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电动力学 第13周作业

Chasse_neige

5. 拉普拉斯方程,分离变量法

书2.2, 2.4, 2.18

2.2 在均匀外电场中置入半径为 R0 的导体球,试用分离变数法求下列两种情况的电势:

(1) 导体球上接有电池,使球与地保持电势差 Φ0

假设球心在垂直电场方向上到无穷远处的电势为 ϕ0 ,均匀外电场大小为 E0 ,位矢与外电场夹角为 θ

ϕ(r,θ)=n(Anrn+Bn1rn+1)Pn(cosθ)

保留 n=0 以及 n=1

ϕ(r,θ)=A0+B0r+(A1r+B1r2)cosθ

带入 θ=π2,r,ϕ=ϕ0,所以 A0=ϕ0

r=R0 时,ϕ=Φ0 ,所以 A1R0+B1R02=0

A0+B0R0=Φ0B0=R0(Φ0ϕ0)

再利用电场定出剩余系数

E=ϕ=r^r(A0+B0r+(A1r+B1r2)cosθ)θ^rθ(A0+B0r+(A1r+B1r2)cosθ)=B0r2r^A1cosθr^+2B1r3cosθr^+1r(A1r+B1r2)sinθθ^=R0(Φ0ϕ0)r2r^A1cosθr^+A1sinθθ^+2B1r3cosθr^+B1r3sinθθ^

r,θ=0 时,电场大小为 E0 ,所以

A1=E0E0R0+B1R02=0B1=E0R03

所以电势分布为

ϕ(r,θ)=ϕ0+R0(Φ0ϕ0)rE0rcosθ+E0R03r2cosθ(r>R0)

(2) 导体球上带总电荷 Q

假设球心在垂直电场方向上到无穷远处的电势为 ϕ0 ,均匀外电场大小为 E0 ,位矢与外电场夹角为 θ

同样保留球坐标下拉普拉斯方程解的前两项

保留 n=0 以及 n=1

ϕ(r,θ)=A0+B0r+(A1r+B1r2)cosθ

带入 θ=π2,r,ϕ=ϕ0,所以 A0=ϕ0

r=R0 时,ϕ 为常数 ,所以 A1R0+B1R02=0

再利用电场定出剩余系数

E=ϕ=r^r(A0+B0r+(A1r+B1r2)cosθ)θ^rθ(A0+B0r+(A1r+B1r2)cosθ)=B0r2r^A1cosθr^+2B1r3cosθr^+1r(A1r+B1r2)sinθθ^=B0r2r^A1cosθr^+A1sinθθ^+2B1r3cosθr^+B1r3sinθθ^

r,θ=0 时,电场大小为 E0 ,所以

A1=E0E0R0+B1R02=0B1=E0R03

因为导体球表面带电量为 Q ,所以

Q=ϵ0dSE=ϵ0dS(B0R02A1cosθ)Q=ϵ04πB0B0=Q4πϵ0

所以电势分布为

ϕ(r,θ)=ϕ0+Q4πϵ0rE0rcosθ+E0R03r2cosθ(r>R0)

2.4 均匀介质球(电容率为 ε1)的中心置一自由电偶极子 pt,球外充满了另一种介质(电容率为 ε2),求空间各点的电势和极化电荷分布。

提示:同上题,ϕ=ptr4πϵ1r3+ϕ,而 ϕ 满足拉普拉斯方程。

ϕ(r,θ)=n(Anrn+Bn1rn+1)Pn(cosθ)

保留前两项

由于 ϕ 在原点处不发散,所以在 r<R0 区域

ϕ(r,θ)=A0+B0r+(A1r+B1r2)cosθB0=B1=0

电场

E=(ϕ+ptr4πϵ1r3)=r^r(A0+A1rcosθ+ptcosθ4πϵ1r2)θ^rθ(A0+A1r+cosθ+ptcosθ4πϵ1r2)=A1cosθr^+A1sinθθ^+pt2πϵ1r3cosθr^+pt4πϵ1r3sinθθ^

由于无穷远处电势为0,所以在 r>R0 区域

ϕ(r,θ)=C0+D0r+(C1r+D1r2)cosθC0=C1=0

再利用电场确定剩余系数

E=ϕ=r^r(D0r+D1r2cosθ)θ^rθ(D0r+D1r2cosθ)=D0r2r^+2D1r3cosθr^+D1r3sinθθ^

r=R0 处电势连续

A0=D0R0A1R0+pt4πϵ1R02=D1R02

r=R0 处电场强度切向连续

A1+pt4πϵ1R03=D1R03

r=R0 处电位移矢量法向连续

ϵ1B0=ϵ2D0=0ϵ1(pt2πϵ1R03A1)=ϵ22D1R03

可以解出

A0=D0=0A1=(ϵ1ϵ2)pt2πϵ1(ϵ1+2ϵ2)R03D1=3pt4π(ϵ1+2ϵ2)

所以电势分布为

ϕ={3(ptr)4π(ϵ1+2ϵ2)r3(r>R0)ptr4πϵ1r3+2(ϵ1ϵ2)(ptr)4πϵ1(ϵ1+2ϵ2)R03(r<R0)

极化电荷分布

球心处有极化偶极子 p=(ε0ε11)pt

球面上有极化面电荷 σp=3(ε1ε2)ε0pt2πε1(ε1+2ε2)R03cosθ

2.18 一半径为 R0 的球面,在球坐标 0<θ<π2 的半球面上电势为 ϕ0,在 π2<θ<π 的半球面上电势为 ϕ0,求空间各点电势。

ϕ(r,θ)=n(Anrn+Bn1rn+1)Pn(cosθ)

分为 r<R0 以及 r>R0 两块空间求解

对于 r<R0

由于电势在球心处不发散,所以 Bn=0

ϕ(r,θ)=nAnrnPn(cosθ)

利用勒让德多项式的正交性

0πϕ(R0,θ)Pn(cosθ)sinθdθ=10ϕ0Pn(x)dx+01ϕ0Pn(x)dx=(1)n+1ϕ0Pn+1(x)Pn1(x)2n+1|01+ϕ0Pn+1(x)Pn1(x)2n+1|01={0(n是偶数)2ϕ0Pn1(0)Pn+1(0)2n+1(n是奇数)

所以

11AnR0nPn2(x)dx={0(n是偶数)2ϕ0Pn1(0)Pn+1(0)2n+1(n是奇数)

n 是奇数时

An=ϕ0R0n(Pn1(0)Pn+1(0))=(1)n12ϕ0R0n(n2)!!(n+1)!!(2n+1)

所以

ϕ(r,θ)=n=0(1)n(4n+3)(2n1)!!(2n+2)!!ϕ0(rR0)2n+1P2n+1(cosθ)

对于 r>R0

由于电势在无穷远处不发散,所以 An=0

ϕ(r,θ)=nBnrn+1Pn(cosθ)

利用勒让德多项式的正交性

0πϕ(R0,θ)Pn(cosθ)sinθdθ=10ϕ0Pn(x)dx+01ϕ0Pn(x)dx=(1)n+1ϕ0Pn+1(x)Pn1(x)2n+1|01+ϕ0Pn+1(x)Pn1(x)2n+1|01={0(n是偶数)2ϕ0Pn1(0)Pn+1(0)2n+1(n是奇数)

所以

11BnR0n+1Pn2(x)dx={0(n是偶数)2ϕ0Pn1(0)Pn+1(0)2n+1(n是奇数)

n 是偶数时

Bn=ϕ0R0n+1(Pn1(0)Pn+1(0))=(1)n12ϕ0R0n+1(n2)!!(n+1)!!(2n+1)

所以

ϕ(r,θ)=n=0(1)n(4n+3)(2n1)!!(2n+2)!!ϕ0(R0r)2n+2P2n+1(cosθ)

所以电势分布为

ϕ(r,θ)={n=0(1)n(4n+3)(2n1)!!(2n+2)!!ϕ0(rR0)2n+1P2n+1(cosθ)(r<R0)n=0(1)n(4n+3)(2n1)!!(2n+2)!!ϕ0(R0r)2n+2P2n+1(cosθ)(r>R0)

提示:

01Pn(x)dx=Pn+1(x)Pn1(x)2n+1|01Pn(1)=1Pn(0)={0(n=)(1)n2135(n1)246n(n=)

6. 格林函数

书2.19

2.19 上题能用格林函数方法求解吗?结果如何?

可以使用格林函数求解

写出对于球形边界满足第一类边界条件的格林函数

G(r,r)=14πϵ0(1|rr|R0r|rR02r2r|)

所以电势分布为

ϕ(r)=ϵ0Sϕ(R0,α)dSG(r,r)nG(r,r)n=r^14πϵ0(1|rr|R0r|rR02r2r|)=r^14πϵ0(rr|rr|3+R0rr3|rR02r2r|+R0rrR02r2r|rR02r2r|3(2R02r4rrR02r2I))

r=R0

G(r,r)n|r=R0=14πϵ0R0|r2R02||rr|3

所以

ϕ(r)=Sϕ(R0,α)14πR0|r2R02||rr|3dS

展开被积函数为勒让德多项式

112xt+t2=ntnPn(x)

两侧对 t 偏导,所以

xt(12xt+t2)32=nntn1Pn(x)1t2(12xt+t2)32=12xt+t2+2xt2t2(12xt+t2)32=112xt+t2+2t(xt)(12xt+t2)32=n(1+2n)tnPn(x)

带入 x=cosγ 以及 t=r<r>γrr 的夹角,α 为积分点和 z 轴的夹角,θ 为场点和z 轴的夹角)

所以在球内(取 αϕ 为积分用的球坐标,其中ϕ 的起始位置为 r 的投影位置)

ϕ(r,θ)=14πR02Sϕ(R0,α)n(1+2n)(rR0)nPn(cosγ)dS=n1+2n4π0π02π(rR0)nϕ(R0,α)Pn(sinθsinαcosϕ+cosθcosα)sinαdαdϕ=n1+2n4π0π02π(rR0)nϕ(R0,α)Pn(cosθ)Pn(cosα)sinαdαdϕ=n1+2n20π(rR0)nϕ(R0,α)Pn(cosθ)Pn(cosα)sinαdα=n1+2n2(rR0)nPn(cosθ)11ϕ(R0,α)Pn(cosα)sinαd(cosα)=n1+2n2(rR0)nPn(cosθ)(10ϕ0Pn(x)dx+01ϕ0Pn(x)dx)=n1+2n2(rR0)nPn(cosθ)((1)n+1ϕ0Pn+1(x)Pn1(x)2n+1|01+ϕ0Pn+1(x)Pn1(x)2n+1|01)=n=0(1)n(4n+3)(2n1)!!(2n+2)!!ϕ0(rR0)2n+1P2n+1(cosθ)

同理,在球外

ϕ(r,θ)=14πR02Sϕ(R0,α)n(1+2n)(R0r)n+1Pn(cosγ)dS=n1+2n4π0π02π(R0r)n+1ϕ(R0,α)Pn(sinθsinαcosϕ+cosθcosα)sinαdαdϕ=n1+2n4π0π02π(R0r)n+1ϕ(R0,α)Pn(cosθ)Pn(cosα)sinαdαdϕ=n1+2n20π(R0r)n+1ϕ(R0,α)Pn(cosθ)Pn(cosα)sinαdα=n1+2n2(R0r)n+1Pn(cosθ)11ϕ(R0,α)Pn(cosα)sinαd(cosα)=n1+2n2(R0r)n+1Pn(cosθ)(10ϕ0Pn(x)dx+01ϕ0Pn(x)dx)=n1+2n2(R0r)n+1Pn(cosθ)((1)n+1ϕ0Pn+1(x)Pn1(x)2n+1|01+ϕ0Pn+1(x)Pn1(x)2n+1|01)=n=0(1)n(4n+3)(2n1)!!(2n+2)!!ϕ0(R0r)2n+2P2n+1(cosθ)

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