Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | ||
|
В конкретных задачах информация о распределении источников поля (зарядов) редко бывает полной. Заряды, создающие поле, обычно распределены по поверхностям или объемам материальных тел, причем это распределение само зависит от поля и поэтому неизвестно.
Однако знать распределение зарядов не обязательно. Возможно задание других условий, достаточных для определения поля. Эти условия составляют краевую задачу.
Постановка краевой задачи складывается из трех этапов:
1. Рациональный выбор искомой функции, описывающей электростатическое поле.
2. Запись дифференциальных уравнений для всех областей, в которых поле неизвестно.
3. Запись граничных условий на границах раздела областей (сред) и на бесконечности.
Рассмотрим примеры постановок краевых задач электростатики.
Пример 1. Поле двух заданных точечных зарядов и возмущено проводящим телом, ограниченным замкнутой поверхностью (рис. 4.38). Геометрия системы задана. Известен также суммарный заряд проводящего тела . Требуется найти поле вне проводящего тела, т.е. в объеме . (В объеме поле равно нулю).
Рис. 4.38. Проводящее тело в поле двух точечных зарядов
Произведена физическая постановка задачи. Выполним математическую постановку задачи, т.е. поставим краевую задачу.
В качестве искомой функции возьмем потенциал, но не результирующий потенциал, а разность между результирующим потенциалом и потенциалом двух точечных зарядов :
.
Очевидно, потенциал легко вычисляется:
,
где и расстояния от точки наблюдения соответственно до заряда (точки ) и (точки ). Искомая функция в объеме , очевидно, удовлетворяет уравнению Лапласа
, (4.55)
так как это потенциал зарядов, распределенных по поверхности проводящего тела.
Граничные условия для на поверхности вытекают из граничных условий на этой поверхности для результирующего потенциала и выражения для потенциала .
,
где С ‑ пока неизвестная константа. Поэтому:
, (4.56)
где – точка на поверхности , и – расстояния от этой точки соответственно до точек и расположения зарядов и .
Второе граничное условие на выражает заряд проводящего тела через значения нормальной производной потенциала на поверхности . По теореме Гаусса:
.
Или
,
где – внешняя нормаль к поверхности . Или
.
Окончательно:
(4.57)
Так как область уходит в бесконечность, т.е. границей области кроме поверхности , является бесконечность, то необходимо, вообще говоря, записать условие на бесконечности. Им будет следующее условие:
, (4.58)
где – расстояние от точки О, взятой где-либо внутри системы, до точки М.
Условия (4.55) – (4.58) составляют краевую задачу, поставленную для рассматриваемой физической задачи.
Если условия (4.55) – (4.58) записаны правильно, т.е. в соответствии с законами электродинамики, то существование решения задачи (4.55) – (4.58) не вызывает сомнения.
Однако единственность решения краевой задачи в каждом конкретном случае требует доказательства. Это не всегда просто. Неединственность может возникнуть из-за того, что условия краевой задачи являются неполными.
Пример 2. Необходимо найти электростатическое поле между двумя замкнутыми проводящими оболочками и (рис. 4.39). Между этими оболочками поддерживается напряжение . Объем между этими оболочками обозначим через .
Рис. 4.39. Две замкнутые проводящие оболочки
Примем потенциал второй оболочки равным нулю (выбор точки нулевого значения потенциала):
. (4.59)
Тогда потенциал первой оболочки будет равен :
. (4.60)
Так как среда однородная в объеме , то:
в . (4.61)
Условия (4.59), (4.60), (4.61) составляют краевую задачу для потенциала . Это краевая задача Дирихле для уравнения Лапласа. Единственность её решения доказывается в курсе методов математической физики.
Дата публикования: 2015-03-29; Прочитано: 2429 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!