静电场(5) 泊松方程和拉普拉斯方程
高数泊松方程
高数泊松方程
泊松方程（Poisson's equation）是一个在物理学和数学中常见的偏微分方程，它描述了静电场、引力场或热传导等物理现象。
在二维或三维空间中，泊松方程可以表示为：
Δf = ρ
其中，Δ 是拉普拉斯算子（Laplacian operator），f 是某个标量场（如电势、温度等），ρ 是该场的源（如电荷密度、热源等）。
在高等数学中，泊松方程通常用于求解具有特定边界条件的偏微分方程。
例如，在静电学中，给定电荷分布ρ，我们可以使用泊松方程来求解电势 f 的分布。
为了求解泊松方程，我们可以使用分离变量法、有限差分法、有限元法或谱方法等数值方法。
这些方法可以帮助我们找到满足方程和边界条件的近似解。
需要注意的是，泊松方程是一个椭圆型偏微分方程，这意味着它的解在整个定义域内都是光滑的。
此外，泊松方程在物理学和工程学中有着广泛的应用，如电磁学、流体力学、热力学等领域。
南京理工大学-研究生入学考试大纲-821电磁场与电磁波
《电磁场与电磁波》课程考试大纲
参考书：谢处方，饶克谨．电磁场与电磁波(第三版)．高等教育出版社，1999
一、矢量分析
1. 矢量，标量，矢量场与标量场
2. 散度，旋度，梯度
3. 散度定理，斯托克斯定理
4. 亥姆霍兹定理
二、静电场
1. 电荷与电荷分布，束缚电荷
2. 电流与电流密度，电流连续性方程
3. 电场强度，库仑定律
4. 真空中静电场的基本方程
5. 泊松方程与拉普拉斯方程
6. 高斯定律
7. 电位函数
8. 唯一性定理
9. 电介质的极化与极化强度
10. 介质中的高斯定律
11. 边界条件
12. 导体系统的电容
13. 电场能量
三、恒定磁场
1. 安培力定律，磁感应强度
1. 真空中磁场的基本方程
2. 安培环路定律
3. 矢量磁位，标量磁位
4. 磁场强度
5. 磁化及磁化强度
6. 自电感与互电感
7. 磁场能量
四、时变电磁场
1. 麦克斯韦方程（积分形式与微分形式），位移电流
2. 波动方程
3. 坡印廷矢量
4. 坡印廷定理
5. 时变电磁场的边界条件
6. 动态矢量位和标量位
五、正弦平面电磁波
1. 正弦平面电磁波的特点
2. 亥姆霍兹方程
3. 平均坡印廷矢量
4. 均匀平面波的极化。
电位的泊松方程和衔接条件
电位满足的微分方程 电位在分界面上的衔接条件
➢ 本节的研究内容
一、电位的泊松方程和拉普拉斯方程 二、电位的衔接条件
一、电位的泊松方程和拉普拉斯方程
根据静电场基本方程的微分形式和物性方程，可得 D (E) E E
() 2
均匀介质中 0 E
2
电位满足泊松方程
在没有电荷分布的场域中， 0
2 0
电位满足拉普拉斯方程
二、电位的衔接条件
因为，Dn En E en e n n
由 D2n D1n ，得
1 2
1 n 2 n
1 2
1 2
1 n 2 n
分界面两侧电位的衔接条件
题7. 如图所示平板空气电容器(板的尺度大于板间距离)中，
有体密度为 的电荷均匀分布，已知两板间电压值为 U0 。
忽略边缘效应，求电场的分布。
y
解：当平行板为无限大时，电位函数为
2 2 2 x 0
x2 Bx C 20
根据题意可知
x
x
0 d
0
U 0
x 0 x d
d
O U0
x
0 C
U0
2 0
d2
Bd
C
(x) x2 (U0 d )x
20
d 20
E (x) x0 U0 d 2d0e x
本节要点
➢ 本节的研究目的
电位满足的微分方程；电位在分界面上的衔接条件
2 1
11n12
2
2 n12
12
21
1 1
22
2
2
24
4
4
4 1
1
1
n14
4
4
n14
物理化学泊松方程
物理化学泊松方程泊松方程是物理化学中一种重要的偏微分方程，描述了电势场中的电荷分布和电势之间的关系。
它是电场的基本方程之一，也是研究电子结构、电解质溶液等领域的基础。
我们来了解一下泊松方程的基本形式。
在三维空间中，泊松方程可以表示为：▽²Φ = -ρ/ε₀其中，▽²Φ表示拉普拉斯算子作用于电势Φ得到的结果，ρ是电荷密度，ε₀是真空介电常数。
这个方程建立了电势分布和电荷分布之间的关系，通过求解该方程，我们可以得到电势场的分布情况。
泊松方程的物理意义可以从两个方面理解。
首先，它描述了电势场中的电荷分布情况。
当电荷密度ρ为零时，泊松方程退化为拉普拉斯方程，描述了无电荷的电势场分布情况。
其次，泊松方程还可以用于求解电势场中的电荷分布。
通过已知的电势分布，可以反推出电荷分布情况，这在研究电子结构、电解质溶液等问题时非常有用。
泊松方程在物理化学中的应用非常广泛。
例如，在固体物理中，泊松方程被用来研究电子在晶格中的运动和能带结构；在电解质溶液中，泊松方程被用来研究电位分布和电解质浓度之间的关系。
此外，泊松方程还可以应用于电容器、半导体、生物电势等领域。
为了求解泊松方程，我们需要给定边界条件。
边界条件可以是电势值的固定值，也可以是电势梯度的固定值。
根据边界条件的不同，可以得到不同形式的泊松方程解。
对于一些复杂的情况，如非线性泊松方程、含时泊松方程等，求解起来可能更加困难，需要借助数值计算方法或近似方法。
泊松方程是物理化学中一种重要的方程，描述了电势场中的电荷分布和电势之间的关系。
通过求解泊松方程，可以得到电势场的分布情况，从而揭示了电势和电荷分布之间的联系。
泊松方程在固体物理、电解质溶液等领域有广泛的应用，对于理解和解决实际问题具有重要意义。
泊松方程和拉普拉斯方程
泊松方程和拉普拉斯方程势函数的一种二阶偏微分方程。
广泛应用于电学、磁学、力学、热学等多种热场的研究与计算。
简史1777年，拉格朗日研究万有引力作用下的物体运动时指出：在引力体系中，每一质点，并且把这些商加在一起，其总和即P点的质量m k除以它们到任意观察点P的距离rk的势函数，势函数对空间坐标的偏导数正比于在 P点的质点所受总引力的相应分力。
1782年，P.S.M.拉普拉斯证明：引力场的势函数满足偏微分方程：，叫做势方程，后来通称拉普拉斯方程。
1813年，S.-D.泊松撰文指出，如果观察点P在充满引力物质的区域内部，则拉普拉斯方程应修改为，叫做泊松方程，式中ρ为引力物质的密度。
文中要求重视势函数 V在电学理论中的应用，并指出导体表面为等热面。
静电场的泊松方程和拉普拉斯方程若空间分区充满各向同性、线性、均匀的媒质，则从静电场强与电势梯度的关系E=-墷V和高斯定理微分式，即可导出静电场的泊松方程：，式中ρ为自由电荷密度，纯数εr为各分区媒质的相对介电常数，真空介电常数ε=8.854o×10-12法／米。
在没有自由电荷的区域里，ρ＝0，泊松方程就简化为拉普拉斯方程。
在各分区的公共界面上，V满足边值关系，，式中i，j指分界面两边的不同分区，ζ为界面上的自由电荷密度，n表示边界面上的内法线方向。
边界条件和解的唯一性为了在给定区域内确定满足泊松方程以及边值关系的解，还需给定求解区域边界上的物理情况，此情况叫做边界条件。
有两类基本的边界条件：给定边界面上各点的电势，叫做狄利克雷边界条件；给定边界面上各点的自由电荷，叫做诺埃曼边界条件。
边界几何形状较简单区域的静电场可求得解析解，许多情形下它们是无穷级数，稍复杂的须用计算机求数值解，或用图解法作等势面或力线的场图。
静电场的Laplace方程和Poisson方程(精)
边界条件当然不限于以上三类,还可以有各式各样的边界 条件，甚至是非线性边界条件。
除了初始条件和边界条件，有一些物理问题还需要附加一 些其他才能确定其解。如教材中所介绍的衔接条件和自然边界 条件等。
（P159）
（定解问题所需边界条件的数目？）
三类定解问题
定解问题有微分方程(泛定方程)和定解条件组成. 定解条件主要是由初始条件和边界条件组成.根据定解 条件的情况,可以把定解问题分成三类:
二阶线性偏微分方程
把函数 u 的所有自变量（包含空间坐标和时间）依次记作
x1 , x2 ,
, xn ,二阶偏微分方程如果可以写成如下形式:
a u
i, j
n
ij xi x jFra bibliotek biuxi cu f 0
i
n
如果 aij , bi , c, 是线性的.如果 齐次的.
f
只是 1
x , x2 ,
, xn 的函数,则该方程
f 0 ,则称该方程是齐次的;否则称为非
(1)方程的阶 偏微分方程中未知函数偏导数的最高阶数称 为方程的阶． (2)方程的次数 偏微分方程中最高阶偏导数的幂次数称为偏 微分方程的次数． (3)线性方程 一个偏微分方程对未知函数和未知函数的所有 （组合）偏导数的幂次数都是一次的，就称为线性方程，高 于一次以上的方程称为非线性方程． (4)准线性方程 一个偏微分方程，如果仅对方程中所有最 高阶偏导数是线性的，则称方程为准线性方程． (5)自由项 在偏微分方程中，不含有未知函数及其偏导数的 项称为自由项．
t ,
u x x, t | x l t k
1
又如杆的纵振动问题,若一端受有外力,且单位面积上所受的力 为
泊松方程
泊松方程是在数学中的静电学，机械工程学和理论物理学中常见的偏微分方程。
它以法国数学家，几何学家和物理学家Poisson的名字命名。
泊松首先获得没有重力源的泊松方程△Φ= 0（即拉普拉斯方程）；考虑重力场时，△Φ= f（f为重力场的质量分布）。
后来，它扩展到了电场，磁场和热场分布。
该方程通常用格林函数法求解，但也可以用分离变量法和特征线法求解。
泊松方程为△φ=f
在这里△代表的是拉普拉斯算符(也就是哈密顿算符▽的平方)，而f 和φ 可以是在流形上的实数或复数值的方程。
当流形属于欧几里得空间，而拉普拉斯算子通常表示为，
因此泊松方程通常写成
在三维直角坐标系，可以写成
如果没有f，这个方程就会变成拉普拉斯方程△φ=0.
泊松方程可以用格林函数来求解;如何利用格林函数来解泊松方程可以参考screened Poisson equation[1] 。
现在有很多种数值解。
像是松弛法，不断回圈的代数法，就是一个例子。
数学上，泊松方程属于椭圆型方程(不含时线性方程)。
折叠编辑本段静电场的泊松方程
泊松方程是描述静电势函数V与其源(电荷)之间的关系的微分方程。
▽^2V=-ρ/ε
其中，ρ为体电荷密度(ρ=▽·D，D为电位移矢量。
)，ε为介电常
数绝对值εr*εo。
电位的泊松方程和衔接条件
回顾
体电荷分布 面电荷分布 线电荷分布
(x, y, z) 1 (x, y, z) dV C
4π0 V
R
(x, y, z) 1 (x, y, z) dS C
4π0 S
R
(x, y, z) 1 (x, y, z) dL C
4π0 L
R
E
E
本节的研究目的
在没有电荷分布的场域中， 0
2 0
电位满足拉普拉斯方程
二、电位的衔接条件
因为，Dn En
E en
en
n
由
D2n
D1n
，得
1
1
n
2
2
n
1 2
1
1
n
2
2
n
分界面两侧电位的衔接条件
题7. 如图所示平板空气电容器(板的尺度大于板间距离)中，
有体密度为 的电荷均匀分布，已知两板间电压值为 U0 。
电位满足的微分方程 电位在分界面上的衔接条件
本节的研究内容
一、电位的泊松方程和拉普拉斯方程 二、电位的衔接条件
一、电位的泊松方程和拉普拉斯方程
根据静电场基本方程的微分形式和物性方程，可得
D ( E) E E
均匀介质中 0
E
() 2
2
电位满足泊松方程
3 3 n34
4
4 n34
34
区域内边界
，电位函数为
2
2
2x
0
x2 Bx C
2 0
根据题意可知
x x
0 d
0
U0
x 0 x d
d
O U0
x
0C
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0
Dd S
S
q
微分形式：
E
0
或（E ）
7
介质方程：
D
D 0rE E
在各向同性、均匀、线性的媒质中， 由静电场的基本方程可以得出结论： 静电场是一个有通量源（静止电荷）
而没有旋涡源的矢量场。
8
根据矢量场理论，要确定一个矢量场， 必须同时给顶它的散度和旋度。 所以静电场的基本方程中包含了：
E ()
（在均匀、线性、各向同性的电介质中，为常数。）
2
（电位的泊松方程）
12
2、拉普拉斯方程
对于场中没有电荷分布（=0）的区域内：
2
（电位的泊松方程）
0 2
(电位的拉普拉斯方程)
拉普拉斯方程是泊松方程的特例。
13
2是拉普拉斯算符：二阶微分算符
直角坐标系：
r
1
r2 sin
sin
1
r 2 sin 2
2 2
15
两类问题 可以用泊松方程或拉普拉斯方程解决
1、已知：有限区域内的电荷分布， 求：电位和场强
（场域内电介质是均匀、线性和各向同性。）
求电位：
(x, y, z) 1 (x', y', z') dV '
4 V '
r
求场强：
E
1
r 2 sin
sin
1
r 2 sin 2
2 2
1 r2
r
r 2
r
0
r 2 0
18
r r
r 2 0
r r
一次积分
r2
r
C1
C1 r r 2
r
C1 r2
一次积分
C1 r
C2
边界条件： r a , U ; r , 0。
C1 aU; C2 0。
一次积分
d
dx
1 2
0 x2 0d
C1
一次积分
边界条件： x 0,
0;
0 x3 6 0 d
C1x C2
C1
U0 d
0d 6 0
;
x d , U0 .
C2 0
21
0x3 6 0 d
U0 d
0d 6 0
x
E
0 x2 2 0 d
U0 d
0d 6 0
ax
22
填空题：
静电场电位所满足的微分方程是
一个旋度方程和 一个散度方程。
同时，场量的散度与该场的标量源密度有关， 旋度与该场的矢量源密度有关。
9
§2-5 泊松方程和拉普拉斯方程
一、静电场的基本方程 二、泊松方程和拉普拉斯方程
10
二、泊松方程和拉普拉斯方程 1、泊松方程 2、拉普拉斯方程
11
1、泊松方程
D E
E
（介质方程） （电场与电位的关系） D (E)
19
aU (a r ) r
例2-10 P66
两无限大平行板电极，板间距为d，电压
为U0，并充满密度为0x/d的体电荷。用 泊松方程的方法求板间的电场强度。
解：
20
2
0x 0d
x 0, 0
(0 x d)
x d, U0
0x d
2
2
x2
d 2
dx2
0x 0d
d 2 0 x dx2 0d
E d l 0（静电场的环流定理） C
静电场强的环路积分为零。
5
因此，电场强度
E
可以用一个标量
函数——电位函数的负梯度表示。
E
同时，静电场又是一个有散场， 静止电荷是静电场的散度源。
6
因此，可以从静电场的性质总结出：
在各向同性、均匀、线性的媒质中
静电场的基本方程：
积分形式：
Edl C
E 0
或（E ）
D
2
§2-5 泊松方程和拉普拉斯方程
一、静电场的基本方程 二、泊松方程和拉普拉斯方程
3
§2-5 泊松方程和拉普拉斯方程
一、静电场的基本方程 二、泊松方程和拉普拉斯方程
4
一、静电场的基本方程
前面已经得出： ➢静电场是无旋场
E 0 (静电场守恒性的微分形式)
➢静电场是守恒场
ax
x
ay
y
az
z
2
ax
x
ay
y
az
z
ax
x
ay
y
az
z
2
x 2
2
y 2
2
z 2
14
拉普拉斯算符2在三种坐标系中的表示
➢直角坐标系：2
2
x2
2
y 2
2
z 2
➢圆柱坐标系：2
1 r
r
r
r
1 r2
2 2
2
z 2
➢球坐标系：
2
1 r2
r
r 2
16
2、给定电场分布，即已知 D和E ，
求电荷的分布。
D 或
E
17
例2-9 P66 已知导体球的电位是U（设无穷远处的电位为0）， 球的半径为a，求球外的电位函数。 解：球外的电位满足拉普拉斯方程（=0），且电场
具有球面对称性，因此= (r)。 球 坐 标 系，
2
1 r2
r
r 2
r
。
2
原来就是泊松方程啊！ ~~~~~~ORZ…………………
23
第二章 静电场
§2.1 §2.2 §2.3 §2.4 §2.5 §2.6 §2.7 §2.8
库仑定律与电场强度 静电场的无旋性与电位函数 静电场中的导体与电介质 高斯通量定理 泊松方程和拉普拉斯方程 分界面上的边界条件 导体系统的电容 静电场能量和静电力
★ 电位的泊松方程
2
★ 静电场的基本方程