静电场中的镜像法与分离变量法

..静电场中的镜像法与分离变量法摘要：静电场的基本问题是求解给定边界条件下的泊松方程或拉普拉斯方程的解,本文分别阐述在求解区域内有和没有自由电荷分布的情况下,应用镜像法和分离变量法求解；同时,举例来演示应用镜像法和分离变量法的解题思路、步骤和结果讨论以及一些注意点,并在相同情况下分别应用镜像法和分离变量法进行对比讨论；深入理解镜像法和分离变量法及其特征。关键词：静电场、镜像法、分离变量法。TheMethodofMirrorImageandtheSeparateVariationalMethodintheElectrostaticFieldAbstract:ThebasicproblemofelectrostaticfieldistoexplorethesolutionofPoissonequationorLaplaceequationunderitsgivenboundarycondition.Thisarticlerespectivelyexplainstheapproachestoexplorethesolutionusingmirrorimageandseparatevariationalmethodsundertheto-be-exploresolutionareasituationwhichhasandwhichlacksfreedomelectricchargedistribution.Meanwhile,ittakessomeinstancestodemonstratetheproblem-solvingthoughtsandstepsapplyingmirrorimageandseparatevariationalmethods.Italsoprovidessomediscussionsabouttheresultandthepointsneedingtobenotedintheprocessofthisdemonstration.Thiswriteralsotriestohelpthereaderstodeeplyunderstandthemethodsofmirrorimageandseparatevariationalmethodsandtheircharacteristicsbydoingcontrastdiscussionunderthesamecondition.Keywords:theelectrostaticfield,themethodofmirrorimage,theseparatevariationalmethod.1、引言：静电场和电源外恒定电场的边值问题的求解,可归纳为在给定边界条件下,对拉普拉斯方程或泊松方程的求解。很多文章已经就界面形状是比较简单的几何曲面的这类问题给出了解析形式的求解,这种解析形式求解的常用方法分别是镜像法和分离变量法。本文在应用此方法求解边值问题的探讨基础上,进一步地就镜像法和分离变量法的应用进行对比和讨论。2、静电场中的静像法与分离变量法的介绍i>、镜像法拉普拉斯方程仅适用于求解区域没有自由电荷分布。若求解区域有自由电荷分布,则必须求解泊松方程；一种重要的特殊情形是区域内只有一个或几个点电荷,区域边界是导体或介质界面。下面介绍解这类问题的一种特殊方法――镜像法,镜像法也是电动力学中一种很重要的方法。在区域特殊情形下,许多复杂的问题使用该方法求解都会很简洁方便。镜像法的基本思想：如果在原电荷产生的电场中存在着导体或介质分界面,则由于静电感应或极化作用,在导体和介质分界面上将出现感应或极化电荷,在我们研究的区域之外,用一些假想的电荷来代替场问题的边界,如果这些电荷和场区域原有的电荷一起产生的电场满足原问题的边界条件；那么,它们的电位叠加起来,便得到我们所要求的电位解,这种方法就称为镜像法,假想电荷就是镜像电荷。ii>、分离变量法静电学的基本问题就是求给定边界条件下的泊松方程的解；如果在所研究的区域内,没有自由电荷分布,即：ρ<x>=0因而泊松方程变成：2=0<拉普拉斯方程>那么区域内的场分布是通过区域边界条件反映出来的,该类问题有一种非常重要的解析方法——分离变量法。分离变量法是数理方程中应用最广泛的一种方法,是解拉普拉斯方程的最基本的方法。它首先要求给定边界与一个适当坐标系面相结合,或者至少分段地与坐标面相结合；其次在坐标系中待求偏微分方程的解可表示为几个函数的乘积,其中每个函数分别仅是一个坐标的函数,这样通过分离变量将微分方程化为常微分方程求解。并以给定的边界条件确定其中待定常数和函数,最终得到电位函数解。用分离变量法求2=0要根据边界的形状选择适当的坐标系。1>、直角坐标系中分离变量：电位函数的拉普拉斯方程为这在电位函数只是x和y的函数,沿z方向没有变化的二维直角坐标系中讨论拉普拉斯的分离变量法,电位函数的拉普拉斯方程为：将待求的电位函数用二个函数的乘积表示为：式中X仅为x的函数,Y仅为y的函数。将<1-2>式代入<1-1>式,并用YX,除以方程式的两边,便得:上式左边与y无关,右边与x无关,而在x、y取任意值时它们又恒等。显然,这只能在两边均等于一常数时才可能,将此常数写成k2n称为分离常数。当kn＝０时,上面两个常微分方程的解分别为:而当kn≠0时,则解分别为:其中和都是待定常数。因拉普拉斯方程是线性的,适用叠加原理,kn取所有可能值的解的线性组合也将是它的解,所以由〔1-2式得到电位函数的一般解是:2>、圆柱坐标系和球坐标系中的分离变量法下面来讨论一下：圆柱坐标系中的拉普拉斯方程为：我们只讨论二维平面场情况,即与z无关的情况,这时的拉普拉斯方程变为：令待求电流函数的试探解为><><><grfr、,待入上式经整理得用乘上式得：上式的第一项仅是r的函数,第二项仅是的函数,要使上式对于所有r、值都成立；显然,这只能在两边均等于一常数时才可能,令常数为k2,整理得：及当k=0时,f0<r>=A0㏑r+B0和当k≠0时,和于是,由这些解的相应乘积叠加组成拉普拉斯方程的一般解为：上式中各常数由具体问题的给定边界条件确定。同理,在球面坐标系中,用分离变量法求＝0为:我们只讨论场问题与坐标中无关的情况<极轴对称>这时,拉普拉斯方程为：用分离变量法求其通解,令待求电流函数的试探解为：,待入上式经整理得:为勒让德多项式<勒让德函数>,llBA、为任意常数,由边界条件和边值关系确定。3、应用举例1>、无限大导体平面前的点电荷用镜像法解题,设在无限大接地导体平面〔z=0附近有一点电荷q与平面距离为z=h导体平面是等位面。所以这问题的边界条件是常数〔导体面上由于导体接地,因此可设电位为零,要求上半空间中的电场〔如下图显然,假设导体平面不存在,而在z=0平面下面与点电荷q对称地放置一个点电荷<－q>,则z=0平面的电位仍为零电位面。这样,我们便可用q和其像电荷〔-q构成的系统来代替原来的边值问题,上半空间内任点电位为：即为给边值的问题的解。原问题的平面上的导体感应电荷密度为负号表示该处的电场指向导体内,即向下。计算感应电荷总量时,为简单起见,改用极坐标,；于是,它与镜像电荷相等。用镜像法解题时,要注意适用区域,这里〔3-1式适用区域为导体平面上半空间内,下半空间内实际不存在电场；至于镜像电荷应具有什么样的形式,原则上没有任何限制,即对确定的原电荷,不必要求镜像电荷与之有形式的对应,个数的对应,大小的对应等。只要镜像电荷能等效的代替面电荷在求解区域之内的场,又不改变原来的边界条件即可。2>、导体球置于均匀的电场中半径为R0的导体球置于均匀外电场E0中,求电势。由于导体球在静电平衡时是等势体,且球内场为零,只求球外场,取球坐标系,原点在球心且极轴上外场E平行,显然,此时电势具有极轴对称,那么在球外：用球面坐标系,我们只讨论场问题与坐标中无关的情况这时,拉普拉斯方程为:用分离变量法求其通解,令待求电流函数的试探解为：,待入上式经整理得问题通解为：代入条件：得到：即４、静像法与分离变量法的比较前面我们分别研究了镜像法和分离变量法的概念及其特征,已经知道了这两种方法各自特点和性质以及它们的应用给我们解决问题带来的方便；接下来我们举例说明在相同情况下,分别应用镜像法和分离变量法的对比讨论。真空中有一半径为R0的接地导体球,距球心为a<a>R0>处有一点电荷Q;求空间各点电势。我们先用镜像法来求解〔如上图,假设可以用球内一个假想的点电荷Q′来代替球面上感应电荷对空间电场的作用,由对称性可知,Ｑ’应在ＯＱ连线上,关键是否能选择Ｑ’的大小和位置使得球面上＝0的条件得到满足,对球面上任一点Ｐ：由图可知,只要选Q’的位置使△OQ’P～△OPQ则:设Ｑ’距球心为b,两三角形相似的条件为：又则球外Ｐ点的电势那么,用分离变量法求解此题又是怎样的呢？如右图Ｐ点电势由Q在Ｐ点产生的电势和球在Ｐ点产生的电势V之和,即而有关V的定解问题为：因此,又由勒让德母函数可知在球面上在球面上推出：得到:即上述分离变量法和镜像法的研究相同情况下的同一问题的例子,通过分析得出用镜像法能解决的问题,用分离变量法也可以解决；且从上面的例子可以知道用分离变量法显然更加复杂,却是一种最基本的方法。５、结论经过以上讨论,对求解边界值问题的解析法中的镜像法其实质可表达为：在我们研究的区域之外,用一些假想的较简单的电荷分布来代替边界上复杂的电荷分布〔即导体表面的感应电荷或介质分界面的极化电荷；根据唯一性定理,如果这些电荷和场区域原有的电荷一起产生的电场满足原问题的边界条件；那么,它们的电位叠加起来便得到我们所要求的电位解。而分离变量法的基本思想：把电位函数用两个或三个仅含一个坐标变量的函数的乘积表示,代入偏微分方程后,借助分离常数,使原有的偏微分方程转化为几个常微分方程；然后,分别求解这些常微分方程并以给定的边界条件确定其代定常数和函数,最终得到电位函数解。在这里我们可以为分离变量法的一般步骤作个归纳：<1>、按给定区域的形状选择适当的坐标系,使场域的边界面与适当坐标面相吻合；并写出静电场边值问题在该坐标系中的试解表达式。<2>、将可分离变量的试解代入偏微分方程,通过分离变量转化为常微分方程。<3>、解各常微分方程,然后利用叠加原理组成拉普拉斯方程的通解,通解中含有分离常数和待定常数。<4>、由边界条件和初始条件可以确定分离常数和待定常数,得到问题的唯一确定解。综合上述分离变量法和镜像法的研究相同情况下的同一问题的例子,通过分析得出用镜像法能解决的问题,用分离变量法也可以解决；但用分离变量法能解决的问题用镜像法却未必能解决<例如求均匀电场中介质球的电势问题等>。参考文献[1]梁昆淼《数学物理方法》高等教育出版社1998年6月第三版[2]郭硕鸿《电动力学》高等教育出版社1997年7月第二版[3]张三慧《电磁学》清华大学出版社1999年12月第二版[4]谢处方、饶克谨《电磁场与电磁波》高等教育出版社1999年6月第三版[5][英]L.S.GrantW.R.Phillips著.刘岐元、王鸣