电磁场与电磁波第一章节幻灯片.pptVIP

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1.5 亥姆霍兹定理 矢量场的散度、旋度和标量场的梯度都是场的重要量度,亥姆霍兹定理(Helmholtz theorem)是矢量场共同性质的总结。 本节要点 亥姆霍兹定理 矢量场的性质,完全可以由它的散度和旋度来表明;标量场的性质则完全可由它的梯度来表明。 如果一个场的旋度为零,则称为无旋场;如果一个场的散度为零,则称为无散场。 就矢量场的整体而言,无旋场的散度不能处处为零;同样无散场的旋度也不能处处为零,否则场就不存在 源看作是场的起因 散度对应发散源(divergence source) 旋度对应旋涡源(rotational source) 设一个矢量场既有散度,又有旋度 ,则它可以表示为一 个无旋场分量和无散场分量之和 ,即 亥姆霍兹定理 其中无旋场分量A1的散度不等于零,设为? ,无散场分量A2的旋度不等于零,设为J ,则 A的散度代表着形成矢量场的一种源—标量源 A的旋度代表着形成矢量场的另一种源—矢量源。 亥姆霍兹定理 亥姆霍兹定理告诉 我们,研究任何一个矢量场(如电场、磁场)等,需要从散度和旋度两个方面去研究,或者是从通量和环量两个角度去研究。 一般来说, 当一个矢量场的 两类源(?、J) 在空间的分布确定时, 该矢量场就唯一地 确定了,这一规律 称为亥姆霍兹定理。 源和场的关系小结 A= ??F ??A=J ??A= 0 J 连续场 有旋场 无散场 矢量源 A=?u ??A= 0 ? 保守场 有势场 无旋场 标量源 2.2-1 球坐标与直角坐标系的转换 ? ? x y z O azcos? ar aysin?sin? axsin?cos? (1)单位矢量之间的转换 类似可得另两个单位矢量与直角坐标之间的变换关系 (2)球坐标系的拉梅系数 球坐标中的拉梅常数为 空间一点沿r、?和?方向的长度增量分别为 (3)球坐标系的积分 dS? = a? dlrdl? =a? rdrd? dS? = a? dlrdl? =a? rsin? drd? dSr = ar dl? dl? =ar r2sin? d?d? dV= r2sin? drd?d? x y z 1.3 矢量场(vector field) 赋予物理意义的矢性函数称为矢量场 本节要点 矢量线 通量和散度 环量和旋度 1.矢量线(vector line) 如:静电场的电力线、磁场的磁力线、 流速场中的流线等 矢量线的方程为 在直角坐标系中,其表达式为 所谓矢量线,乃是这样一些曲线,在曲线上的每一点处, 场的矢量都位于该点处的切线上。 x y z 例1-1 式中,q和?0均为常数, r=axx+ayy+azz为场点的位置矢量。 设点电荷q位于坐标原点,它在空间任一点处所产生的电场强度矢量为 求的矢量线方程并画出矢量线图。 得矢量线方程为 解: 讨论 如果将产生场的物理量称为源,有标量源和矢量源; 点电荷为标量源,它所产生的场是从源点出发的发散场。 我们是否可以得到结论:由标量源所产生的场均为发散场,或者称为无旋场? 电流源为矢量源,它所产生的场是连续的,或者说是有旋的场? 实际上,后面的分析就会证明上述结论的正确。 讨论 假定矢量场A为流体的速度,通量的物理意义:单位时间内流体从曲面S内穿出的正流量与从曲面S外流入的负流量的代数和。 当?0,流出多于流入,表示在S内必有产生流体的正源; 当?0,流入多于流出,表示在S内必有吸收流体的负源; 当?=0,流入等于流出,表示在S内正源与负源的代数和为零,或者说S内没有源。 矢量场在 闭合面S上的通量是由S内的源决定的,它是一个积分量 讨论 当divA0,称为源点(source point)---表示矢量场在该点处有散发通量之正源; 当divA0,称之为汇点(sink point)---表示矢量场在该点处有吸收通量之负源; 当divA=0,表示矢量场在该点处无源 。 称divA=0的场是连续的(continuous)或无散的(螺线管式)矢量场(solenoidal vector field) 。 4. 哈米尔顿(Hamilton)算子 矢性微分算子,在直角坐标系中 5. 散度定理(divergence theorem) 高斯散度定理 x y z 矢量场散度的体积分等于矢量场在包围该体积的闭合面上的法向分量沿闭合面的面积分 例1-3 在矢量场 中,有一个边长为1的立方体,它的一个顶点在坐标原点上,试求矢量场A的散度;从六面体内穿出的通量,并验证高斯散度定理。 解: x y z 例1-3(续) 可见,从单位立方体内穿出的通量为2,且有 6.环量 环量(circulation)的

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