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2005-1-25 第一章 电磁场的数学物理基础 第一课 第一课 第一课 1.1 矢量代数 1.2 三种常用的正交曲线坐标系 1. 直角坐标系 2. 圆柱坐标系 4. 坐标单位矢量之间的关系 1.3 标量场的梯度 1.4 矢量场的通量与散度 1.5 矢量场的环流与旋度 1.6 无旋场与无散场 1.7 拉普拉斯运算与格林定理 1.8 亥姆霍兹定理 第一章作业布置和学生作业反映情况 第一章作业讲评 如果矢量场的任意闭合回路的环流恒为零，称该矢量场为无旋场，又称为保守场。 环流的概念 矢量场对于闭合曲线C 的环流定义为该矢量对闭合曲线C 的线积分，即 如果矢量场对于任何闭合曲线的环流不为零，称该矢量场为有旋矢量场，能够激发有旋矢量场的源称为旋涡源。电流是磁场的旋涡源。 矢量场的环流给出了矢量场与积分回路所围曲面内旋涡源 宏观联系。为了给出空间任意点矢量场与旋涡源的关系，引入 矢量场的旋度。 2. 矢量场的旋度（ ） （1）环流面密度 称为矢量场在点M 处沿方向 的环流面密度。 特点：其值与点M 处的方向 有关。 过点M 作一微小曲面?S ，它的边界曲线记为C，曲面的法 线方向 与曲线的绕向成右手螺旋法则。当?S?0 时，极限 而 推导 的示意图如图所示。 o y Dz Dy C M z x 1 2 3 4 计算 的示意图 直角坐标系中 、 、 的表达式 于是 同理可得 故得 概念：矢量场在 M 点处的旋度为一矢量，其数值为M 点的环流 面密度最大值，其方向为取得环量密度最大值时面积元 的法线方向，即 物理意义：旋涡源密度矢量。 性质： （2）矢量场的旋度 旋度的计算公式: 直角坐标系 圆柱坐标系 球坐标系 旋度的有关公式： 矢量场的旋度 的散度恒为零 标量场的梯度 的旋度恒为零 3. 斯托克斯定理 斯托克斯定理是闭合曲线积分与曲面积分之间的一个变换关系式，也在电磁理论中有广泛的应用。 曲面的剖分 方向相反大小相等结果抵消 从旋度的定义出发，可以得到矢量场沿任意闭合曲线的环流等于矢量场的旋度在该闭合曲线所围的曲面的通量，即 4. 散度和旋度的区别 1. 矢量场的源 散度源：是标量，产生的矢量场在包围源的封闭面上的通量 等于（或正比于）该封闭面内所包围的源的总和， 源在一给定点的（体）密度等于（或正比于）矢量 场在该点的散度； 旋度源：是矢量，产生的矢量场具有涡旋性质，穿过一曲面 的旋度源等于（或正比于）沿此曲面边界的闭合回 路的环量，在给定点上，这种源的（面）密度等于 （或正比于）矢量场在该点的旋度。 2. 矢量场按源的分类 （1）无旋场 性质： ，线积分与路径无关，是保守场。 仅有散度源而无旋度源的矢量场， 无旋场可以用标量场的梯度表示为 例如：静电场 （2）无散场 仅有旋度源而无散度源的矢量场，即 性质： 无散场可以表示为另一个矢量场的旋度 例如，恒定磁场 （3）无旋、无散场 （源在所讨论的区域之外） （4）有散、有旋场 这样的场可分解为两部分：无旋场部分和无散场部分 无旋场部分 无散场部分 1. 拉普拉斯运算 标量拉普拉斯运算 概念： —— 拉普拉斯算符 直角坐标系 计算公式： 圆柱坐标系 球坐标系 矢量拉普拉斯运算 概念： 即 注意：对于非直角分量， 直角坐标系中： 如： 2. 格林定理 设任意两个标量场? 及?，若在区域 V 中具有连续的二阶偏导数，那么，可以证明该两个标量场? 及? 满足下列等式： 根据方向导数与梯度的关系，上式又可写成 以上两式称为标量第一格林定理。 S V ?,? 式中S 为包围V 的闭合曲面， 为标量场 ? 在 S 表面的外法线 方向上的偏导数。 基于上式还可获得下列两式： 上两式称为标量第二格林定理。 格林定理说明了区域 V 中的场与边界 S 上的场之间的关系。因此，利用格林定理可以将区域中场的求解问题转变为边界上场的求解问题。 此外，格林定理反映了两种标量场之间满足的关系。因此，如果已知其中一种场的分布，即可利用格林定理求解另一种场的分布。 格林定理广泛地用于电磁理论。 亥姆霍兹定理: 若矢量场