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 > 2.6 格林函数 > 边值问题
下面我们先看
假定我们求解的那个问题
里面的那个φ是第一类边值问题
就是它的边界条件
是边界上的φ的那个值是知道的
那是第一类边值问题
在边界上的值
也就是在这个式子里面
这个是知道的
因为这是在边界上 对不对
但是这个就不知道了
因为它边界那个
要这两个都是 会冲突的
它知道这个就已经
按唯一性定理
就已经把它那个解
可以唯一定下来了
那么这个知道了
为了避免这个边界上
不知道这个的情况
那我就干脆这个是在边界上
要求边界上的这个格林函数
等于0就完了
这项没有
所以我们就可以取
这个格林函数在这个边界上
前面这个变量在边界上是等于0
等于0这项就没有了
这样的话格林函数的边界条件
就确定死了
也是第一类边界条件
那么这项等于0呢
这一项就没有了
就是后面这项和前面这项
就是对第一类边值问题
就是这么一个关系
它和格林函数的
格林函数算出来这个是知道的
然后这个电荷密度是知道的
这个是第一类边值问题
是边界上的电势是知道的
所有的都是知道的
只要格林函数知道
这个φ就做出来了
这是第一类
所以第一类边值问题的
格林函数的边界条件
也是第一类边值
就是在边界上
但是它比较强
是要求格林函数在边界上是等于0
相当于是接地的
就是那个电势
因为格林函数是单位电量的
点电荷产生的电势
那它现在电势是等于0
就是边界是相当于是接地的
如果是第二类边值问题
就是知道这个电势对边界的
那个坐标的那个法向的导数
坐标的那个导数
那么就这个知道
但是这个就不知道
所以按这个想
通常就是取
应该是取这个东西等于0
就把这个取掉
但是不幸的是什么
待会儿我们会证明
这个东西取成0是不行的
取成0会造成矛盾
为什么会造成矛盾
待会儿我们来去说
现在告诉你 仔细告诉你说
这个不能取成0
但是可以取成一个常数
要不造成矛盾
这个常数必须满足一个
特别的条件
这个常数是乘上这个ε0
乘一个负号
这个Sv是什么
这个求解区的边界的这个面积
表面积
就是这个c必须取这么一个
特殊的常数这个才自洽
其他地方就可能有问题
好 就姑且先承认这个
假定这么取了
这是一个常数这是一个数
这个可以拿出去了
然后注意到后面的这个
就变成是 这个φ还是不知道
但是这个φ不知道
它是对s' 对这个r'是积分
积分完了以后就是一个
是不知道
但是积完了就是一个常数
很重要的是它跟这一项
本来是对这个r是有贡献
因为这个φ关心的是什么
关心对这个坐标
空间坐标r的依赖
当你说这个东西
是一个常数的时候
它跟r的依赖已经没有了
这个积分r'积掉
它不知道也没关系
差一个常数
本来这个φ就可以差一个常数
所以在这个时候这一项
虽然是会有贡献
但是贡献一个常数
常数就可以扔掉就完了
就直接扔掉了
就不是它等于0
强行让它没有的
是它是一个跟r没关的常数
就可以只留这个
因为这个
这个r还是有依赖的在这儿
所以在这种情况下
既可以保证它是自洽的
然后又可以让这项没有贡献
最后在第二类边值问题里面
你只要知道这个φ
对这个法向坐标的微商
然后格林函数知道它就有了
这是第二类
这个问题为什么是这样
我们待会儿来去说
还有第一和第二类的混合的
边值问题
就是这个边界上有一部分区域
是知道电势的值
第一类边值
有一类是知道的那个
电势的法向导数
就是分成S1和S2
在S1部分知道电势
S2部分是电势的法向导数
那你就基本上是
只要是这两个能分开
对应的呢 在S1那个区呢
你就是要求格林函数等于0
在S2那个区
要求的格林函数的法向导数等于c
这时候不需要这个常数就可以了
就是相当于把这两个
混合的加一下
这样的话算第一的那个区呢
结果就是这个
第二区的结果就是这个
就是两部分
一个是S1 S2加起来
还有这个边界如果是无穷远
无穷远我们原来的是这个φ
是满足自然边条件
那么如果φ是满足自然边条件
就是说这个是r分之一
然后再微一次商呢
是r平方分之一
对
然后我们同样呢
对格林函数也自然的要求
它是自然边条件
也是它是对
这是r'分之一
这个是也是r'分之一
这个r'分之一
这个微商了一次
是r'平方
所以这是r'的三次方分之一
这个r'分之一
这是r'平方分之一
这是r'的三次方分之一
然后这个大的面的贡献是r'平方项
所以在那个r'趋于无穷大的时候
这个项就趋于0
所以在无穷远的时候
要求它满足
格林函数满足自然边条件
这项根本就没有了
这项就没有了
那么没有了
这个式子就变成这个
所以对无界空间
满足自然边条件的
这个φ就是等于它
就是等于这个
然后无界空间你可以算出来
无界 点源的格林函数
就是我们通常的
一个自由的点电荷的那个表达式
那个就是4πε0什么r分之一
这样的式子
那么乘上它
这个实际上
你把那个点源的代进去
这个就是我们库仑定律给出来
一个一般的电荷密度分布的
那个表达式
只不过现在是用格林函数的方法
重新来去写
就是里面的除ρ之外的那是一个
点源产生的格林函数
这是点源的电势
好 我们这里面还漏一个
这个第二类边值问题
为什么这个不能等于0
我们下面来去看一下
这是刚才的一般的这个关系式
第二类边值问题是说这个已知
边界上
我们本来是想呢
和第一类边值问题对应
是让这个是已知吗
这个不知道
我就干脆让这个里面的
这个系数等于0
这是边界条件嘛对不对
然后我们就告诉你
这个是不行的
为什么不行来看一下
在这个区域里这是一个恒等式
δ函数
然后以我们刚才的格林函数
来去表达这个δ函数
就是这个
这是格林函数满足的方程
这个拉普拉斯算符
可以看成是一个梯度算符
点乘上这个格林函数的梯度
然后这个全散度就可以变到面上
然后把这个的方向
和它点乘拿进去
就变成这个表达式
你看看如果要求这个等于0
这是在面上
这就是这个体积的表面
这是体积的表面的面积分
在这个表面上
如果这个东西等于0
我们取了这个等于0
你就得到一个1等于0
这就矛盾了 这不行的
所以就不能等于0
那么不能等于0 等于什么呢
我就让它等于一个常数
和这个所谓一个常数什么意思
就让它和这个
和这个r'没关系
是等于一个常数
等于一个常数你就可以拿出来了
对不对 积分
拿出来整个这个一积分
就是整个这个体积的表面
表面积就是这个式子
就是我们刚才说的
就是为了保证这个式子是自洽
这个东西必须是等于一个常数
满足这么个关系的这个常数
它这个式子才能自洽
这就是刚才那个结果
所以如果这是一个常数的话
我们说了这项是贡献一个
和你那个r没关的常数
虽然这是不知道 但是没关系
所以可以扔掉
-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