如何理解二維拉普拉斯方程的物理含義?

時間 2021-06-22 05:20:00

1樓:雪野

這是乙個電磁學問題,因此想要理解此方程的本質必須要從Maxwell方程組入手。

這是微分形式的Maxwell方程組:

這是積分形式的Maxwell方程組:

學過微積分的同學都知道積分形式的Maxwell方程組是什麼意思,但對於微分形式的可能不太理解。事實上微分形式的麥氏方程組就是積分形式在積分區域趨於無限小時的極限,比如說第乙個式子,你可以理解為先作乙個閉合曲面,然後讓這個閉合曲面縮小到非常具體的乙個點,穿過這個閉合曲面的電位移向量的通量就等於裡面包圍的電荷量,即電荷密度。

在恆定電場的情況下,磁場也不會隨著時間變化,因此微分形式的2式變成:

積分形式的2式變成:

靜電場強度向量是沒有旋度的,沒有旋度的場有什麼性質呢?上式說明了這個問題——沒有旋度的場是保守場,即對保守場作乙個環路積分,最終結果是0。這是容易理解的,因為如果場有旋度,那它肯定是乙個閉合的,首尾相接的場,它的環路積分就不是0,因為閉合場繞一圈積分,它的積分數值總體上是「單調」的,只會一直增加或者減少,不會出現一部分增加,一部分減少的情況。

E是向量函式,有三個分量,計算起來相當麻煩。但是E是無旋的,這就意味著我們可以用乙個標量函式梯度去表示E,因為任意標量函式的梯度恰好也是無旋的,到這裡電位函式出現了:

將這個式子代入微分方程組的1式中,得到Poisson方程:

其中ε是表徵D和E關係的係數

如果ρ為0,即關注的區域內沒有電荷分布,就得到Laplace方程:

如果電位函式在z方向是均勻的,即ψ只與x,y有關與z無關,就得到二維Laplace方程:

綜上所述,電位函式的二次空間微分表徵了這一點的電量分布;Laplace方程就是在沒有電量分布的情況下電位滿足的方程。

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