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
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
-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