第四章静态场边值问题的解法.ppt
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1、第四章第四章 静态场边值问题的解法静态场边值问题的解法 静电场和恒定电场的求解,可归结为在给定静电场和恒定电场的求解,可归结为在给定静电场和恒定电场的求解,可归结为在给定静电场和恒定电场的求解,可归结为在给定边界下,对拉普拉斯方程或泊松方程的求解。边界下,对拉普拉斯方程或泊松方程的求解。边界下,对拉普拉斯方程或泊松方程的求解。边界下,对拉普拉斯方程或泊松方程的求解。解析法解析法解析法解析法数值法数值法数值法数值法分离变量法分离变量法分离变量法分离变量法镜像法镜像法镜像法镜像法复变函数法复变函数法复变函数法复变函数法格林函数法格林函数法格林函数法格林函数法有限差分法有限差分法有限差分法有限差分法
2、解法解法下 页上 页返 回4.1 4.1 分离变量法分离变量法 1.1.1.1.分离变量法的思想分离变量法的思想分离变量法的思想分离变量法的思想 把一个包含多个自变量的函数用含单个自变量的函数的乘把一个包含多个自变量的函数用含单个自变量的函数的乘把一个包含多个自变量的函数用含单个自变量的函数的乘把一个包含多个自变量的函数用含单个自变量的函数的乘积表示,从而将偏微分方程分离为几个常微分方程分别求解,积表示,从而将偏微分方程分离为几个常微分方程分别求解,积表示,从而将偏微分方程分离为几个常微分方程分别求解,积表示,从而将偏微分方程分离为几个常微分方程分别求解,最后利用边界条件确定积分常数,得到级数
3、形式的解。最后利用边界条件确定积分常数,得到级数形式的解。最后利用边界条件确定积分常数,得到级数形式的解。最后利用边界条件确定积分常数,得到级数形式的解。分离变量法分离变量法分离变量法分离变量法解题的一般步骤:解题的一般步骤:解题的一般步骤:解题的一般步骤:写出边值问题(微分方程和边界条件);写出边值问题(微分方程和边界条件);写出边值问题(微分方程和边界条件);写出边值问题(微分方程和边界条件);分离变量,将偏微分方程分离成几个常微分方程分离变量,将偏微分方程分离成几个常微分方程分离变量,将偏微分方程分离成几个常微分方程分离变量,将偏微分方程分离成几个常微分方程;解常微分方程,并叠加得到通解
4、;解常微分方程,并叠加得到通解;解常微分方程,并叠加得到通解;解常微分方程,并叠加得到通解;下 页上 页返 回利用边界条件确定积分常数,最终得到电位的解。利用边界条件确定积分常数,最终得到电位的解。利用边界条件确定积分常数,最终得到电位的解。利用边界条件确定积分常数,最终得到电位的解。下 页上 页 分离变量法采用正交坐标系,当场域边界与分离变量法采用正交坐标系,当场域边界与分离变量法采用正交坐标系,当场域边界与分离变量法采用正交坐标系,当场域边界与正交坐标面重合或平行时,正交坐标面重合或平行时,正交坐标面重合或平行时,正交坐标面重合或平行时,分离变量法是一种有分离变量法是一种有分离变量法是一种
5、有分离变量法是一种有效的方法。效的方法。效的方法。效的方法。2.2.2.2.直角坐标系中的分离变量法(二维场)直角坐标系中的分离变量法(二维场)直角坐标系中的分离变量法(二维场)直角坐标系中的分离变量法(二维场)分离变量,设解答为:分离变量,设解答为:分离变量,设解答为:分离变量,设解答为:代入微分方程代入微分方程代入微分方程代入微分方程设设设设分离常数的取值有三种情况:分离常数的取值有三种情况:分离常数的取值有三种情况:分离常数的取值有三种情况:下 页上 页除以除以fg分离常数分离常数特解特解1 1下 页上 页返 回指数函数指数函数特解特解2 2下 页上 页特解特解3 3 通解为所有特解的叠
6、加通解为所有特解的叠加通解为所有特解的叠加通解为所有特解的叠加下 页上 页 对于具体问题,根据边界条件确定积分常数,对于具体问题,根据边界条件确定积分常数,对于具体问题,根据边界条件确定积分常数,对于具体问题,根据边界条件确定积分常数,积分常数的确定积分常数的确定积分常数的确定积分常数的确定一般有:一般有:一般有:一般有:比较系数法比较系数法比较系数法比较系数法 傅立叶级数展开法傅立叶级数展开法傅立叶级数展开法傅立叶级数展开法 分离常数的确定:分离常数的确定:分离常数的确定:分离常数的确定:若边界条件可看成周期性(若边界条件可看成周期性(若边界条件可看成周期性(若边界条件可看成周期性(f=0f
7、=0f=0f=0),),),),则则则则分离常数分离常数分离常数分离常数为虚数,对应解为三角函数;为虚数,对应解为三角函数;为虚数,对应解为三角函数;为虚数,对应解为三角函数;若边界条件为非周期性,则若边界条件为非周期性,则若边界条件为非周期性,则若边界条件为非周期性,则分离常数分离常数分离常数分离常数为实数,对为实数,对为实数,对为实数,对 应解为双曲函数或指数函数,其中有限区域的取应解为双曲函数或指数函数,其中有限区域的取应解为双曲函数或指数函数,其中有限区域的取应解为双曲函数或指数函数,其中有限区域的取 双曲函数,而无限区域的解衰减的指数函数;双曲函数,而无限区域的解衰减的指数函数;双曲
8、函数,而无限区域的解衰减的指数函数;双曲函数,而无限区域的解衰减的指数函数;若场与某坐标无关,则若场与某坐标无关,则若场与某坐标无关,则若场与某坐标无关,则分离常数为零分离常数为零分离常数为零分离常数为零,对应解为,对应解为,对应解为,对应解为 常数;常数;常数;常数;确定了各坐标变量方程的解,它们的乘积是确定了各坐标变量方程的解,它们的乘积是确定了各坐标变量方程的解,它们的乘积是确定了各坐标变量方程的解,它们的乘积是 拉氏方程的特解,须将特解线性叠加,使其满拉氏方程的特解,须将特解线性叠加,使其满拉氏方程的特解,须将特解线性叠加,使其满拉氏方程的特解,须将特解线性叠加,使其满 足边界条件,从
9、而确定各系数,求得电位函数。足边界条件,从而确定各系数,求得电位函数。足边界条件,从而确定各系数,求得电位函数。足边界条件,从而确定各系数,求得电位函数。下 页上 页返 回试求长直接地金属槽内电位的分布试求长直接地金属槽内电位的分布试求长直接地金属槽内电位的分布试求长直接地金属槽内电位的分布。边值问题(边值问题(边值问题(边值问题(D D 域内)域内)域内)域内)接地金属槽的截面接地金属槽的截面接地金属槽的截面接地金属槽的截面下 页上 页例:例:例:例:解:解:解:解:(1)(1)(1)(1)(2)(2)(2)(2)(3)(3)(3)(3)(4)(4)(4)(4)代入边界条件,确定积分常数代入
10、边界条件,确定积分常数代入边界条件,确定积分常数代入边界条件,确定积分常数下 页上 页由边界条件由边界条件由边界条件由边界条件(1 1)得:得:得:得:f(0)=f(0)=0 0由边界条件由边界条件由边界条件由边界条件(1)(1)、(、(、(、(2 2)分析可知:分析可知:分析可知:分析可知:由边界条件(由边界条件(由边界条件(由边界条件(2 2)得得得得f(af(a)=)=0 0下 页上 页由边界条件(由边界条件(由边界条件(由边界条件(3 3)代入得代入得代入得代入得可知可知可知可知g(0)=0将各特解线性叠加得通解将各特解线性叠加得通解将各特解线性叠加得通解将各特解线性叠加得通解下 页上
11、 页由边界条件(由边界条件(由边界条件(由边界条件(4 4)代入通解得代入通解得代入通解得代入通解得比较系数比较系数比较系数比较系数当当当当 时,时,时,时,当当当当 时,时,时,时,若金属槽盖电位若金属槽盖电位若金属槽盖电位若金属槽盖电位 ,再求槽内电位分布,再求槽内电位分布,再求槽内电位分布,再求槽内电位分布通解通解通解通解当当当当 时时时时,下 页上 页返 回傅立叶级数傅立叶级数代入通解代入通解代入通解代入通解接地金属槽内接地金属槽内接地金属槽内接地金属槽内的等位线分布的等位线分布的等位线分布的等位线分布下 页上 页下 页上 页返 回下 页上 页2.2.2.2.圆柱坐标系中的分离变量法(
12、二维场)圆柱坐标系中的分离变量法(二维场)圆柱坐标系中的分离变量法(二维场)圆柱坐标系中的分离变量法(二维场)设电位只是设电位只是设电位只是设电位只是r r r r和和和和f f f f 的函数,拉普拉斯方程为:的函数,拉普拉斯方程为:的函数,拉普拉斯方程为:的函数,拉普拉斯方程为:分离变量分离变量分离变量分离变量,设设设设 代入微分方程代入微分方程代入微分方程代入微分方程分离常数分离常数下 页上 页 欧拉方程欧拉方程欧拉方程欧拉方程当当当当 时,时,时,时,不是周期函数不是周期函数 因因因因周期函数周期函数当当当当 时,时,时,时,欧拉方程欧拉方程欧拉方程欧拉方程必为实数必为实数必为实数必为
13、实数必为整数必为整数必为整数必为整数下 页上 页返 回通解通解通解通解下 页上 页或或或或若求的是圆柱区域的问题,则若求的是圆柱区域的问题,则A0=0,B0=0 取圆柱坐标系,边值问题取圆柱坐标系,边值问题取圆柱坐标系,边值问题取圆柱坐标系,边值问题 垂直于均匀电场垂直于均匀电场垂直于均匀电场垂直于均匀电场E E E E0 0 0 0 放置一根放置一根放置一根放置一根无限长均匀介质圆柱棒,试求圆无限长均匀介质圆柱棒,试求圆无限长均匀介质圆柱棒,试求圆无限长均匀介质圆柱棒,试求圆柱内外柱内外柱内外柱内外 f f f f 和和和和 E E E E 的分布。的分布。的分布。的分布。下 页上 页返 回
14、例:例:例:例:解:解:通解通解通解通解 均匀电场中的介质圆柱棒均匀电场中的介质圆柱棒均匀电场中的介质圆柱棒均匀电场中的介质圆柱棒E E0 0f f f f2 2f f f f1 1 1 1P(r,P(r,j)j)j)j)下 页上 页利用给定边界条件确定积分常数利用给定边界条件确定积分常数利用给定边界条件确定积分常数利用给定边界条件确定积分常数通解通解通解通解对称性对称性对称性对称性b.b.b.b.可知可知可知可知参考点参考点参考点参考点a.a.a.a.有限值有限值有限值有限值通解通解通解通解c.c.c.c.由由由由比较系数比较系数比较系数比较系数通解通解通解通解下 页上 页返 回下 页上 页
15、d.d.d.d.分界面的衔接条件分界面的衔接条件分界面的衔接条件分界面的衔接条件对于对于对于对于f f f f2 2 2 2,n n=1=1=1=1最终解最终解最终解最终解下 页上 页均匀电场均匀电场 均匀外电场中介质圆柱内外的电场均匀外电场中介质圆柱内外的电场均匀外电场中介质圆柱内外的电场均匀外电场中介质圆柱内外的电场 下 页上 页介质柱内电场均匀,并与介质柱内电场均匀,并与介质柱内电场均匀,并与介质柱内电场均匀,并与外加电场外加电场外加电场外加电场E E E E 平行;平行;平行;平行;表明表明若若若若 2 2 2 2 E E1 1;若若若若 2 2 2 2 1 1 1 1 ,E E2 2
16、 E E1 1;4.2 4.2 镜像法镜像法下 页上 页返 回镜像法与电轴法的基本思想镜像法与电轴法的基本思想镜像法与电轴法的基本思想镜像法与电轴法的基本思想 根据唯一性定理,用虚设的简单分布电荷替代未知的根据唯一性定理,用虚设的简单分布电荷替代未知的根据唯一性定理,用虚设的简单分布电荷替代未知的根据唯一性定理,用虚设的简单分布电荷替代未知的复杂分布电荷,把求解偏微分方程的问题转化为求解简单复杂分布电荷,把求解偏微分方程的问题转化为求解简单复杂分布电荷,把求解偏微分方程的问题转化为求解简单复杂分布电荷,把求解偏微分方程的问题转化为求解简单分布电荷电场的问题。是一种间接计算方法。分布电荷电场的问
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