Уравнение Пуассона. Его применение для расчета полей в вакууме

М.И. Векслер, Г.Г. Зегря

Уравнение
Пуассона для ε = 1 выглядит:

(16)

Это
уравнение – основа практических численных расчетов.

В
задачах, решаемых аналитически, φ и ρ обычно зависят только от одной
координаты. При интегрировании можно вычислять интегралы как неопределенные, не
забывая выписывать +const, а затем отдельно находить эти константы. Если
раccматриваются отдельные диапазоны координат, то на незаряженных границах
необходимо “сшивать” потенциал: φ и – для вакуума – d φ/dx
(или dφ/dr) не должны иметь разрыва. Если граница заряжена (σ), то
dφ/dx испытывает скачок на величину –σ/ε0. Кроме того, если
ρ и суммарный заряд конечны, то φ всюду конечен.

Другой
вариант – сразу правильно писать пределы интегрирования. Для этого используется
известное (или очевидное из симметрии задачи) значение поля ()
в одной какой-либо точке и значение потенциала в какой-либо точке (не
обязательно в той же, где знаем поле). Если в задаче не оговорено иное, то
следует принимать φ|∞ = 0. Так, например, для случая зависимости
потенциала только от одной сферической координаты r

(17)

после
переноса r2 в правую часть и двух последовательных интегрирований получаем:

 =

(18)

φ(r)

 =

(19)

При
этом взято φ|r = ∞ = 0 и учтено то обстоятельство, что при всюду
конечном ρ поле в центре равно нулю (–dφ/dr|r = 0 = 0).

Задача.
Пластина ширины 2a (ее ε≈ 1) заряжена равномерно по объему
(ρ(x) = ρ0); при x = 0 (центр пластины) φ = 0. Найти φ(x).

Ответ:
,
|x|, |x|>a

Задача.
Пластина ширины 2a (ее ε≈ 1) заряжена как ρ(x) = α x2; при
x = 0 (центр пластины) φ = 0. Найти φ(x).

Решение:
Мы работаем в декартовой системе координат, причем очевидно, что и поле, и
потенциал зависят только от x. Если ρ>0 (α >0) то поле – из
симметрии задачи – направлено по оси x при x>0 и против оси x при x

 =

 =

0 x>a или x<>

После
первого интегрирования (интеграл берем как неопределенный)

 =

 =

AL, x<>

 =

AR, x>a

Неверным
было бы записать одну общую константу для dφ /dx при x>a и x

φ(x)

 =

φ(x)

 =

ALx+BL, x<>

φ(x)

 =

ARx+BR, x>a

Для
нахождения шести констант у нас есть четыре условия сшивания (по два для границ
x = –a и x = a). Кроме того, дано указание взять φ(0) = 0. Видно также, что
Ex|x = 0 = –dφ/ dx|x = 0 = 0. Последнее очевидно из симметрии задачи.
Отсюда сразу

Ac = 0, Bc = 0

Из
симметрии следует также, что φ(x) = φ(–x) и что Ex(x) = –Ex(–x), вследствие
чего

AR = –AL, BR = BL

Это
делает достаточным рассмотрение условий сшивания только на одной из границ, например
при x = a:

 =

(ARx+BR)|x = a

 =

AR|x = a

Сначала
получаем AR (AR = –α a3/3ε0), а затем BR (BR = α a4/4ε0), после
чего остается выписать ответ:

φ(x)

 =

φ(x)

 =

φ(x)

 =

Альтернативой
было бы интегрирование с выписыванием пределов сразу:

Ex(x)

 =

φ

 =

Такое
интегрирование верно всегда, в том числе при x<>

Задача.
Шар радиуса R заряжен как ρ(r) = ρ0(1–r/R). Найти полный заряд шара Q,
поле Er(r), а также потенциал φ(r) при r = 0… +∞.

Решение:
Полный заряд шара находится как

Q

 =

 =

При
вычислении мы использовали выражение для элемента объема dV в сферических
координатах (не следует смешивать фигурирующий при этом φ с обозначением
потенциала). Уравнение Пуассона записывается:

 =

Поcле
однократного интегрирования в пределах 0… r имеем

 =

 =

Заметим,
что – с точностью до знака – мы уже получили поле, поскольку . Для нахождения потенциала φ(r)
требуется повторное интегрирование:

r>R

:

r<>

:

 =

Список литературы

1.
И.Е. Иродов, Задачи по общей физике, 3-е изд., М.: Издательство БИНОМ, 1998. – 448
с.; или 2-е изд., М.: Наука, 1988. – 416 с.

2.
В.В. Батыгин, И.Н. Топтыгин, Сборник задач по электродинамике (под ред. М.М.
Бредова), 2-е изд., М.: Наука, 1970. – 503 с.

3. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, Теоретическая
физика. т.8 Электродинамика сплошных сред, 2-е изд., М.: Наука, 1992. – 661 с.

Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://edu.ioffe.ru/r

Дата добавления: 14.03.2011