标量场和矢量场
《电磁场与电磁波》第一章 矢量分析
ey Ay By
ez Az Bz
显然，矢量的矢积不满足交换律。 两个矢量的矢积仍是矢量。
矢积的几何意义 设 则
A A ex
B Bxex By ey
z
A B y B
A B ez A B sin
A
可见，矢积A×B的方向与矢量A及 矢量B构成的平面垂直，由A旋转到B成 右手螺旋关系；大小为 A B sin 。
S
E dS
0
可见，当闭合面中存在正电荷时，通量为正。当闭合面中存在负电 荷时，通量为负。在电荷不存在的无源区中，穿过任一闭合面的通 量为零。
㊀
㊉
二、散度(divergence)
通量仅能表示闭合面中源的总量，不能显示源的分布特性。为 此需要研究矢量场的散度。
如果包围点P的闭合面S所围区域V以任意方式缩小为点P 时, 矢量A通过 该闭合面的通量与该闭合面包围的体积之比的极限称为矢量场A在该点的散度， 以divA表示，即
结合律： ( A B) C A ( B C )
标量乘矢量：
A Ax ex Ay e y Az ez
§1-3 矢量的标积和矢积
一、矢量的标积
A Axex Ay e y Az ez
矢量A与矢量B的标积定义为：
B Bxex By ey Bz ez
则： A A ea ex A cos ey A cos ez A cos 标积的几何意义
y B
设 其中
A A ex
B Bxex By ey
Bx B cos By B cos( ) B sin 2
A
x
所以
A B A B cos
工程电磁场与电磁波名词解释大全
《电磁场与电磁波》名词解释不完全归纳（By Hypo ）第一章 矢量分析1.场：场是遍及一个被界定的或无限扩展的空间内的，能够产生某种物理效应的特殊的物质，场是具有能量的。
2.标量：一个仅用大小就能够完整描述的物理量。
标量场：标量函数所定出的场就称为标量场。
（描述场的物理量是标量）3.矢量：不仅有大小，而且有方向的物理量。
矢量场：矢量场是由一个向量对应另一个向量的函数。
（描述场的物理量是矢量）4.矢线（场线）：在矢量场中，若一条曲线上每一点的切线方向与场矢量在该点的方向重合，则该曲线称为矢线。
5.通量：如果在该矢量场中取一曲面S ，通过该曲面的矢线量称为通量。
6.拉梅系数：在正交曲线坐标系中，其坐标变量（u1 ,u2,u3）不一定都是长度， 可能是角度量，其矢量微分元，必然有一个修正系数，称为拉梅系数。
7.方向导数：函数在其特定方向上的变化率。
8.梯度：一个大小为标量场函数在某一点的方向导数的最大值，其方向为取得最大值方向导数的方向的矢量，称为场函数在该点的梯度，记作 9.散度：矢量场沿矢线方向上的导数（该点的通量密度称为该点的散度）10.高斯散度定理：某一矢量散度的体积分等于该矢量穿过该体积的封闭表面的总通量。
11.环量：在矢量场中，任意取一闭合曲线 ，将矢量沿该曲线积分称之为环量。
12.旋度： 一矢量其大小等于某点最大环量密度，方向为该环的一个法线方向，那么该矢量称为该点矢量场的旋度。
13.斯托克斯定理：一个矢量场的旋度在一开放曲面上的曲面积分等于该矢量沿此曲面边界的曲线积分。
14.拉普拉斯算子：在场论研究中，定义一个标量函数梯度的散度的二阶微分算子，称为拉普拉斯算子。
第二章 电磁学基本理论1.电场：存在于电荷周围，能对其他电荷产生作用力的特殊的物质称为电场。
2.电场强度：单位正试验电荷在电场中某点受到的作用力（电场力），称为该点的电场d grad d n a nφφ=强度。
3.电位差：单位正电荷由P 点移动到A 点，外力所做的功称为A 点和P 点之间的电位差。
矢量分析【电磁场与波+电子科技大学】
面元矢量与此矢量相合时，极限值为最大值，也就是
该矢量的模。这个矢量称为 的旋度(curl)，记为
或
，故有
其中 是 在面元矢量 (用 表示其方向)上的投影。
第47页
电磁场与电磁波 第一章__矢量分析
旋度：若在矢量场 中的一点M 处存在矢量 ， 的方向
是 在该点环流面密度最大的方向，它的模就是这个最大
的环流面密度。矢量 称为矢量场 在点M 的旋度，记
为
或
。
说明：
① 在流体力学中，旋度表示了旋转的强弱即大小；在电磁场中，
不存在旋转强弱的意义；
② 旋度与环流中C 的形状、取向无关，只与场在M 点的量 本身有关；
③ 旋度场： 与矢量场 中的点一一对应得到的新的矢量场
第48页
电磁场与电磁波 第一章__矢量分析
第23页
电磁场与电磁波 第一章__矢量分析 1.3.2/3 方向导数和梯度 方向导数意义：表示场沿某方向的空间变化率
梯度的意义：描述标量场在某点的最大变化率及其 变化最大的方向
第24页
电磁场与电磁波 第一章__矢量分析
定义算符:
←哈密顿算符
数量场u 的梯度是矢量(是空间坐标点的函数) 梯度的大小为该点标量函数u 的最大变化率，即最大方向导数 梯度的方向为该点最大方向导数的方向 梯度场：数量场u 中每点都有一个梯度而形成的矢量场
第25页
电磁场与电磁波 第一章__矢量分析 直角坐标梯度: 圆柱坐标梯度: 球 坐 标 梯度:
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电磁场与电磁波 第一章__矢量分析
梯度运算公式：
k为常数
第27页
电磁场与电磁波 第一章__矢量分析
{例} 考虑一个二维标量场 求此标量场的等值面，求u 的梯度 任取一闭合的积分回路,证明
物理学中的场-概述说明以及解释
物理学中的场-概述说明以及解释1.引言1.1 概述在物理学中，场是一种描述空间中物质或物理量如何随时间和空间位置变化的概念。
场可以是标量场，也可以是矢量场。
标量场只有大小没有方向，例如温度场；而矢量场不仅有大小还有方向，例如电场和磁场。
场在物理学中起着至关重要的作用，它可以描述物质之间的相互作用以及能量的传递。
通过研究场，我们可以更好地理解宇宙中的各种现象，从微观粒子到宏观物体都可以用场来描述。
本文将深入探讨物理学中不同类型的场以及它们在各个领域的应用。
1.2 文章结构本文主要分为引言、正文和结论三部分。
在引言部分中，将介绍物理学中场的概念以及本文的目的和重要性。
在正文部分，将详细讨论场的概念、不同类型的场以及场在物理学中的应用。
最后在结论部分中，将对整篇文章进行总结，并强调场在物理学中的重要性。
同时，对该领域未来的发展进行展望，指出可能的研究方向和挑战。
通过以上结构的安排，本文将全面深入地介绍物理学中的场，希望读者能对该领域有更深入的了解和认识。
1.3 目的物理学中的场是一种重要的研究对象，它们在描述自然界中的相互作用和力的传递过程中起着关键的作用。
本文旨在深入探讨场的概念、不同类型的场以及它们在物理学中的应用，从而帮助读者更全面地理解场在自然界中的作用和意义。
通过对场的研究，我们可以更好地理解宇宙中的规律和现象，为进一步探索未知的物理现象打下基础。
同时，本文也旨在强调场在物理学中的重要性，引发读者对这一概念的深入思考和讨论。
通过本文的阐述，希望能够为读者提供一个全面了解物理学中的场的视角，激发对于自然规律的好奇心和求知欲。
2.正文2.1 场的概念在物理学中，场是一种描述空间中物质或能量分布的概念。
场可以是标量场，也可以是矢量场。
在场论中，场是一种物质与其周围环境相互作用的方式，它可以传递力和能量。
场的产生可以来源于物质的分布，也可以来源于粒子的运动。
例如，电磁场是由带电粒子产生的，引力场是由质量产生的。
张量与场论
标量场的方向导数和梯度
一、方向导数
设 M 0 为标量场 u uM 中的一点，从 M 0 出发引一条
射线 l ，在 l 上点 M 0 的邻近取一动点 M ，记 M0M
．若当 M M0 时比式 u uM u(M 0 ) 的极限存在，则
M0M
称它为函数 l u uM 在点 M 0 处沿 方向的方
29
（2）笛卡尔张量
二阶张量的代数运算 张量乘积 设 A aij 、B bkl ，分量相乘，
cijkl aijbkl
cijkl 是 4 阶张量。 可以证明一个 m 阶张量和一个 n 阶张量的乘积是 m + n 阶张量。
30
（2）笛卡尔张量
共轭张量、对称张量、反对称张量和张量的分解
对称张量
若二阶张量分量 sij 之间满足
一个自由指标每次可取整数1, 3, …, n，与哑标一样，无 特别说明总取n=3。于是，上式表示3个方程的缩写：
x1 a11x1 a12 x2 a13x3
x2 a21x1 a22 x2 a23x3
x3 a31x1 a32 x2 a33x3
在同一方程的所有项中出现的自由指标必须相同。
i, j, k 奇排列， 213，321，132
23
（1）指标表示法和符号约定
置换符号 ijk
ijk 有以下重要性质：
ijk ist js kt jt ks
ijk ijt 2 kt
ijk ijt jjkt jtkj 3kt kt 2kt
ijk ijk 2 kk 6
13
笛卡尔张量
14
§3 笛卡尔张量
一、张量
坐标旋转时能自身转换而保持不变的量，统称为张量
在三维空间和选定的坐标系中，需要用3n个数来 定义的量称为n阶张量
矢量场与标量场以及计算方法资料
图 1-5 矢量管
矢量管：
通过场域某一曲面s上的所有点的矢量 线的全体构成的管状区域。
0.2 标量场的梯度
Gradient of Scalar Field
1.方向导数：设一个标量函数 (x，y，z)，若函数 在点 P 可微，则 在点P 沿任意方向 l 的变化率称
为方向导数，即
l
（
x
ex
y
ey
(x2 y2 z2 )3/2
40 r 40r2
0.3 矢量场的通量与散度
Flux and Divergence of Vector 1 通量 ( Flux )
矢量E 沿有向曲面 S 的面积分
Φ S AndS = S A dS
若 S 为闭合曲面Φ S A dS
图0.3.1 矢量场的通量
（设曲面S的单位法向矢量en），An为A在en上的投影
l A dl S ( A) dS
矢量函数的线积分与面积分的相互转化。
在电磁场理论中，高斯定理 和 斯托克斯定理 是 两个非常重要的公式。
例1-12 求矢量场A=x(z-y) ex+y(x-z)ey+z(y-x)ez在点M(1，0，1) 处的旋度以及沿n=2ex+6ey+3ez方向的环量面密度。
lim
V 0
1 V
A dS lim = d =divA
V 0 V dV
根据奥式公式
蜒 S
A dS
S
( Axdydz
Aydzdx
Azdxdy)
V
( Ax x
Ay y
Az )dV z
通量可看成V内各点处的发散强度的体积分
divA
A
Ax x
标量场和矢量场
第 1 章矢量分析1.2 标量场和矢量场1.2.1 场的分类1.2.2 场的表示一. 什么是场-具有某种物理量在空间的分布。
如地球周围的温度场、湿度场、重力场；另外还有气功场；百慕大三角场（洞、汇）-场在数学上用函数表示。
即场中任一个点都有一个确定的标量值或矢量。
场量在占有空间区域中，除开有限个点和某些表面外，是处处连续、可微的。
二. 场的分类标量场：具有标量特征的物理量在空间的分布，如温度场T(x,y,z)、电位Φ(x,y,z)等。
矢量场：具有矢量特征的物理量在空间的分布，如重力场F(x,y,z)、流速场v(x,y,z)等。
标量场和矢量场都有可能随时间变化。
动态场: 场量随时间变化（时变场）f ( x, y, z, t ), A( x, y, z ,t ), 四元函数静态场: 场量不随时间变化（恒定场）f ( x, y, z), A( x, y, z), 三元函数2）图示法u (x,y,z )：等值面、等值线1. 标量场的表示方法1）数学法f = f ( x, y, z)（A ）等高线图（B ）色码图（C ）地势图三. 场的表示方法标量场Scalar Field火星夜间温度图2. 矢量场的表示方法F(x,y,z) = a x F x(x,y,z) + a y F y(x,y,z) + a z F z(x,y,z) 1）数学法2）图示法（A）矢量图箭头方向→场量的方向箭头颜色或长度→场量的大小（A ）矢量图2.图示法（B）场线图切向→场量的方向疏密程度→场量的大小。
（B）场线图（C）纹理图(Grass Seeds)纹理与场方向平行（C）纹理图点电荷产生的电场无限长载流线产生的磁场TE10电场、磁场、电流TE10电场、磁场矢量场和标量场点电荷产生的电场和电位四.场源Source of Field•场是由源产生的，场不能离开场源而存在•不同的场对应不同的源•源有矢量和标量之分（旋度源和散度源）如：温度场由热源产生静止电荷电场运动电荷磁场Note：电荷及电流是产生电磁场唯一的源。
矢量1
B
ds
S
研究了矢量在闭合面的性质，面上某个点处矢量的 性质如何研究呢？
§1.3.1
A S AnS
自然现象中的通量 A
S
n
AS cos
25
散度定义：单位体积的净流散通量 Divergence——div
divA
lim
A
ds
“求模”： A A A
“判断正交”： A B 0
标量积的结
果是个标量！
8
§1.1
矢量运算 标量积
标量积的应用：证明“三角形余弦定理”
C
B
A
C A2 B2 2AB cos
思路：C边的长度就是矢量 C 的“模”
C AB
C C C C (A B)(A B) 9
B
Bcos
A
z
Z
P(X, Y, Z) r az
ax O
X
Y ay y
x
• 直角坐标系中的单位矢量有下列关系：
ax
a
y
a
x
a
z
ay
a
z
0
ax ax ay ay az az 1
• 直角坐标系中两矢量点积的计算公式：
A Axax Ayay Azaz ,
直角系中
ax
x
ay
y
az
z
直角系中u
ax
u x
ay
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2、矢量相加和相减可用平行四边形法则求解：
A B
B
A
B
A
AB
B
矢量的乘法
1）矢量与标量相乘
v kA
evx
kAx
evykAy
evzkAz
evAvk
v A
标量与矢量相乘只改变矢量的大小，不改变方向。
2）矢量与矢量点乘
A B | A || B | cosAB Ax Bx Ay By Az Bz
设矢量 A与三个坐标轴 x, y, z 的夹角分别为, , ，则
z
Ax Acos
Ay Acos
v Az
v A
Az Acos
A A(ex cos ey cos ez cos ) 任一方向的单位矢量为
v Ax
o
eA ex cos ey cos ez cos x
v Ay
y
2
2.位置矢量
R2 [(x x)2 ( y y)2 (z z)2 ]
3
3.矢量的代数运算
v A
evx
Ax
evy
Ay
evz
Az
v B
evx
Bx
evyLeabharlann ByevzBz
矢量的加法和减法
v A
v B
evx
( Ax
Bx
)
evy (Ay
By
)
evz
( Az
Bz
)
说明：
1、矢量的加法符合交换律和结合律：
vv vv vv v v vv A B B A (A B) C A (B C)
A B | A || B | sin AB en Ax
Ay
Az
Bx
By
Bz
A B
B
AB sin
A
ex ( Ay Bz Az By ) e y ( Az Bx Ax Bz ) ez ( Ax By Ay Bx )
“模”：| A B || A B sinAB |
方向：“右手螺旋法则”
矢量 r :点P的位置矢量。
z
r xe x ye y zez
矢量 r :点P’的位置矢量。
r xex ye y zez
矢量 R:点P相对于点P’的
相对位置矢量。
x
r R r
R r r
R P(x,y,z)
P’(x’,y’,z’)
r r
o
y
R ( x x)e x ( y y)e y (z z)e z
rA Axrex Ay ery Az erz d r dxex dye y dzez
1.1 标量场和矢量场
一、矢量代数
1.矢量与标量
标量：只有大小，没有方向的物理量(电压U、电荷量Q、能量W等）
矢量：既有大小，又有方向的物理量（作用力，电、磁场强度）
矢量的代数表示
vv v vv
FEH BD
矢量可表示为：Av evA v
v A
其中 eA
A A
A 为模值，表征矢量的大小；
evA 为单位矢量，表征矢量的方向；
A(BC) A B AC
A B B A
(0 )
A(BC) AB AC A B | A|| B | sin en
ex A B Ax
Bx
ey
ez
Ay
Az
By
Bz x
A (BC) B (C A) C (A B)
(A B)C A(B C)
A(BC) (A B)C
A(BC) (A C)B (A B)C
矢量三重积A (B C) ( A C)B ( A B)C 8
矢量代数运算式
ur r r r
A ur
Ax
ex r
Ay
ey r
Az
ez r
B ur
Bx
ex r
By
ey r
Bz
ez r
C Cx ex Cy ey Cz ez
A B B A
A (B C) (A B) C
A B B A | A|| B | cos
A
矢量的几何表示
矢量的几何表示：用一条有方向的线段来表示
说明：矢量书写时，印刷体为场量符号加粗，如 E。教材
上的矢量符号即采用印刷体。
1
在直角坐标系中，如果矢量在 x, y, z 三个坐标轴上 的投影分别为 Ax , Ay , Az ，则矢量 A 表示为
A Axex Ayey Azez
| A | Ax2 Ay2 Az2
标量场 矢量场
12
2．标量场的等值面
由所有场值相等的点所构成的面，即为等值面。
若标量函数为 u u(x, y, z) ，则等值面方程为：
u(x, y, z) c const
高度场的等高线
13
3.矢量场的矢量线
矢量线：表示矢量在空间分布的有向线段。 矢量线的疏密表征矢量场的大小； 矢量线上每点的切向代表该处矢量场的方向。
10
二、标量场与矢量场
1．标量场和矢量场的概念
“场”概念的引入：物理量（如温度、电场、磁场） 在空间以某种形式分布，若每一时刻每个物理量都有 一个确定的值，则称在该空间中确定了该物理量的场。
场的分类： 按物理量的性质分： 1）标量场：描述场的物理量为标量（温度场，电位场）。 2）矢量场：描述场的物理量为矢量（电场，磁场）。
C | C | C C
（2）矢量C是矢量A和B的矢量和：
C AB
C
B
A
C | C |
C
C
C AB
C C (A B)(A B) AA BB2AB
A B A B cos( ) A B cos
C A2 B2 2 AB cos
6
3）矢量与矢量叉乘（矢积）
ex
ey
ez
说明：
v B
v
AB
A
1、矢量的点积符合交换律和分配律：
A B B A A(B C) A B AC
2、两个矢量的点积为标量
3、 ( A B) ( A) B A ( B)
4、 若 A B,则A B 0
5
例：证明“三角形余弦定理”。
C A2 B2 2AB cos （1）C的长度 矢量C的“模”：
按物理量变化特性分：
1）静态场：物理量不随时间发生变化的场。
2）时变场（动态场）：物理量随时间的变化而变化
的场。
11
例如，在直角坐标下,空间区域内的某个物理量满足如 下两个函数：
(x, y, z)
5 4π [(x 1)2 ( y 2)2 z2 ]
如温度场、电位场、高度场等；
A(x, y, z) 2xy2ex x2 zey xyzez 如流速场、电场、涡流场等。
物理含义：
1.“平行四边形面积” 2.“右手法则”
7
说明： 1、矢量的叉积不符合交换律，但符合分配律：
A B B A
A(B C) A B AC
2、两个矢量的叉积为矢量 3、矢量运算恒等式
( A B) ( A) B A ( B) 若A B,则A B 0
标量三重积A (B C) B (C A) C ( A B)