电动力学2-3 拉普拉斯方程

拉普拉斯方程拉普拉斯方程(Laplace equation)拉普拉斯方程表示液面曲率与液体压力之间的关系的公式。

一个弯曲的表面称为曲面，通常用相应的两个曲率半径来描述曲面，即在曲面上某点作垂直于表面的直线，再通过此线作一平面，此平面与曲面的截线为曲线，在该点与曲线相重合的圆半径称为该曲线的曲率半径R1。

通过表面垂线并垂直于第一个平面再作第二个平面并与曲面相交，可得到第二条截线和它的曲率半径R2，用 R1与R2可表示出液体表面的弯曲情况。

若液面是弯曲的，液体内部的压力p1与液体外的压力p2就会不同，在液面两边就会产生压力差?P= P1- P2，其数值与液面曲率大小有关，可表示为:在数理方程中，拉普拉斯方程为:?u=d^2u/dx^2+d^2u/dy^2=0，其中?为拉普拉斯算子，此处的拉普拉斯方程为二阶偏微分方程。

三维情况下，拉普拉斯方程可由下面的形式描述，问题归结为求解对实自变量 x 、 y 、 z 二阶可微的实函数φ :上面的方程常常简写作:或其中div表示矢量场的散度(结果是一个标量场)，grad表示标量场的梯度(结果是一个矢量场)，或者简写作:其中Δ称为拉普拉斯算子 .拉普拉斯方程的解称为调和函数。

如果等号右边是一个给定的函数 f ( x , y , z )，即:则该方程称为泊松方程。

拉普拉斯方程和泊松方程是最简单的椭圆型偏微分方程。

偏微分算子或Δ(可以在任意维空间中定义这样的算子)称为拉普拉斯算子，英文是 Laplace operator 或简称作 Laplacian 。

拉普拉斯方程的狄利克雷问题可归结为求解在区域 D 内定义的函数φ，使得在 D 的边界上等于某给定的函数。

为方便叙述，以下采用拉普拉斯算子应用的其中一个例子——热传导问题作为背景进行介绍:固定区域边界上的温度(是边界上各点位置坐标的函数)，直到区域内部热传导使温度分布达到稳定，这个温度分布场就是相应的狄利克雷问题的解。

拉普拉斯方程的诺伊曼边界条件不直接给出区域 D 边界处的温度函数φ本身，而是φ沿 D 的边界法向的导数。

数学准备知识§1 矢量代数一．矢量定义垐,,AA AAA A A A===（单位矢量） 在坐标系中 31i ii A Ae ==∑ 直角系 z yz A A i Aj A k =++方向余弦：cos ,cos ,cos ,cos cos cos x y z Ax Ay Az Ae e e A A AAαβγαβγ====++31222221231()ii A A A A A A===++=∑二．矢量运算加法： A B B A +=+ 交换律 ()()A B C A B C ++=++ 结合律 31()iiii A B A B e =+=+∑ 满足平行四边形法则标量积：31cos i ii A B A BAB θ=⋅==∑A B B A ⋅=⋅ 交换律 ()A B C A B A C ⋅+=⋅+⋅ 分配律矢量积：123123123sin n e e e A B AB e A A A B B B θ⨯== ()A B C A B A C ⨯+=⨯+⨯ 分配律A B B A ⨯=-⨯ 不满足交换律 混合积： 123123123()()()A A A A B C B C A C A B B B B C C C ⋅⨯=⋅⨯=⋅⨯=双重矢积：()()()()()A B C B A C C A B A C B A B C ⨯⨯=⋅-⋅=⋅-⋅（点3乘2，点2乘3）()()A B C A B C ⨯⨯≠⨯⨯三．矢量微分ˆˆdA dA dAA A dt dt dt=+ ()d A B dB dAA B dt dt dt ⋅=⋅+⋅ ()d A B dB dAA B dt dt dt⨯=⨯+⨯ 四．并矢与张量并矢： AB (一般 AB BA ≠)，有九个分量。

若某个量有九个分量，它被称为张量33,1,i i ijij i ji j i jT AB A B e e T e e====∑∑ i j e e 为单位并矢，张量的九个基。

拉普拉斯方程在简单静电场问题中的应用张斯特物理科学与工程技术学院光信息专业指导教师: 方奕忠摘要：《Laplace方程在简单静电场问题中的应用》一文主要阐述了Laplace方程这一经典方程在求解经电场问题中的使用方法。

首先简单介绍了Laplace使用方程的原理和适用的范畴，接下来给出较为常用的坐标系内Laplace方程的解的形式，最后介绍典型的应用举例，这也是本文较为重点的部分，分别从几个例子中由简单到复杂的介绍了Laplace方程在求解过程中的使用方法、边值关系的确定以及求得解所反映的部分物理意义。

关键词：Laplace方程球对称解轴对称解边值关系物理意义一、Laplace方程的使用原理和适用范围众所周知，电磁场的一般特性都是可以由maxwell方程反映出来，如下所示：而在本文所要讲述的静电场问题之中，我们紧紧需要方程组（1）之中的前两式即可。

对于静止的情况而言，电场和磁场无关，此时有所以上述用来描述电场特性的方程可以写成：其中，（2）式中的代表的含义是空间中自由电荷的分布，为了表示方便省去了下标。

而从式（3）看来，静电场是一个无旋场，所以其特性可以引入一个标势来表示，这类似于在保守力场中引入的势函数。

类似重力场中的势能函数一样，单独一点上的电势的绝对大小是没有意义的，只有两点之间的电势差才是有意义的。

在电场中电势差的定义方法是：把单位正电荷由一点移动到另一点电厂对其所做的功。

当电场做正功时电势下降（具体的定义方式可以参考《电动力学》第二章，高等教育出版社）。

进而可以得出电场和电势之间的关系：这样一来，只要知道了用来描述电场的势函数即可通过它求解出该电场的分布（不过反过来，当空间电场分布确定之后，与之对应的势函数却可能不只一个；这是由于电势铃点选取不同造成的，这一点不同只是反映在不同的电势和之间可能会相差一个常数，但是这并不影响它所描述的电场的性质）。

对于均匀的各项同性介质，、之间有如下关系：现在只需要结合式（2）、（4）和式（5）就可以得出如下方程：式（6）是静电场电势满足的基本微分方程，成为Poisson方程。

泊松方程和拉普拉斯方程Poisson's equation and Laplace's equation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，J.L.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mk 除以它们到任意观察点P的距离rk，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=-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。

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。

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。