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 >  2.5 保角变换 >  例子

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下一节:一般情况

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例子课程教案、知识点、字幕

下面我们就举两个例子

来去看这个保角变换的

具体怎么算

前面我们实际上解方程的时候

我们讨论过一个

就是二维的这么一个楔 这是导体

然后中间是一个β角

我们当时曾经算过

那是解方程的是可以算

但是那个最后能算出来的

是差一个可以有一个任意的

前面一个系数一个常数

乘在前面定不下来

现在我们用这个保角变换来去算

我们把这个做一个保角变换

这个保角变换的是这个样子的

这个w 对x和y

是这么一个依赖

就是f(z)这是z

f(z)是一个z的π除上β

这么一个幂次的函数

然后等于它

用这个里面的r和θ

你会发觉这个区域

在写成这个w这个

就是ξ和η这个平面上

本来这是一个β角

在这里边就变成一个平板

实际上它这个加这个倍数

实际上是把它放大了

就相当于给它展开了

那么在这个新的这个变量里面

我们说拉普拉斯方程

变成什么了在新的区域里

就是电荷密度变了

在中间这个区域是没有电荷的

是等于0

电荷密度是0

0乘上任何一个东西还是0

所以在这个区域

这个求解区

这个拉普拉斯方程是一样的

那么在这个里面

在变换了以后

它就变成这个导体的

本来是一个折角

在这里面就变成一个平板了

一个平板上在这个区域里

求它的电势是很简单的

这是一个平板之上

这个板上有电荷

这上有电荷

在电场在新的里面

它的电势就是一个电场(乘上法向坐标)

差上一个常数

就是因为电场

在这个导体外面的电场

是法向的就是这个

这个负号是因为E和Φ的梯度

差一个负号

这是一个负号

然后一个常数

本来电势可以差上一个常数

在新的区域

这个电场就是这个

这个e0和这个面上的

电荷密度有关系

你要定出来

知道电荷密度就可以

反正它是一一对应的

所以在新的区域

这个是我们很简单的一个

静电学的问题

很快就给出来了

就这个结果

那你说回到原来的呢

你就把这个解出来呗

这个η和x y的关系

这个是相当于求虚部

解出来就带回来就是了

求这个东西的虚部

然后你求一下虚部就这个表达式

所以这个时候

就把电势就全部的给解出来了

就这样 这个问题就这么简单

就解出来了

再说一个更复杂的

我们原来在三维的例子算过

一个桶 一个大的导体柱

然后旁边是一个线电荷 对不对

这样的解方程的

那你说旁边如果不是一个线电荷

也是一个导体柱

而且这个半径可能

跟旁边那个不一样的

那可能我就不会算了

这个问题就告诉你是怎么算

就是我们如果是桶的话

我们实际上会算

不一定是导体柱

是一个导体围起来的一个薄的壳

如果两个桶

就是外面一个桶

中间一个桶

中间可以有一些介质

或者是真空

这样的还是可以算的

这个你拿高斯定理算

或者是解方程都可以算

就是这个同心的

有两个圆柱

这种的问题是可以算

但是如果这两个圆

比如说导体或者是电荷分布的

是不同心的

这就不会算了

因为你那个柱坐标就不好用了

还有是两个圆柱是错开的

这也不会算

但是我们现在用保角变换

就可以把这样的情况

和这样的情况

通过保角变换

把它变成这样的情况

这样的情况我们会算

然后把这个算出来

再反变换回去就得到了

那这个东西和这个东西

这两个怎么变到这个呢

用的就是这种分式的线性变换

这个分式线性变换呢

具体写下来

这两个情况

用的都是这个样子的变换

实际上是前面提出一个系数

然后分子上是

这是在xy平面

z减去有两个固定的值x1 x2

这块x1 x2

然后怎么来确定这个x1 x2

就是要利用这么一个关系

就在这个圆上

这是圆有一条连线

每一个圆它们通称有一个对称点

假定对这个圆

这个点到这个圆心的距离

和在外面这个点到圆心的距离

两个乘起来一个叫r1 一个叫r2

乘起来要等于

这个圆的半径的平方

就这样一对点叫一个对称点

这个保角变换

这个分式线性变换的这种保角变换

是保证这个关系的

在这个保角变换下一个圆

变到另外一个区域还是圆

然后这两个点

变到那边也还是对称的点

那么保角变换就想希望什么呢

选这两个点

把这个点变的变完以后

变到一个点

变成两个公共圆的圆心

这个点x1这个点

变到这两个公共圆圆心

这个点变到这个圆的无穷远

是这样

通过这个

在这个方程里面

就是这个表达式

就这两个对称点

对第一个圆半径叫p第二个叫q

对第一个圆是这个关系式

对第二个圆是这个关系式

因为第一个x1减p x2减p

是说它们既是第一个圆的对称点

也是第二个圆的对称点

根据这两个式子

把这个x1 x2解出来

就定出来了这个x1 x2

这个也是类似

把这个x1 x2

要求这两个点

既是第一个圆的对称点

也是第二个圆的对称点

一个方程就把它定出来

这样这个变换就

完全的唯一的解出来

这样的话

这两个情况都可以变成

这个可解的情况

可解的情况然后就算出来了

还进一步来去说这样的这个情况

我们记得我们在

解拉普拉斯方程的那个问题里面

还算过说

最简单的是一个球

然后旁边再加一个球 介质球

然后讨论了半天

说那个没法算

那个球的问题那是三维的

如果那个三维的

把它改成是二维的一个柱

一样的去算

只不过那个解的形式会要变一点

从r平方 平方反比变成对数的

是一个柱

那么一个柱

旁边就刚才可以加另外一个柱

一个柱加另外一个柱的情况

在这里面

由于这个保角变换的关系

就可以解出来

就可以严格的解

而不像我们刚才

一个球加另外一个球

我们没办法解析的解

那是三维的

这个二维的是

一个柱加另外一个柱就可以

然后我们就可以讨论

当初在那个问题里面

说的各种问题

就说在这个柱外面

假定这是一个介质

柱外面的这个场

如果这块有什么分区的

会有一些间断的时候

那个场不能再怎么用怎么用的

那个问题一样的

好 到此为止

我们第二章的第五节

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

例子笔记与讨论

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