个镜像法基本就是
通过在非求解区不断的加
一些镜像电荷
让这个解调整的使物理问题的
边界条件能够满足
你如果能够做到这个
你本来的方程
你加了那个像电荷
是不改变那个方程的
都是方程的解
但是光从方程来说
本来是有无穷多的解
你需要靠边界条件定下来
在上一节直接解方程和边界条件
那是通过边界条件
定出那个解的那些系数
现在不是用写出通解
定系数的方式
而是在非求解区不断的加点电荷
然后来去让那个边界条件满足
这是和解方程和边界条件
那是另外一种做法
这就是镜像法的基本的想法
-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