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泊松方程和拉普拉斯方程
24.11
在矢量表示法中,电场被表示为电势的负梯度。此处,电势的梯度始终指向电势最陡峭的下降方向,其解给出一个矢量——即电场。
根据高斯定律的微分形式,电场的梯度等于闭合区域内体电荷密度与自由空间介电常数之比。
将电势的梯度代入高斯定律,可得到泊松方程的表达式。其中,标量电势梯度的散度即为拉普拉斯算符,结果为一个标量函数。
拉普拉斯算子类似于标量量的二阶微分。对于电势而言,在接近局部极小值时较低,而在接近局部极大值时较高。
当封闭体积内的电荷为零时,泊松方程简化为拉普拉斯方程。
根据第一唯一性定理,若给定边界面上的电势,则拉普拉斯方程在特定体积内具有唯一解。
系统的电势可以通过将其与产生电势的电荷密度相关来计算。 高斯定律的微分形式用电荷密度来表达电场的散度。
另一方面,电场表示为电势梯度。
结合以上两个方程,电势以电荷密度表示。
这个方程称为泊松方程。 当电荷密度为零时,即给定体积内不存在电荷,则上式可简化为拉普拉斯方程。
函数梯度的散度是一种数学运算…