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光电微课堂 |电磁理论(2):散度、旋度与麦克斯韦方程组

 汉无为 2023-07-10 发布于湖北

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注:本篇为个人温习记录,错漏之处请包涵,指正。

Bushido

在描述一些物理现象如:流体力学、传热问题、电磁问题等,诸如此类随空间变化物理量问题时,引入了“场”的概念,采用的分析数学工具为“矢量”,因此,此类物理场也称为矢量场,与之区分的是数量场。

矢量场的研究有两个重要的数学概念:

1、矢量点乘

2、矢量叉乘

本篇只讨论这两种概念的数学计算方式,对物理概念不做探讨:

矢量点乘:

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哈密顿算子与散度:

矢量点乘的计算方式给定后,再引入两个重要的概念“哈密顿算子”与“散度”

顿算子:具有两重特性,微分特性与矢量特性。

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散度:哈密顿算子与矢量场的点乘称之为矢量场的散度。

设矢量场:B

散度:

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哈密顿算子与矢量场B的点乘为标量

矢量叉乘:

在计算矢量叉乘之前,我们先了解一个重要的概念:右手定则

右手定则:

1、伸出右手,指尖的方向与矢量A同向,手指卷曲向B,大拇指指向的矢量为CA矢量叉乘B矢量得到C矢量。

2、伸出右手,指尖的方向与矢量B同向,手指卷曲向A,大拇指指向的为-CB矢量叉乘A矢量得到-C矢量。

注:ABC三个矢量相互垂直。

如下图:

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同理,定义ijk三个单位矢量与坐标轴如下:

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以上计算结果表明,矢量场的旋度是一个新的矢量场。

矢量场E旋度还另外的表达式:

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真空中麦克斯韦方程组微分形式:

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麦克斯韦方程组的微分形式:两组旋度,两组散度,本篇都有涉及介绍到计算方式,但是,仅仅运用矢量散度与旋度的基本计算方法,还不能直接解出麦克斯方程组,还需要进一步对麦克斯韦方程组进行变换,需要变换成波动方程的形式,然后推导出亥姆赫兹方程,对各类不同条件下进一步求解亥姆赫兹方程。

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