Теория поля и элементы векторного анализа
Задано
где ;
и, следовательно
Потенциалы и u должны удовлетворять следующему соотношению:
но дивергенция соленоидального поля должна быть равна 0.
отсюда
(**)
Для определения и u получили два дифференциальных уравнения, которые всегда имеют решения и, следовательно, произвольное поле всегда можно представить в виде суммы потенциального и соленоидального полей.
Нахождение векторного поля по его характеристикам
Для нахождения и u нужно решить систему четырех уравнений
Пусть известны характеристики векторного поля
(1)
или в интегральной форме:
Будем искать распределение поля . Для этого разложим его на потенциальное и вихревое .
= + (2)
Подставляя (2) в уравнение (1), получим систему уравнений для отыскания :
(3)
Потенциальное поле удобно представить через градиент
(4)
т.к. в этом случае приходится находить всего лишь одну скалярную величину вместо трех. Подставляем (4) в первое уравнение (3), получаем уравнение
– уравнение Пуассона (5)
Его решение известно и имеет следующий вид:
. (6)
Соленоидальное (вихревое) поле будем искать через векторный потенциал
(7)
Тогда для получаем следующее уравнение:
(8)
Т.к. поле тоже векторное, то для его нахождения кроме rot необходимо задать еще одно условие на div . В качестве такого условия (которое заранее ниоткуда не вытекает) удобно выбрать div= 0 (это называется калибровкой Кирхгофа). В этом случае уравнение (8) упрощается
(8а)
и его решение имеет вид:
(9)
Следовательно, искомое поле равно:
Интегральные соотношения теории векторного поля
Теорема Остроградского-Гаусса
Теорема Стокса
Теорема Грина
(первая форма)
(вторая форма)
Интеграл от скаляра по замкнутому контуру
Интеграл от по объему
Используя теорему о среднем при находим
– источник
– сток
Циркуляция вектора вдоль линии
Роток векторного поля
– элементарная циркуляция вектора вдоль линии L
– циркуляция вектора вдоль замкнутой линии.
Теорема Стокса
Механический смысл ротора векторного поля
Рассмотрим движение твердого тела. Линейная скорость произвольной точки равна твердого тела равна
где – скорость полюса
– мгновенная угловая скорость
Представим
Следовательно, компоненты скоростей т.М равны
В фиксированный момент времени t переменными являются только координаты т. , все остальные величины , являются постоянными
=
Дифференцирование скалярных и векторных полей
Скалярное поле
Векторное поле
Таблица 1. Операции 2-го порядка
Скалярное поле j | Векторное поле А | ||
grad |
нет |
; |
нет |
div | Нет | ||
rot | нет |
Таблица 2. Дифференцирование произведений
grad |
нет |
|
нет |
div | нет | ||
rot | нет |
+ |