泊松方程和拉普拉斯方程
2020年高中物理竞赛—电磁学B03泊松方程 拉普拉斯方程 (共13张PPT)
电磁学B
电磁场与波
3.3 泊松方程 拉普拉斯方程
补充内容：拉普拉斯运算
标量场的拉普拉斯运算 对标量场的梯度求散度的运算称为拉普拉斯运算。记作：
gu 2u
式中：“2”称为拉普拉斯算符。
在直角坐标系中：
2u
2u x2
2u y 2
2u z 2
3.3 泊松方程 拉普拉斯方程
矢量场的拉普拉斯运算
r
ev r
ev
r sin
)( aU )
r
evr
aU r2
解法二：电荷均匀分布在导体球上，呈点对称。
设导体球带电总量为Q，则可由高斯定理求得，在球外空间，电场 强度为：
v E
Q
40r 2
evr
U
Evgdrv Q ( 1) Q
a
40 r a 40a
Q 40aU
v E
aU r2
evr
可用于求解静电场的边值问题。
例 半径为a的带电导体球，已知球体电位为U，
求空间电位分布及电场强度分布。
解法一：导体球是等势体。
r
a
时：Ev
U
0
r a时：
2 0 ra U r 0
1
r
2
d dr
(r 2
d
dr
ra U
r 0
)
0
c1 r U
ra
0
r
Байду номын сангаас
c2
aU r
v
E
(evr
问题的求解。
THE END
谢谢观看！
Evgdrv
r
aU r r2 dr
aU r
泊松方程与拉普拉斯
泊松方程与拉普拉斯泊松方程与拉普拉斯方程是数学领域中重要的偏微分方程，它们在物理学、工程学、计算机科学等各个领域有着广泛的应用。
本文将介绍泊松方程和拉普拉斯方程的定义、性质以及它们在实际问题中的应用。
泊松方程是一个二阶偏微分方程，通常用于描述电位、温度、流体静压力分布等问题。
其一般形式可以表示为：∆u = f(x,y,z)其中，u是待求函数，∆表示Laplace算子，f(x,y,z)是已知的函数。
泊松方程的求解过程包括确定边界条件、选择适当的解析方法等。
在一些特殊情况下，泊松方程可以通过分离变量、格林函数等方法精确求解。
拉普拉斯方程是泊松方程的特殊情况，即f(x,y,z)=0。
它表示了没有源项的稳定状态下的物理量分布。
例如，在无电荷的情况下，电势的分布可以由拉普拉斯方程描述。
泊松方程和拉普拉斯方程在实际问题中具有重要的应用。
下面将介绍它们在物理学、工程学和计算机科学中的具体应用。
一、物理学应用：1. 电场分布：根据泊松方程，可以求解电荷分布对电场的影响。
例如，在计算静电场、电容器以及电场中带电粒子的运动等问题时，泊松方程能够提供准确的分析结果。
2. 热传导问题：热传导是物体内部以及不同物体之间的热量传递过程。
泊松方程可以描述温度分布的稳定状态，因此可以求解热传导问题。
例如，在石油勘探中，泊松方程可用于分析地下温度场的分布。
二、工程学应用：1. 结构力学：泊松方程可用于模拟材料的弯曲、拉伸、压缩等受力状态。
例如，在工程结构设计中，可以利用泊松方程分析材料的变形和应力分布。
2. 流体力学：泊松方程可以用于模拟流体流动中的压力分布。
例如，在空气动力学中，可以用泊松方程求解空气流动的速度场和压力场。
三、计算机科学应用：1. 图像处理：在数字图像处理中，拉普拉斯算子可以用于图像边缘检测。
通过计算图像中像素灰度值的二阶导数，可以突出显示图像中的边缘结构。
2. 数值计算：泊松方程和拉普拉斯方程是数值计算领域中常用的方程之一。
静电场(5) 泊松方程和拉普拉斯方程
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
静态场特性及方程
§方・d7二L*•丞
£.dS = O
B=VxA Vx^ = #Vx^ = #"c -- VxVx 麟
VxH = Jc V B = piH
・ --恒定磁R场=是无散有旋场。
O
VxWx^ = V(v3) —伊冒=Wc 一 ？2^ = —«"c——矢量泊松方程 L 洛仑兹规范：▽•/ = ()
矢量泊松方程可以分解为三个标量泊松方程:
小结:
1. 静态场的基本概念 2. 静态场的泊松方程和拉普拉斯方程
无源区 有源区
静电场 vF=o vp=-堕
恒定电场 vV=o
恒定磁场v -2冒=0 V2A = -JUJC
恒定磁场：由恒定电流或永久磁体产生的磁场。
2.静态场的麦克斯韦方程组
般形式:
=3 dD
+ dt
)・dS
E・d，= -[
is
静态场方程： 抄.d，
= L"c・d£§E・d，= O
玄ad"]"对 久 B • dS
=0
"B • dS = 0
静态场中的电场和磁场是彼此独立存在的。
VxH = Jc
VxE=0
(2)恒定电场的拉普拉斯方程
恒定电场基本方程: 护.d，= 0
£'c・dS = 0
VxE = 0 v
・Z=o
二=危
恒定电场具有无散、无旋场的特征，是保守场。
昌—
N • Jc= oV • E = 0
。 oV • （—V
）=0
a v=0 ——拉普拉斯方程
(3)恒定磁场的矢量泊松方程
恒定磁场基本方程:
♦拉普拉斯算子 V2
直角坐标系： V8 =气+气+气 dx dy dz
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。
泊松方程和拉普拉斯方程的区别
泊松方程和拉普拉斯方程的区别泊松方程和拉普拉斯方程是数学中的两个重要方程，它们在物理、工程、计算机科学等领域都有广泛的应用。
虽然它们都属于偏微分方程，但是它们的性质和应用有很大的不同。
本文将从定义、性质和应用等方面对这两个方程进行比较和分析。
一、定义泊松方程和拉普拉斯方程都是二阶偏微分方程，它们的定义如下：泊松方程：$Delta u=f(x,y,z)$拉普拉斯方程：$Delta u=0$其中，$Delta$表示拉普拉斯算子，$u$表示待求函数，$f(x,y,z)$表示已知的函数。
泊松方程的右侧有一个非零函数，而拉普拉斯方程的右侧为零。
二、性质1.解的存在性和唯一性对于泊松方程，只有在给定边界条件的情况下才有解，并且解是唯一的。
这是由于泊松方程是一个椭圆型方程，其解析性质决定了解的存在性和唯一性。
对于拉普拉斯方程，解的存在性和唯一性则要根据边界条件和区域形状来判断。
在一些特殊的情况下，拉普拉斯方程可能没有解或者有多个解。
2.性质分析泊松方程和拉普拉斯方程的性质有很大的不同。
泊松方程是一个非齐次方程，其右侧有一个非零函数。
这意味着泊松方程的解会受到外部条件的影响，例如在流体力学中，泊松方程描述了流体中的压力分布，其解会受到外部物体的影响。
拉普拉斯方程是一个齐次方程，其右侧为零。
这意味着拉普拉斯方程的解不受外部条件的影响，它只与内部条件有关。
例如在电场中，拉普拉斯方程描述了电势的分布，其解只与内部电荷分布有关。
另外，泊松方程和拉普拉斯方程在解的性质上也有很大的不同。
泊松方程的解是一个调和函数，它具有良好的性质，例如可微性、可积性等。
而拉普拉斯方程的解则不一定是调和函数，其性质则要根据具体情况来判断。
三、应用泊松方程和拉普拉斯方程在物理、工程、计算机科学等领域都有广泛的应用。
下面分别介绍它们的应用。
1.泊松方程的应用(1)流体力学中的应用泊松方程可以描述流体中的压力分布，因此在流体力学中有广泛的应用。
例如在空气动力学中，泊松方程可以用来计算飞机翼的气动力。
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
2.5泊松方程和拉普拉斯方程
１、求借电位φ呈完全对称分布； ２、无穷大边界面（如点电荷电场）
除上述情况外均须用其它方法求解。
解：泊松方程 2
为
0
0 x <d
<x 0
2 0 x 0d
0
x d U0 (x)
s(0) s(d)
E(x)
0x
x
d
d
0
U0
则 2
2
x2
d 2
dx2
0x 0d
d dx
0x2 20d
C1
第二章 静电场
d dx
0x2 20d
C1
0x3 60d
C1x
C2
x0 0
x d U0
C2 0
因球外无电荷，则空间电位满足拉普拉斯方程
2 0 球坐标系中
1 r2
d dr
(r2
d dr
)
0
即
r2
d
dr
C1
d
dr
C1 r2
第二章 静电场
r2
d
dr
C1
d
dr
C1 r2
C1 r
C2
而
r a时,
U0
C1 a
C2
r 时, 0 C2
故 aU0
r
C1 aU0
第二章 静电场
例：用解泊松方程的方法重求上例的电场强度。
第二章 静电场
❖ 求解泊松方程（或拉普拉斯方程）：
E 给定电荷分布，求解其方程得
（ E ）
若已知 E、
第二章 静电场
例：导体球的电位为U，球半径为 a ， 求球外的电位。（假定无穷远电位为0） 解：显然，导体球的电荷分布在球面上， 且呈球对称，故空间的电位也呈球对称， 仅是r 的函数。取球坐标系。
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拉普拉斯方程和泊松方程
摘要：拉普拉斯方程，又名调和方程、位势方程，是一种偏微分方程。
因为由法国数学家拉普拉斯首先提出而得名。
求解拉普拉斯方程是电磁学、天文学和流体力学等领域经常遇到的一类重要的数学问题，因为这种方程以势函数的形式描写了电场、引力场和流场等物理对象的性质。
关键词：分离变量电磁场拉普拉斯
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，每一质点的质量m k除以它们到任意观察点P的距离r k，并且把这些商加在一起，其总和
即P点的势函数，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=-V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εo=8.854×10-12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，σ 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。
静电场的唯一性定理： 设区域V 内给定自由电荷分布)(x ，在V 内电势满足泊松方程
或拉普拉斯方程,在V 的边界S 上给定电势
,或V 边界上给定电势的法线方向偏导数
,则V 内场（静电场）唯一确定。
除了静电场之外，在电学、磁学、力学、热学等领域还有许多服从拉普拉斯方程的势场。
各类物理本质完全不同的势场如果具有相似的边界条件，则因拉普拉斯方程解的唯一性，任
何一个势场的解，或该势场模型中实验测绘的等热面或流线图，经过对应物理量的换算之后，可以通用于其他的势场。
静磁场的泊松方程和拉普拉斯方程
在SI 制中，静磁场满足的方程为
,式中j 为传导电流密度。
第一式表明静磁
场可引入磁矢势r)描述： 。
在各向同性、线性、均匀的磁媒质中，传导电流密度j 0的区域里，磁矢势满足的方程
为 。
选用库仑规范，，则得磁矢势A 满足泊松方程
，式中纯数μr 为媒质的相对磁导率， 真空磁导率μo =1.257×10-6亨／米。
在传导电流密度j=0的区域里，上
式简化为拉普拉斯方程 。
静磁场的泊松方程和拉普拉斯方程是矢量方程，它的三个直角分量满足的方程与静电势满足的方程有相同的形式。
对比静电势的解，可得矢势方程的解。
拉普拉斯方程的解——分离变量法
在直角、柱或球坐标系的分离变量法中，通过变量分离将拉普拉斯方程分解为两个或三个微分程分别求解，然后利用边界条件和初始条件来确定其中的系数和常数。
参考文献：
郭硕鸿著:《电动力学》，人民教育出版社，北京，1979。
J.D.杰克逊著，朱培豫译：《经典电动力学》下册，人民教育出版社，北京，1980。
(J.D. Jackson，Classical Electrodynamics，John Wilye & Sons，New York，1976.)
.
（注：专业文档是经验性极强的领域，无法思考和涵盖全面，素材和资料部分来自网络，供参考。
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